配套课件-高频电子技术与应用.ppt
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1、1.1通信系统的组成及原理1.2无线电发送设备的组成及其基本原理1.3无线电接收设备的组成及其基本原理1.4无线电波波段的划分和无线电波的传播小结习题 本章要点本章要点 通信系统的组成及原理 无线电发送、接收设备的组成及其基本原理 无线电波波段的划分 本章难点本章难点 无线电发送设备的构成及原理分析 无线电接收设备的构成及原理分析 1.1通信系统的组成及原理通信系统的组成及原理 无线电的发明起源于电磁学的发展。19世纪60年代,麦克斯韦总结库仑、安培、法拉第等人的研究工作之后,提出了电磁波的概念。1887年,赫兹成功地在导线中激起高频电流,在导线周围测出电磁场,验证了电磁场的存在。1896年3
2、月,苏联物理学家波波夫在莫斯科首次进行世界上第一次无线电电报的发射和接收试验。1901年,意大利科学家马可尼首次完成了横渡大西洋的无线电通信。此后无线电电子技术获得迅速发展,其应用领域也不断扩大,但是到现在信息传输和处理仍是其主要的应用领域。用电信号(或光信号)传输信息的系统称为通信系统。其基本组成如图1-1所示,它由信号源、发送设备、传输信道、接收设备和终端装置组成。图1-1通信系统的组成 信号源就是信息的来源,它有不同的形式,如语言、音乐、文字、图像、电码等。发送设备将要传输的信号转换为对应的电信号(称为基带信号),再进行处理并以足够的功率送入传输信道,以实现信号的有效传输。传输信道是信号
3、传输的通道,又称传输媒介,常有无线信道和有线信道。无线信道常用自由空间,有线信道常用电缆、光导纤维等。接收设备把传输信道传过来的已调信号取出并进行处理,还原出基带信号。终端装置把基带信号转换为原来的信号。总之,经过一个完整的通信系统,最终完成信号的传输。通信系统有多种,常分为有线通信系统和无线通信系统;模拟通信系统和数字通信系统。无线电广播系统是无线通信系统的典型应用之一,我们以无线电调幅广播为例,简要说明发送设备、接收设备的组成与基本原理。1.2无线电发送设备的组成及其基本原理无线电发送设备的组成及其基本原理无线电调幅广播发射机的构成框图如图1-2所示,主要由载波信号产生电路、调制信号产生电
4、路、振幅调制电路及发射天线等组成。图1-2调幅广播发射机的构成框图 1)载波信号产生电路载波信号产生电路主要由高频振荡器(又称主振器)、高频放大器及倍频器组成,其基本功能是产生高频大功率的正弦波信号。通常,主振器是由石英晶体振荡器构成,优点是能产生波形好、频率极其稳定的正弦波信号;缺点是振荡频率不高,利用高频放大器及倍频器,进行倍频及放大,得到频率较高的高频正弦波(即载波)。在一些特殊电子系统,载波也采用其他一些波形,如三角波、方波等。2)调制信号产生电路调制信号产生电路由话筒和低频放大器组成。话筒的功能是将声音转换成微弱的音频电信号,再经低频放大器,产生振幅调制电路要求的调制信号。3)振幅调
5、制电路振幅调制电路的基本功能是将调制信号对高频载波进行振幅调制,输出大功率的调幅波信号。(1)振幅调制基本原理。振幅调制通常称为调幅,其原理图如图1-3所示。图1-3调幅原理图 设输入调幅电路载波信号数学表达式为uc(t)=Ucmcosct其中,Ucm为载波振幅;c为载波角频率。通常,调制信号是一个复杂的信号,但为分析问题方便,常用单一频率余弦信号为例,进行讨论。调制信号的数学表达式为u(t)=Umcost。根据调幅定义,u(t)对uc(t)进行调幅后,输出调幅波的一般表达式为tstmUttUUKUttUKUtucacmccmmacmcmacmAMcocos1coscos1coscos)(1-
6、1)其中,Ka为与调幅电路有关的系数;为调幅系数,通常小于1;Ucm(1+ma cost)为调幅波的瞬时振幅。可见uAM(t)的瞬时振幅随u(t)的大小而变化。利用三角函数变换,将(1-1)式展开,得cmmaaUUKm tUmtUmtUtu)cos(21)cos(21cos)(ccmaccmaccmAM(1-2)可见,单一频率调幅波由三个频率成分的信号叠加而成,即载频、上边频、下边频三个频率分量,其频谱如图1-4所示。图1-4调制信号、载波及调幅波的频谱 由图1-4可见,调幅过程的实质就是将调制信号u(t)的频谱搬移到载频两侧的过程。复杂调制信号的调幅过程也是如此。(2)采用调制发射的原因。在
7、无线电通信系统中,电信号是通过无线以电磁波的形式向空间辐射传输的。目前,几乎所有的无线电发射机都采用调制发射方式,即把调制信号(代表要传输的信息)调制在高频载波上,然后由天线辐射出去。那么,为什么要采用调制发射呢?采用调制发射方式的原因是多方面的,但至少在以下两方面是最基本的。其一是与无线电波有效辐射的条件有关,其二是为了满足“多路复用”的需要。由电磁场理论知,只有当天线的尺寸与被辐射信号的波长相比拟时(波长l的1/101),信号才能被有效地辐射出去。对于频率f为20 Hz20 kHz的音频信号,由l=C/f知(C为光速,C=3108*m/s),相应的波长l为15 00015 km,若采用l/
8、4天线,则天线长度至少应在3.75 km以上。显然,这是不可能实现的。采用调制就可以把低频调制信号调制在高频载波上,从而易于实现电信号的有效传输。不同电台可以采用不同频带的高频电磁波,以避免相互之间的干扰,满足多路复用。例如,有一组音乐信号和一组语言信号要同时播出,若将这两组信号同时向空间辐射,则这两组信号的频谱就会发生混叠现象。当接收机收到这类信号,无法将其彼此分开,在扬声器中同时发出音乐声与讲话声,显然这不符合实际要求。若采用调制,将音乐信号调在fc1上,语言信号调在fc2上,在接收机中,通过选台,分别接收、还原出原来的音乐或者语言信号。综合上述,基于上述两点使目前所有的无线通信、无线广播
9、和电视广播均毫无例外地采用调制发射方式。(3)调制类型。在高频电子线路中,只讨论连续波的调制与解调。调制有三种类型:调幅、调频和调相,分别对应的解调方式为:检波、鉴频和鉴相。4)高频功率放大器由于调幅电路输出的功率不大,因此需对其输出的调幅波信号进行功率放大,采用高频功率放大器,用以输出大功率的调幅波,来满足增大发射设备的覆盖面,即增加发射设备的作用距离。1.3无线电接收设备的组成及其基本原理无线电接收设备的组成及其基本原理无线电调幅广播接收机的组成框图如图1-5所示。为提高接收机的性能,均采用超外差接收方式,即把不同接收频率的信号变为固定频率的中频信号。图1-5调幅广播接收机构成框图(1)高
10、频放大器。在接收机中,天线能起到对空间电磁波汇聚作用,而高频放大器具有选频与放大功能。为提高接收机的灵敏度,常选用低噪声高放管。(2)本机振荡器。本机振荡器又称为本振,它的功能是为混频器提供高频正弦波信号。(3)混频器。混频器是超外差接收机的重要组成部分。其基本功能是将本振信号和高频调幅波信号进行频率变换,选择输出中频的调幅信号。(4)中频放大器。中频放大器的基本功能是将混频器输出的中频调幅波信号进行放大,为检波器提供要求输入幅度的信号。(5)检波器。检波器的主要功能是将中频放大器输出的中频调幅波信号变换成音频信号。(6)前置放大器。前置放大器主要完成音频信号的电压放大,满足低频功率放大器输入
11、信号的要求,即起推动激励作用。(7)低功放。低频功率放大器完成音频信号的功率放大,推动扬声器工作,还原出音频信号。1.4无线电波波段的划分和无线电波的传播无线电波波段的划分和无线电波的传播1.4.1无线电波波段的划分无线电波波段的划分由于频率不同,电子器件、电路特性和无线电波传播的特点差异会很大,有必要简单介绍一下无线电波波段的划分及其主要用途。习惯上,人们把频率在10 kHz到103GHz范围内的电磁波叫做无线电波。对频率范围如此宽的无线电波,为了分析和应用方便,人们按习惯把它划分为若干波段或频段,如表1-1所示。根据无线电不同的使用用途,又有更详细的划分,表1-2为我国陆地移动无线电业务频
12、率划分,表1-3为业余无线电通信频率使用划分表,表1-4和表1-5为无绳电话使用频率划分表,表1-6为广播及电视频率划分表,表1-7为玩具无线电遥控及通信频率表,表1-8为发射特性国际代号说明。表表1-1无线电波的频段划分及主要用途无线电波的频段划分及主要用途 表表1-2我国陆地移动无线电业务频率划分我国陆地移动无线电业务频率划分 表表1-3业余无线电通信频率使用划分表业余无线电通信频率使用划分表 表表1-4无绳电话使用频率划分表一无绳电话使用频率划分表一 表表1-5无绳电话使用频率划分表二无绳电话使用频率划分表二 表1-4为我国无线电管理委员会1985年制定,表1-5为1992年制定。规定无
13、绳电话频道间隔为25 kHz,座机发射功率不得超过50 mW,手机发射功率不得超过20 mW,发射类别为F3E、F1D、G3E。表表1-6广播及电视频率划分表广播及电视频率划分表 表表1-7玩具无线电遥控及通信频率表玩具无线电遥控及通信频率表 表表1-8发射特性国际代号说明发射特性国际代号说明 1.4.2无线电波的传播无线电波的传播无线电波的传播是无线电通信系统的一个重要环节。无线电波的传播方式大体可分为三种。(1)绕射传播方式。所谓绕射传播即绕地球弯曲表面传播,如图1-6(a)所示。由于地球表面并非传播电磁波的理想导体,因而电磁波在绕射传播过程中会有能量损耗,能量损耗的大小与电磁波的频率等因
14、素有关。绕射传播的主要特点是传播比较稳定,传播距离也比较远,故可用于导航和播送标准的时间信号。图1-6电磁波的三种传播方式(2)直射传播方式。如图1-6(b)所示为直射传播方式,由于地球表面为一弯曲面,因而直射传播的电磁波只能在视距范围内。发射天线和接收天线架设愈高,其传播距离就愈远(在发射机发射功率足够大,接收机灵敏度足够高的条件下)。电磁波在空间传播时会被大气吸收,因而有部分能量损耗,损耗与电磁波的波长等因素有关。电磁波直射传播方式主要应用于中继通信、调频和电视广播以及雷达、导航系统中。(3)反射及折射传播方式。如图1-6(c)所示为电磁波的反射及折射传播方式,它是利用空间电离层的反射和折
15、射现象而实现的。在地球的表面存在着具有一定厚度的大气层,由于受到太阳的照射,大气层上部的气体将发生电离而产生自由电子和离子,被电离的这一部分大气层称为电离层。电磁波到达电离层后,一部分能量被吸收掉,一部分能量被反射和折射到地面,频率较低的电波容易从电离层反射到地面,频率较高的则容易穿过电离层,不再回到地面。利用电离层反射可以实现信号的远距离传输,所以短波通信常用于远距离无线电广播、电话通信以及中距离小型移动电台等。但由于电离层状态会随时间而变化,因此反射及折射传播方式的电波传播不稳定。小结小结1.用电信号(或光信号)传输信息的系统称为通信系统,由信号源、发送设备、传输信道、接收设备和终端装置组
16、成。通信系统种类很多,利用空间电磁波来传送信号的称为无线通信系统,利用光缆或电缆等来传送信号的称为有线通信系统。2.无线电调幅广播发射机主要由载波信号产生电路、调制信号产生电路、振幅调制电路及发射天线等组成。为改善系统性能,实现信号的有效传输及多路复用,通信系统广泛采用调制技术。对于连续信号的调制常有调幅、调频和调相三种形式。3.无线电调幅广播接收机主要由高频放大器、本振、混频器、中频放大器、检波器、前置放大器、低功放及扬声器等组成。4.无线电波波段常划分为超长波、长波、中波、短波、米波、分米波、厘米波、毫米波、亚毫米波等。其传播常采用绕射传播、直射传播和反射及折射传播方式。习题习题1.何谓通
17、信系统?通信系统由哪些部分组成?各组成部分的作用是什么?2.无线电发送设备和接收设备各由哪些部分组成?各组成部分的作用是什么?3.无线通信系统为何采用调制发射方式?调幅波有何特点?4.无线电波传播方式大体可分为几种?各自有何特点?2.1小信号谐振放大器的分类和性能指标2.2LC并联谐振回路2.3高频小信号放大器2.4集成选频放大器 2.5仿真设计与应用小结习题 本章要点本章要点 高频小信号谐振放大器的分类、性能指标 高频小信号谐振放大器 集中选频放大器 本章难点本章难点 高频小信号放大器的工作原理分析 高频小信号放大器的仿真实验 用Multisim 10.0仿真分析高频小信号放大器2.1小信号
18、谐振放大器的分类和性能指标小信号谐振放大器的分类和性能指标采用谐振回路作为负载的放大器称为谐振放大器,又称调谐放大器。高频小信号谐振放大器的功用是放大各种无线电设备中的高频小信号,以便作进一步的变换和处理。“小信号”主要是强调输入信号电平较低,因而放大器工作在它的线性范围。小信号谐振放大器不但具有从接收的众多电信号中选出有用信号并加以放大的作用,而且具有对无用信号、干扰信号、噪声信号进行抑制的作用。因此广泛应用于广播、电视、通信和雷达等电子接收设备中。2.1.1谐振放大器的分类谐振放大器的分类高频小信号谐振放大器按核心器件分类可分为晶体管放大器、场效应管放大器、集成电路放大器;按负载性质分类可
19、以分为谐振放大器和非谐振放大器,谐振放大器是以LC谐振回路作为负载,非谐振放大器以传输线变压器作为负载。按频谱宽度分,高频小信号放大器可分为窄频带放大器和宽频带放大器。窄频带放大器用LC谐振回路或集中选频滤波器做负载,具有放大、选频的功能,其中心频率在几百赫兹到几百兆赫兹范围内,频带宽度为几赫兹到几十兆赫兹。宽带放大器用纯阻或变压器做负载,带宽较宽,为几兆赫兹到几百兆赫兹。2.1.2小信号谐振放大器的性能指标小信号谐振放大器的性能指标1.高频小信号放大器的主要要求(1)高增益,即要求放大器的放大量要高,一般可达80100 dB。(2)频率选择性要好。(3)工作稳定可靠。2.高频小信号放大器的基
20、本性能指标高频小信号放大器的基本性能指标(1)增益。增益定义为放大器的输出信号电压与输入信号电压的比值,用A加下标(类似于低频放大器的增益)来表示。放大器在谐振频率上的增益称为谐振电压增益,并用Au0来表示,Au0用于衡量对有用信号的放大能力。(2)通频带。当放大器的增益比最大增益下降3 dB(0.707倍)时的高端频率称为上限截止频率fH,低端频率称为下限截止频率fL。通频带定义为放大器的上限截止频率与下限截止频率之差,用BW0.7=fHfL表示,如图2-1所示。图2-1高频小信号放大器的幅频特性曲线(3)选择性。选择性表示放大器对通频带以外的各种干扰信号及其噪声的滤除能力,或者说,从各种干
21、扰中选出有用信号的能力。放大电路的选择性主要由选频电路来决定。衡量选择性的具体指标是矩形系数Kr0.1 7.01.01.0rBWBWK其中,BW0.1为幅频特性曲线下降0.1时的频带宽度;BW0.7为曲线下降3 dB的频带宽度,简称带宽。矩形系数显然是大于1的值(理想时为1),矩形系数越接近于1,说明回路的选择性越好。(4)工作稳定性。工作稳定性是指选频放大器中的非线性放大元器件的偏置、交流参数、以及其他电路元件参数发生变化时,电路性能(如增益、通频带、矩形系数等)的稳定程度。为使放大器稳定工作,必须采取稳定措施,即限制每级增益,选择内反馈小的晶体管,应用中和或失配方法等。(5)噪声系数。与低
22、频放大器一样,选频放大器的输出噪声也来源于输入端和放大电路本身。通常用信噪比来表示噪声对信号的影响,电路中某处信号功率与噪声功率之比称信噪比。信噪比越大,信号质量越好。噪声系数是用来反映电路本身噪声大小的技术指标。其定义为输入信号的信噪比与输出信号的信噪比的比值。噪声系数越接近于1,说明放大器的抗噪能力越强,输出信号的质量越好。在多级放大器中,第一级的噪声系数对整个放大器的噪声起决定作用,因此要求它的噪声系数应尽量小。以上五项性能指标,相互间有联系也有矛盾,如增益和稳定性,通频带和选择性等。因此,应根据要求决定主次和取舍。输入信号信噪声输入信号信噪声nosonisiFPPPPN 2.2LC并联
23、谐振回路并联谐振回路 谐振放大器的性能在很大程度上取决于谐振回路,LC谐振回路在正弦波振荡、调制、混频电路中都起着重要作用。谐振回路由电感线圈和电容器组成,它具有选择信号和阻抗变换作用,简单的谐振回路一般有串联和并联谐振回路两种形式,在谐振放大器中,LC并联谐振回路使用最为广泛。1.并联谐振回路的选频特性并联谐振回路的选频特性图2-2(a)是最简单的并联振荡回路。图中,r代表线圈L的等效损耗电阻。电容器的损耗比较小,图中将其略去。图2-2并联谐振回路及其等效电路、幅频特性和相频特性 并联谐振回路的并联阻抗为在实际电路中,通常r很小,满足r1,Q0值越大,回路的损耗越小,其选频特性就越好。将式(
24、2-2)、式(2-3)和式(2-4)带入式(2-1),可得并联谐振回路的并联阻抗特性为)(1000pjQrCLZ02100pjQRZ式中,=0表示频率偏离谐振的程度,称为失谐。为外加信号的频率,与0很接近时,相对失谐为对应的幅频特性与相频特性分别为 ffffffffffff0000002)(2000p21QRZ00Z2arctanQ(2-5)(2-6)谐振时,谐振阻抗最大且为纯电阻,相移为0。当0时,回路呈感性,相移为正值,最大值趋于90。当0时,回路呈容性,相移为负值,最大值趋于90。2.并联谐振回路的通频带和选择性并联谐振回路的通频带和选择性当|Zp|/R0的值由最大值1下降为(0.707
25、倍)时,对应的频率范围称为回路的通频带,也称回路带宽,常用BW0.7来表示。令式(2-5)等于,则可推得1,从而可得带宽为 2120R007.02QffBW(2-7)式(2-7)说明,回路Q0值越高,幅频特性曲线越尖锐,通频带越窄;回路谐振频率越高,通频带越宽。选择性是指回路从含有不同频率信号总和中选出有用信号、排除干扰信号的能力。由图2-2可以看出,LC谐振回路对偏离谐振频率信号具有抑制作用,偏离越大,|Zp|/R0越小;而且回路Q值越大,曲线就越尖锐,说明回路的选频性能越好,回路Q0值越小,曲线越平缓,回路的选频性能就越差。正常使用时,谐振回路的谐振频率应调谐在所需信号的中心频率上。理想谐
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