高頻電子線路_第6版課件_第1章_緒論第一頁，共75頁。教材及參考書《高頻電子線路（第五版）》，張肅文，高等教育出版社《高頻電子線路（第五版）學習指導書》，張肅文，高等教育出版社《高頻電路的原理與分析》，杜武林，西安電子科技大學出版社《非線性電子線路》，嚴國萍，華中科技大學出版社第二頁，共75頁。教學、考核方式教學方式：課堂講授-40學時、實驗-16學時考核方式：平時成績（考勤+作業(yè)）-30%

考試成績：閉卷-70%第三頁，共75頁。講授內(nèi)容1.緒論2.選頻網(wǎng)絡3.高頻小信號放大器4.非線性電路、時變參量電路和變頻器5.

高頻功率放大器6.

正弦波振蕩器第四頁，共75頁。1.概述1.1電子線路的分類1.2無線電信號發(fā)展簡史1.3無線電信號傳輸原理1.4數(shù)字通信系統(tǒng)1.5現(xiàn)代通信系統(tǒng)1.6本課程的特點第五頁，共75頁。1.1電子線路的分類包含有源器件的網(wǎng)絡統(tǒng)稱為電子線路1電子線路按照工作頻率可分成①低頻電子線路低頻通常指頻率低于300kHz的范圍，語音的電信號、生物電信號、地震電信號、機械振動的電信號等都屬于這個范圍。②高頻電子線路③微波電子線路2按電子線路中所包含的元件性質(zhì)來分類第六頁，共75頁。1.1電子線路的分類包含有源器件的網(wǎng)絡統(tǒng)稱為電子線路1電子線路按照工作頻率可分成①低頻電子線路②高頻電子線路高頻通常指頻率在300kHz~300MHz的范圍，廣播、電視、短波通信、移動通信等無線電設備都工作在這個頻率范圍之內(nèi)。③微波電路2按電子線路中所包含的元件性質(zhì)來分類第七頁，共75頁。1.1電子線路的分類包含有源器件的網(wǎng)絡統(tǒng)稱為電子線路1電子線路按照工作頻率可分成①低頻電子線路②高頻電子線路③微波電路微波泛指頻率高于300MHz以上的范圍，衛(wèi)星電視、微波中繼通信、雷達、導航等設備都工作在這個頻率范圍。2按電子線路中所包含的元件性質(zhì)來分類第八頁，共75頁。1.1電子線路的分類包含有源器件的網(wǎng)絡統(tǒng)稱為電子線路1電子線路按照工作頻率可分成2按電子線路中所包含的元件性質(zhì)來分類①線性電路由線性元件組成的電子線路叫線性電子線路。線性電路是用線性代數(shù)方程、線性微分方程或線性差分方程來描述。②非線性電路第九頁，共75頁。1.1電子線路的分類包含有源器件的網(wǎng)絡統(tǒng)稱為電子線路1電子線路按照工作頻率可分成2按電子線路中所包含的元件性質(zhì)來分類①線性電路②非線性電路含有非線性元件的電子線路叫非線性電子線路。非線性電路是用非線性代數(shù)方程、非線性微分方程、非線性差分方程來描述的。第十頁，共75頁。1.1電子線路的分類包含有源器件的網(wǎng)絡統(tǒng)稱為電子線路含有時變參數(shù)元件的電子線路叫參變電路或時變電路。本課程主要研究高頻、模擬、非線性、時變電子線路第十一頁，共75頁。非線性電子線路與線性電子線路的區(qū)別

信號頻率高，大部分電路為非線性工作（完成信號頻率變換功能）；應用集中參數(shù)描述元器件，但器件存在高頻效應，雜散參數(shù)對電路產(chǎn)生很大影響。信號頻率較低，元器件工作在線性工作區(qū)；應用集中參數(shù)描述元器件。低頻電子線路高頻電子線路微波電路電路尺寸可以與工作波長相比擬，應用場的方法進行分析。線性電子線路非線性電子線路1.1電子線路的分類第十二頁，共75頁。1.1電子線路的分類非線性電路的特點1非線性電子線路不具有疊加性和均勻性，不適用疊加定理；2在穩(wěn)定狀態(tài)之下，非線性電子線路輸出變量中包含有輸入變量中不具有的頻率成分；3處于非線性狀態(tài)工作的有源器件，它們的輸出響應與器件工作點的選取和輸入信號的大小有關；第十三頁，共75頁。1.1電子線路的分類非線性電路的特點4描述非線性器件特性的參量有三種一是靜態(tài)參量，也稱為直流參量；二是動態(tài)參量，也稱為交流參量；三是折合參量，也稱為平均參量。用這三種參量綜合起來描述一個非線性器件的工作狀態(tài)。5非線性電子線路的數(shù)學描述是非線性方程；二階以上的非線性微分方程還沒有實用的求解方法。在工程上一直沿用的是近似解法，本課程也將采用這種方法。第十四頁，共75頁。1.概述1.1電子線路的分類1.2無線電信號發(fā)展簡史1.3無線電信號傳輸原理1.4數(shù)字通信系統(tǒng)1.5現(xiàn)代通信系統(tǒng)1.6本課程的特點第十五頁，共75頁。遠距離信息傳遞信鴿、驛站、烽火臺、海上用的旗語、手語有線通信1837年 莫爾斯 電報碼1876年 貝爾 電話1.2無線電通信發(fā)展簡史第十六頁，共75頁。無線通信1864年 麥克斯韋 電磁理論1887年 赫茲 實驗驗證1904年 弗萊明 電子二極管1907年 福萊斯特 電子三極管1948年 肖克萊 晶體三極管20世紀60年代 集成電路出現(xiàn)1.2無線電通信發(fā)展簡史電子技術發(fā)展史第一個重要里程碑電子技術發(fā)展史第二個重要里程碑電子技術發(fā)展史第三個重要里程碑第十七頁，共75頁。原始手段有線通信無線通信烽火、旗語電報（1837Morse）電話（1876Bell）電磁波的存在

Maxwell

理論Hertz

實踐三個里程碑：①Leedeforest

發(fā)明電子三極管②W.Shockley

發(fā)明晶體三極管③集成電路、數(shù)字電路的出現(xiàn)1.2無線電通信發(fā)展簡史第十八頁，共75頁。1.概述1.1電子線路的分類1.2無線電信號發(fā)展簡史1.3無線電信號傳輸原理1.4數(shù)字通信系統(tǒng)1.5現(xiàn)代通信系統(tǒng)1.6本課程的特點第十九頁，共75頁。1.3無線電信號傳輸原理1.3.1傳輸信號的基本方法1.3.2通信系統(tǒng)簡介1.3.3無線電信號的產(chǎn)生和發(fā)射1.3.4無線電信號的接收1.3.5信號及其頻譜第二十頁，共75頁。1.3.1傳輸信號的基本方法語言和文字最原始、最基本的傳輸手段光通信遠距離通信，迅速準確電通信無線通信，有線通信Maxwell在理論上發(fā)現(xiàn)電磁場理論Hertz在實踐上證明電磁場的存在Morse有線電報Bell有線電話無線電第二十一頁，共75頁。1.3.2通信系統(tǒng)簡介1通信系統(tǒng)原理框圖2信號源3發(fā)送設備4傳輸信道5接收設備6收信裝置（換能器）第二十二頁，共75頁。信號源發(fā)送設備傳輸信道收信裝置接收設備通信系統(tǒng)原理框圖1.3.2通信系統(tǒng)簡介第二十三頁，共75頁。1信號源在實際的通信電子線路中傳輸?shù)氖歉鞣N電信號。為此，需要將各種形式的信息轉(zhuǎn)變成電信號。常見的信號源有話筒攝像機各種傳感器件1.3.2通信系統(tǒng)簡介第二十四頁，共75頁。1.3.2通信系統(tǒng)簡介2發(fā)送設備作用將基帶信號變換成適合信道的傳輸特性的信號。第二十五頁，共75頁。1.3.2通信系統(tǒng)簡介2發(fā)送設備兩大任務調(diào)制：將基帶信號轉(zhuǎn)換成適合信道傳輸特性的頻帶信號；放大：是指對調(diào)制信號和已調(diào)信號的電壓和功率放大、濾波等處理過程，以保證送入信道足夠大的已調(diào)信號功率。對基帶信號進行變換的原因由于要傳輸?shù)男畔⒎N類多樣，其對應的基帶信號特性各異，這些基帶信號往往并不適合信道的直接傳輸。第二十六頁，共75頁。1.3.2通信系統(tǒng)簡介3傳輸設備（傳輸媒質(zhì)）信號從發(fā)送到接收中間所經(jīng)過傳輸信道。電纜、光纜、無線電波等。不同的傳輸信道有不同的傳輸特性，根據(jù)傳輸媒質(zhì)的不同，可以分為兩大類：有線通信：雙線對電纜、同軸電纜、光纖無線通信：自由空間、水第二十七頁，共75頁。1.3.2通信系統(tǒng)簡介（1）有線通信信道①雙絞線適用于短距離（小于100m）、1Mb/s數(shù)據(jù)率的通信環(huán)境。②同軸電纜適用于距離在幾百米、帶寬小于10MHz、碼流率小于20Mbps的通信環(huán)境。③光纖電纜衰減?。ㄐ∮?db/km）、工作頻率高、信息容量大。第二十八頁，共75頁。1.3.2通信系統(tǒng)簡介（2）無線通信信道無線通信的傳輸媒質(zhì)是自由空間和水。電磁波從發(fā)射天線輻射出去之后，經(jīng)過自由空間到達接收天線。根據(jù)傳播途徑可分為兩大類：地波天波第二十九頁，共75頁。1.3.2通信系統(tǒng)簡介（2）無線通信信道①地波地面波：沿地面?zhèn)鞑サ臒o線電波。適用于長波和超長波?？臻g波：在發(fā)射天線與接收天線間直線傳播的無線電波,發(fā)射天線和接收天線較高，接收點的電磁波由直接波和地面反射波合成。適用于超短波。②天波第三十頁，共75頁。1.3.2通信系統(tǒng)簡介（2）無線通信信道①地波②天波經(jīng)過地面100km至500km的電離層反射傳送到接收點的電磁波。適用于短波。電離層反射的特點頻率越高，吸收能量越小，但頻率過高電波會穿透電離層。故頻率只限于中短波段300kHz-30MHz。什么是電離層？第三十一頁，共75頁。1.3.2通信系統(tǒng)簡介散射通信利用對流層對電波的散射進行通訊，它適用于超短波以及微波波段的通信，通信距離很遠。第三十二頁，共75頁。1.3.2通信系統(tǒng)簡介傳播方式的對比頻率越高，趨膚效應越嚴重，損耗也越嚴重。沿著地表傳輸?shù)牟l率不太高，波長在200米以上的波主要沿著地表傳輸，波長在10米到200米的波主要靠電離層傳輸，波長在10米以下，主要是直線傳播?？侩婋x層反射和折射的傳播方式的傳播距離最長；靠直線傳播方式傳播的距離最短；沿著地表傳播方式傳播的距離介于上面的兩者之間。第三十三頁，共75頁。波段名稱波長范圍頻率范圍頻段名稱超長波10,000—100,000m30—3kHz甚低頻VLF長波1,000—10,000m300—30kHz低頻LF中波200—1,000m1500—300kHz中頻MF中短波50—200m6,000—1,500kHz中高頻IF短波10—50m30—6MHz高頻

HF米波1—10m300—30MHz甚高頻VHF分米波10—100cm3,000—300MHz超高頻UHF厘米波(微波)1—10cm30—3GHz特高頻SHF毫米波1—10mm300—30GHz極高頻EHF亞毫米波1mm以下300GHz以上超極高頻1.3.2通信系統(tǒng)簡介無線電波波段的劃分第三十四頁，共75頁。1.3.2通信系統(tǒng)簡介4接收設備作用接收傳送過來的信號，并進行處理，以恢復發(fā)送端的基帶信號。要求由于信號在傳輸和恢復的過程中存在著干擾和失真，接收設備要盡量減少這種失真。第三十五頁，共75頁。1.3.2通信系統(tǒng)簡介5收信裝置（換能器）指接收設備輸出的電信號變換成原來形式的信號的裝置。例如還原聲音的喇叭恢復圖象的顯像管第三十六頁，共75頁。1.3.3無線電信號的產(chǎn)生和發(fā)射天線和電磁波的研究表明如果天線的長度L可以和電信號的波長λ相比擬（L≈λ/4），則把電信號加到天線上，就可以電磁波的形式傳輸?shù)胶苓h的地方！基本語言的頻率范圍：300～3000Hz相應的波長為：

λ=c/f=3×108/f=106～105m第三十七頁，共75頁。1.3.3無線電信號的產(chǎn)生和發(fā)射基帶信號無線通信系統(tǒng)中傳輸?shù)男盘柨梢允锹曇?、圖像、數(shù)據(jù)等，其波形復雜，有連續(xù)信號，也有離散信號，但都具有一定的頻率范圍，這種信號稱為基帶信號?；鶐盘柌豢赡苤苯影l(fā)射出去，只有利用高頻信號作為“載波”才能有效地將有用信號用電磁波的形式發(fā)射出去。高頻適合于通過天線傳輸；高頻的頻帶范圍寬，信息容量大。第三十八頁，共75頁。1.3.3無線電信號的產(chǎn)生和發(fā)射解決的辦法產(chǎn)生高頻信號由振蕩電路輸出一個高頻信號，將其加到適當高度的天線上發(fā)射出去，這個高頻信號稱為載波，用來作為傳輸信息的運載工具。調(diào)制高頻信號用需要傳輸?shù)牡皖l信號去控制高頻的載波信號，這個過程稱為調(diào)制。第三十九頁，共75頁。1.3.3無線電信號的產(chǎn)生和發(fā)射無線通信系統(tǒng)中的信號調(diào)制信號（基帶信號）攜有信息的電信號。載波信號未調(diào)制的高頻振蕩信號。已調(diào)波信號經(jīng)調(diào)制后的高頻振蕩信號。第四十頁，共75頁。1.3.3無線電信號的產(chǎn)生和發(fā)射無線電發(fā)射機方框圖第四十一頁，共75頁。1.3.3無線電信號的產(chǎn)生和發(fā)射無線電發(fā)射機調(diào)制modulation用帶有信息的信號控制高頻信號的一個或幾個參數(shù)，使該參數(shù)按照電信號的規(guī)律而變化的一種處理方式。將音頻信號“裝載”到高頻振蕩中的方法有好幾種。調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等。第四十二頁，共75頁。1.3.3無線電信號的產(chǎn)生和發(fā)射調(diào)制①振幅調(diào)制（調(diào)幅AM）使高頻振蕩信號的幅度隨調(diào)制信號變化的調(diào)制方式。第四十三頁，共75頁。1.3.3無線電信號的產(chǎn)生和發(fā)射調(diào)制②頻率調(diào)制（調(diào)頻FM）使高頻振蕩信號的頻率隨調(diào)制信號變化的調(diào)制方式。第四十四頁，共75頁。1.3.3無線電信號的產(chǎn)生和發(fā)射調(diào)制③相位調(diào)制（調(diào)相PM）使高頻振蕩信號的相位隨調(diào)制信號變化的調(diào)制方式。第四十五頁，共75頁。1.3.3無線電信號的產(chǎn)生和發(fā)射調(diào)制數(shù)字信號的調(diào)制：調(diào)制信號為數(shù)字信號時，稱為鍵控，分為振幅鍵控ASK頻率鍵控FSK相位鍵控PSK有正弦調(diào)制和脈沖調(diào)制方式。第四十六頁，共75頁。1.3.4無線電信號的接收最簡單的接收機原理框圖第四十七頁，共75頁。1.3.4無線電信號的接收超外差式接收機方框圖變頻器第四十八頁，共75頁。1.3.4無線電信號的接收解調(diào)從已調(diào)波中把原來的調(diào)制信號恢復出來的過程。根據(jù)調(diào)制方法不同，解調(diào)電路可分別有：檢波器鑒頻器鑒相器第四十九頁，共75頁。消息信號源放大器調(diào)制器高頻振蕩器諧振放大器或倍頻器已調(diào)波放大器發(fā)射天線接收天線高頻放大器本地振蕩器混頻器中頻放大器解調(diào)器放大器視頻顯示器揚聲器等等選擇電路發(fā)射機接收機無線電發(fā)射機和接收機原理框圖1.3.4無線電信號的接收第五十頁，共75頁。1.3.5信號及其頻譜常用的信號表示方法1數(shù)學表達式法正弦波u=Asinωt階躍函數(shù)u=Aε(t)2波形表示法3頻域表示法第五十一頁，共75頁。1.3.5信號及其頻譜常用的信號表示方法1數(shù)學表達式法2波形表示法例如3頻域表示法At第五十二頁，共75頁。1.3.5信號及其頻譜常用的信號表示方法1數(shù)學表達式法2波形表示法3頻域表示法根據(jù)傅里葉變換的基本原理，任何一個函數(shù)都可以用傅里葉級數(shù)展開。如果把信號看成一個函數(shù)，這就為我們研究信號提供了一種新的方法。通過研究信號的頻譜，我們可以突出在信號傳輸中存在的主要問題，如信號的變化規(guī)律，信號的能量分布等。第五十三頁，共75頁。1.3.5信號及其頻譜頻譜由于任何復雜的信號，都可分解為許多不同頻率的正弦信號之和，因此，所謂“頻譜”即是指組成信號的各正弦分量按頻率分布的情況。為了更直觀地了解信號的頻率組成和特點，我們通常采用作圖的方法來表示頻譜，即頻譜圖。第五十四頁，共75頁。1.3.5信號及其頻譜頻譜如：下面所示的一般語音信號的頻譜示意圖可以看到語音信號的頻譜是連續(xù)的，其主要能量集中在1000Hz左右。電壓f/Hz3003400第五十五頁，共75頁。1.3.5信號及其頻譜頻譜一般數(shù)字信號的頻譜圖可見，數(shù)字信號的頻譜是不連續(xù)的。

振幅f第五十六頁，共75頁。1.3.5信號及其頻譜頻譜脈沖信號的分解第五十七頁，共75頁。1.3.5信號及其頻譜頻譜脈沖信號的頻譜f1表示脈沖信號的基波頻率。f3、

f5、f7…分別表示三、五、七次諧波，在f軸的0點，表示直流分量，這條譜線的長度表示脈沖直流分量（即平衡值）的大小。高次諧波的譜線可以分布到很高的頻率，但其幅度已相當小。第五十八頁，共75頁。1.概述1.1電子線路的分類1.2無線電信號發(fā)展簡史1.3無線電信號傳輸原理1.4數(shù)字通信系統(tǒng)1.5現(xiàn)代通信系統(tǒng)1.6本課程的特點第五十九頁，共75頁。1.4數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸數(shù)字信號的通信系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)其原理框圖如下圖所示第六十頁，共75頁。1.4數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)模擬信號經(jīng)信源編碼和信道編碼變成數(shù)字基帶信號，發(fā)射機將基帶信號調(diào)制到高頻載波上經(jīng)信道傳輸?shù)浇邮斩?，接收機還原出數(shù)字基帶信號，經(jīng)信道解碼和信源解碼還原出模擬基帶信號。用數(shù)字基帶信號對高頻正弦載波進行的調(diào)制稱數(shù)字調(diào)制。根據(jù)基帶信號控制載波的參數(shù)不同，數(shù)字調(diào)制通常分為振幅鍵控調(diào)制，頻率鍵控和相位鍵控第六十一頁，共75頁。1.4數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)根據(jù)基帶信號控制載波的參數(shù)不同，數(shù)字調(diào)制通常分為振幅鍵控ASK：載波振幅受基帶控制；相位鍵控PSK：載波相位受基帶信號控制，當基帶信號p(t)=1時，載波起始相位為0，當p(t)=0時載波起始相位為；頻率鍵控FSK：載波頻率受基帶信號控制，當p(t)=1時，載波頻率為f1；當p(t)=1時，載波頻率為f2。第六十二頁，共75頁。1.4數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)第六十三頁，共75頁。1.4數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)主要優(yōu)點(1)有較強的抗干擾能力，通過再生中繼技術可以消除噪聲的積累，并能對信號傳輸中因干擾而產(chǎn)生的差錯及時發(fā)現(xiàn)和糾正，從而提高了信息傳輸?shù)目煽啃裕?2)數(shù)字信號便于保密處理，易于實現(xiàn)保密通信；(3)數(shù)字信號便于計算機進行處理，使通信系統(tǒng)更加通用和靈活；(4)數(shù)字電路易于大規(guī)模集成，便于設備的微型化。第六十四頁，共75頁。1.4數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)主要缺點數(shù)字信號占據(jù)頻帶較寬，頻帶利用率低，但目前采用了一些新的數(shù)字調(diào)制技術，不斷增大通信容量，提高頻率利用率，所以數(shù)字通信的發(fā)展前景廣闊。第六十五頁，共75頁。1.概述1.1電子線路的分類1.2無線電信號發(fā)展簡史1.3無線電信號傳輸原理1.4數(shù)字通信系統(tǒng)1.5現(xiàn)代通信系統(tǒng)1.6本課程的特點第六十六頁，共75頁。1.5現(xiàn)代通信系統(tǒng)（軟件無線電）現(xiàn)代通信系統(tǒng)70年代以前，通信系統(tǒng)主要是模擬體制，接收機如前介紹的超外差接收機，70-80年代無線電通信實現(xiàn)了模擬數(shù)字的大轉(zhuǎn)變，從系統(tǒng)控制（選臺調(diào)諧、音量控制，均衡控制等）到信源編碼、信道編碼，以及硬件實現(xiàn)技術都無一例外地實現(xiàn)了數(shù)字化?，F(xiàn)代超外差接收機可用下圖來表示，它是一個模擬與數(shù)字的混合系統(tǒng)第六十七頁，共75頁。1.5現(xiàn)代通信系統(tǒng)（軟件無線電）現(xiàn)代通信系統(tǒng)上世紀90年代后，通信界開始了一場新的無線電革命，即從數(shù)字化走向了軟件化，軟件無線電技術應運而生。支持這場革命的是多種技術的綜合，包括多頻段天線和RF變換寬帶A/D/A轉(zhuǎn)換，完成IF、基帶、比特流處理功能的通用可編程處理器等。軟件無線電最初目的是滿足軍用通信中不同頻段，不同信道調(diào)制方式和數(shù)據(jù)方式的各類電臺之間的聯(lián)網(wǎng)需要，因為它可以很容易地解決各種接口標準之間的兼容問題，使得它的優(yōu)越性很快得到商用通信的青睞，并且在個人移動通信領域發(fā)展迅速。軟件無線電是特指具有用軟件實現(xiàn)各種功能特點的無