高頻電子線路

合肥工業(yè)大學(xué)理學(xué)院劉士興Tel:2901463/4/5-8107/8第一頁，共五十七頁。1什么是“高頻”?“高頻”也叫射頻,與“低頻”相對(duì)應(yīng);狹義的高頻為3-30MHZ,廣義上范圍很寬,目前最高已達(dá)微波段300GHZ電路→電子線路(模擬電子)基礎(chǔ)→高頻電子線路無線通信系統(tǒng)的重要特點(diǎn)就是利用高頻信號(hào)傳遞消息高頻電子線路主要應(yīng)用于無線通信；第二頁，共五十七頁。2高頻電子線路研究對(duì)象傳輸信息的系統(tǒng)通稱為通信系統(tǒng)廣義地說，廣播、電視、雷達(dá)及導(dǎo)航系統(tǒng)等，也都屬于通信系統(tǒng)高頻電子線路所涉及的單元電路都是從傳輸與處理信息這一基本點(diǎn)出發(fā)、來進(jìn)行研究的。包括：基帶信號(hào)與載波、模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)……第三頁，共五十七頁。3相關(guān)教材通信電子線路非線性電子線路高頻電子線路第四頁，共五十七頁。4主要參考書

《高頻電子線路輔導(dǎo)書》

曾興雯主編，高等教育出版社《通信電子線路》嚴(yán)國萍主編，科學(xué)出版社《高頻電子線路》第3版，張肅文主編，高等教育出版社《電子線路》（非線性部分）第四版，謝嘉奎主編，高等教育出版社第五頁，共五十七頁。5第一章緒論信息傳輸：

聲、光、電、多媒體……

有線傳輸：利用導(dǎo)線傳送信息

1837年莫爾斯(F．Morse)發(fā)明有線電報(bào) 1876年貝爾(G．Bell)發(fā)明有線電話

無線傳輸：利用電磁波傳送信息光纖通信系統(tǒng)：利用光導(dǎo)纖維傳送信息第六頁，共五十七頁。6A.G.貝爾和T.A.沃森手持第一臺(tái)電話

我相信在未來，電線將把不同城市中的電話總局聯(lián)接在一起，某個(gè)美國人可以同萬里之迢的他鄉(xiāng)直接用嘴巴話。

——A.G.貝爾第七頁，共五十七頁。7晶體管

激光----1958年光通信----寬帶系統(tǒng)是互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)----1925年傳送了第一份傳真數(shù)字傳輸與交換

----1962年，貝爾實(shí)驗(yàn)室第一次對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行了數(shù)字復(fù)用傳輸。蜂窩移動(dòng)電話技術(shù)

----創(chuàng)造蜂窩的概念，并開發(fā)出全球第一個(gè)商業(yè)化的移動(dòng)電話服務(wù)。第八頁，共五十七頁。8通信衛(wèi)星----1962年，建造全球第一個(gè)軌道式通信衛(wèi)星，使電話呼叫橫跨大洋環(huán)繞地球

數(shù)字信號(hào)處理(DSP)

----1979年制造出全球第一個(gè)DSP芯片按鍵電話

----1963年推出按鍵電話取代旋轉(zhuǎn)撥號(hào)電話Unix操作系統(tǒng)和C語言

----1969～1972年發(fā)明Unix®操作系統(tǒng)和C程序設(shè)計(jì)語言第九頁，共五十七頁。9無線電通訊的起源理論預(yù)言1864年，英國物理學(xué)家麥克斯韋(Maxwell)以理論推導(dǎo)得出“電磁波應(yīng)該存在”的結(jié)論赫茲實(shí)驗(yàn)1888年，德國物理學(xué)家赫茲

(Hertz)以實(shí)驗(yàn)來證明麥克斯韋的理論第十頁，共五十七頁。10赫茲實(shí)驗(yàn)第十一頁，共五十七頁。11無線電通訊的起源無線電通訊的實(shí)現(xiàn)1895年意大利年輕發(fā)明家馬克尼

(GuglielmoMarconi)改良了赫茲實(shí)驗(yàn)，成功完成1.7公里長的無線電報(bào)機(jī)實(shí)驗(yàn)1901年12月12日完成了橫越 大西洋的無線電通訊

1909年馬克尼獲得諾貝爾獎(jiǎng)

第十二頁，共五十七頁。12信息的傳輸與處理

—無線電技術(shù)的首要任務(wù)

第一個(gè)重要里程碑:1907年：李·德·福雷斯特(LecdeForest)發(fā)明了電子三極管第二個(gè)重要里程碑:1948年：肖克萊(w.Shockly)等人發(fā)明晶體三極管第三個(gè)重要里程碑:60年代開始出現(xiàn)集成電路

第十三頁，共五十七頁。131.1無線通信系統(tǒng)概述

1.1.1無線通信系統(tǒng)的組成

無線通信(或稱無線電通信)的類型很多,可以根據(jù)傳輸方法、頻率范圍、用途等分類。但它們的基本組成不變.圖1中虛線以上部分為發(fā)送設(shè)備（發(fā)信機(jī)）,虛線以下部分為接收設(shè)備（收信機(jī)）,天線及天線開關(guān)為收發(fā)共用設(shè)備。信道為自由空間。話筒和揚(yáng)聲器屬于通信的終端設(shè)備,分別為信源和信宿。

第十四頁，共五十七頁。14圖1—1無線通信系統(tǒng)的基本組成

第十五頁，共五十七頁。15超外差接收機(jī)的主要特點(diǎn)就是由頻率固定的中頻放大器來完成對(duì)接收信號(hào)的選擇和放大。當(dāng)信號(hào)頻率改變時(shí),只要相應(yīng)地改變本地振蕩信號(hào)頻率即可。高頻電路的基本內(nèi)容應(yīng)該包括:

（1）高頻振蕩器（2）放大器（3）混頻或變頻（4）調(diào)制與解調(diào)第十六頁，共五十七頁。16數(shù)字無線通信系統(tǒng)的組成與此相似將模擬通信終端換成數(shù)字通信終端，或者在模擬終端與調(diào)制解調(diào)器之間分別增加?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)—模轉(zhuǎn)換器(DAC)即可。數(shù)字無線通信系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)小型化，性能更加優(yōu)越。在數(shù)字無線通信系統(tǒng)中，接收機(jī)的結(jié)構(gòu)有多種類型，除了傳統(tǒng)的超外差結(jié)構(gòu)外，還有數(shù)字中頻結(jié)構(gòu)、直接變換結(jié)構(gòu)等。數(shù)字超外差結(jié)構(gòu)，中頻比信號(hào)載頻低很多，因此在中頻上實(shí)現(xiàn)對(duì)有用信號(hào)的選擇要比在載頻上選擇對(duì)濾波器Q值的要求低很多，容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高增益放大，甚至出現(xiàn)零中頻。第十七頁，共五十七頁。17按照傳送的消息的類型分為模擬通信和數(shù)字通信,也可以分為話音通信、圖像通信、數(shù)據(jù)通信和多媒體通信等。不同類型的通信系統(tǒng),雖然其系統(tǒng)組成和設(shè)備的復(fù)雜程度不同，但是組成設(shè)備的基本電路及原理都是相同的。以模擬通信為重點(diǎn)來研究這些基本電路,認(rèn)識(shí)其規(guī)律。這些電路和規(guī)律完全可以推廣應(yīng)用到其它類型的通信系統(tǒng)。無線通信系統(tǒng)的類型

(一)第十八頁，共五十七頁。18按工作頻段或傳輸手段分:中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和衛(wèi)星通信等。按照通信方式來分:主要有（全）雙工、半雙工和單工方式。按照調(diào)制方式的不同來劃分,有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及混合調(diào)制等。無線通信系統(tǒng)的類型（二）

工作頻率指發(fā)射與接收的射頻（RF）頻率。是“高頻”的廣義語,指適合無線電發(fā)射和傳播的頻率。無線通信的一個(gè)發(fā)展方向就是開辟更高的頻段。第十九頁，共五十七頁。191.2無線電信號(hào)與調(diào)制

無線電信號(hào)主要有三種:

基帶(消息)信號(hào)、高頻載波信號(hào)和已調(diào)信號(hào)。所謂基帶信號(hào),就是沒有進(jìn)行調(diào)制之前的原始信號(hào),也稱調(diào)制信號(hào)。1、時(shí)間特性:

信號(hào)隨時(shí)間變化快慢的特性。電壓或電流的時(shí)間函數(shù),通常用時(shí)域波形或數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述?！也ㄐ盘?hào)的時(shí)間特性要求傳輸該信號(hào)的電路的時(shí)間特性（如時(shí)間常數(shù)）與之相適應(yīng)。第二十頁，共五十七頁。20在自由空間中,波長與頻率關(guān)系:

c=fλ無線電波只占整個(gè)電磁波頻譜中的一部分頻率在30kHz～300GHz無線電波無須通過有線媒介傳播。

2、頻譜特性第二十一頁，共五十七頁。21頻率單位：赫茲(Hz)合肥交通臺(tái)–102.6MHz(FM)安徽廣播電臺(tái)–936kHz(AM)計(jì)算機(jī)CPU–500MHz,2.8GHz交流電-50Hz第二十二頁，共五十七頁。22對(duì)于較復(fù)雜的信號(hào)（如話音信號(hào)、圖像信號(hào)等）,用頻譜分析法表示較為方便。

圖2信號(hào)分解第二十三頁，共五十七頁。23周期性信號(hào)可以表示為許多離散的頻率分量(諧頻),用傅里葉變換法分解為連續(xù)譜,信號(hào)為連續(xù)譜積分頻譜特性包含幅頻特性和相頻特性兩部分。任何信號(hào)都會(huì)占據(jù)一定的帶寬,帶寬就是信號(hào)能量主要部分(90%)

所占據(jù)的頻率范圍或頻帶寬度。語音能量主要集中在300Hz～3.4KHz；射頻頻率越高，可利用的頻帶寬度就越寬，可以容納許多互不干擾擾的信道，實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用或頻分多址，也以傳播某些寬頻帶的消息信號(hào)(如圖像)。圖3頻譜圖第二十四頁，共五十七頁。24電磁波頻譜(Spectrum)珈瑪射線硬

X-射線軟

紫外線

紅外線可見光

無線電波第二十五頁，共五十七頁。25無線電波頻段第二十六頁，共五十七頁。26決定傳播方式和傳播特點(diǎn)的關(guān)鍵因素是無線電信號(hào)的頻率。電磁波從發(fā)射天線輻射出去后,不僅電波的能量會(huì)擴(kuò)散,接收機(jī)只能收到其中極小的一部分。在傳播過程中,電波的能量會(huì)被地面、建筑物或高空的電離層吸收或反射,或者在產(chǎn)生折射或散射等現(xiàn)象,造成到達(dá)接收機(jī)時(shí)的強(qiáng)度大大衰減。3、傳播特性第二十七頁，共五十七頁。27無線電波的特性繞射/衍射(Diffraction)第二十八頁，共五十七頁。28無線電波的特性干涉(Interference)第二十九頁，共五十七頁。29無線電波的特性反射(Reflection)及折射(Refraction)第三十頁，共五十七頁。30圖1—5無線電波的主要傳播方式（a）直射傳播;（b）地波傳播;（c）天波傳播;（d）散射傳播第三十一頁，共五十七頁。31

電磁波頻段波段波長頻率特點(diǎn)說明中長波＞200m＜1.5MHz沿地表傳播大地表面是導(dǎo)體，一部分電磁波會(huì)損耗掉，頻率越高，損耗越大短波10m-200m1.5～30MHz靠電離層反射傳播電磁波一部分被吸收，另一部分被反射或折射到地面。頻率越高，被吸收的能量越小，但頻率越過一定值，電磁波會(huì)穿過電離層，不再返回地面超短波＜10m＞30MHz沿空間直線傳播地球表面是彎曲的，所以只能限制在視線范圍內(nèi)本課程涉及的頻段從中頻(MF)到超高頻(UHF)第三十二頁，共五十七頁。32電磁波與地球大氣層1-10GHz稱為衛(wèi)星通信頻率的“窗口”頻段第三十三頁，共五十七頁。33高頻適于天線輻射和無線傳播:只有當(dāng)天線的尺寸到可以與信號(hào)波長相比擬時(shí),天線的輻射效率才較高,從而以較小的信號(hào)功率傳播較遠(yuǎn)的距離,接收天線才能有效地接收信號(hào)。人可以聽到的聲音頻率在20～20kHz，波長大于10km。4、調(diào)制特性第三十四頁，共五十七頁。34調(diào)制是用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波參數(shù),使載波信號(hào)的某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)（振幅、頻率或相位）按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化。三種基本方式:振幅調(diào)制（調(diào)幅AM）、頻率調(diào)制（調(diào)頻FM）、相位調(diào)制（調(diào)相PM）。第三十五頁，共五十七頁。35無線通信存在的問題①接收信號(hào)微弱：電磁波接收天線

②存在干擾：其它電臺(tái)的發(fā)射信號(hào)，各種工業(yè)、醫(yī)學(xué)裝置輻射電磁波，大氣層，宇宙固有的電磁干擾。第三十六頁，共五十七頁。36移動(dòng)通訊的誕生及發(fā)展二十世紀(jì)20年代至40年代初使用范圍小，主要使用對(duì)象是船舶、飛機(jī)、汽車等專用移動(dòng)通信以及運(yùn)用在軍事通信中。40年代中至60年代末移動(dòng)通訊向小型化方面大大前進(jìn)了一步。美國、日本、英國、西德等國家開始應(yīng)用汽車公用無線電話。第三十七頁，共五十七頁。37移動(dòng)通訊的誕生及發(fā)展70年代至80年代美國貝爾實(shí)驗(yàn)室(BellLab)推出的蜂窩式移動(dòng)通信系統(tǒng)的概念，蜂窩式系統(tǒng)開始應(yīng)用，是第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。90年代中至今推出第二、第三代移動(dòng)電話通訊系統(tǒng)。第三十八頁，共五十七頁。38第一代移動(dòng)通訊(1G)第一代的行動(dòng)電話系統(tǒng)屬于模擬式(Analog)系統(tǒng)主要用于語音傳輸例子：AMPS,NMT,TACS缺點(diǎn)：容量小，通話品質(zhì)差，容易被盜打與竊聽第三十九頁，共五十七頁。39第二代移動(dòng)通訊(2G)第二代的系統(tǒng)為數(shù)字式(Digital)系統(tǒng)可提供語音/數(shù)據(jù)/傳真?zhèn)鬏?，以及一系列加值型的服?wù)第四十頁，共五十七頁。40模擬式

vs數(shù)字式1模擬式信號(hào)數(shù)字式信號(hào)第四十一頁，共五十七頁。41接收到處理后失真雜音模擬式第四十二頁，共五十七頁。4211接收到處理后成功還原數(shù)字式第四十三頁，共五十七頁。43第二代移動(dòng)通訊(2G)第二代數(shù)字式(Digital)系統(tǒng)可提供語音/數(shù)據(jù)/傳真?zhèn)鬏?目前還在發(fā)展當(dāng)中例子：GSM,CDMA缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸速度慢(9.6~14.4kbps)第四十四頁，共五十七頁。44GlobalSystemforMobileCommunication(GSM)采用數(shù)字式蜂窩系統(tǒng)分時(shí)多任務(wù)存取技術(shù)

(TimeDivisionMultipleAccess,TDMA)不同時(shí)槽（TimeSlot）可以分別傳送不同的訊號(hào)第四十五頁，共五十七頁。45GlobalSystemforMobileCommunication(GSM)時(shí)間時(shí)槽

(Timeslots)TDMA第四十六頁，共五十七頁。46CodeDivisionMultipleAccess(CDMA)采用數(shù)字式蜂窩系統(tǒng)碼分多址技術(shù)(CodeDivisionMultipleAccess,CDMA)每個(gè)用戶分配了各自特定的密碼(Code)第四十七頁，共五十七頁。473G傳輸速度：2Mbps

(靜止)、384kbps(步行)、114kbps（快速移動(dòng)）具有語音、文字、靜態(tài)影像、動(dòng)態(tài)影像等多媒體傳輸?shù)奶攸c(diǎn)與能力取實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸量為收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)例子：WCDMA,CDMA2000,TD-SCDMA(中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的3G標(biāo)準(zhǔn)，2006年1月20日信息產(chǎn)業(yè)部發(fā)布)軟件無線電第三代移動(dòng)通訊(3G)第四十八頁，共五十七頁。48軟件無線電的概念軟件無線電（SoftwareDefinedRadio）是采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺(tái)上，用軟件來定義無線電臺(tái)各部分功能。即整個(gè)無線電臺(tái)從高頻、中頻、基帶到控制協(xié)議全部由軟件編程來完成。核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶“數(shù)字/模擬”轉(zhuǎn)換器完成信號(hào)的數(shù)字化，盡可能地用軟件來定義和實(shí)現(xiàn)通信功能。軟件無線電是一種基于數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片，以軟件為核心的嶄新的無線通信體系結(jié)構(gòu)。第四十九頁，共五十七頁。491.3本課程的特點(diǎn)

高頻電子線路是在科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)展起來的,也只有通過實(shí)踐才能得到深入的了解。學(xué)習(xí)本課程必須要高度重視實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際,在實(shí)踐中積累豐富的經(jīng)驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA技術(shù)）的發(fā)展,越來越多的高頻電子線路可以采用EDA軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真分析和電路板制作,甚至可以做電磁兼容的分析和實(shí)際環(huán)境下的仿真。因此,掌握先進(jìn)的高頻電路EDA技術(shù),也是學(xué)習(xí)高頻電子線路的一個(gè)重要內(nèi)容。第五十頁，共五十七頁。50本課程的特點(diǎn)1.非線性高頻電路絕大部分為非線性電路。精確求解需要求解非線性方程或時(shí)變系數(shù)微分方程，很復(fù)雜。一般采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的方法進(jìn)行輔助分析。在工程上往往根據(jù)實(shí)際情況對(duì)器件的數(shù)學(xué)模型和電路的工作條件進(jìn)行合理的近似，以便用簡單的分析方法(如折線近似法、線性時(shí)變電路分析法、開關(guān)函數(shù)等)獲得具有實(shí)際意義的結(jié)果，而不過分追求其嚴(yán)格性。第五十一頁，共五十七頁。51本課程的特點(diǎn)

2.基本概念、基本原理、基本分析方法和基本電路高頻電路涉及概念多，單元功能電路種類多，實(shí)現(xiàn)一種單元功能電路型式很多，分析方法也不盡相同。

對(duì)策：抓住本質(zhì)、抓基本電路功能再多也是借助器件非線性；種類雖多，但都是在為數(shù)不多的基本電路上發(fā)展起來的。第五十二頁，共五十七頁。523.重視實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際，重視實(shí)踐環(huán)節(jié)。本書內(nèi)容安排的三個(gè)層次：

①實(shí)現(xiàn)各功能的基本原理并由此導(dǎo)出基本電路。

②

進(jìn)行合理近似，引出對(duì)電路進(jìn)行近似的工程分析。

③根據(jù)分析結(jié)果，提出對(duì)電路的設(shè)計(jì)原則及改進(jìn)電路性能