第1章緒論1.1無(wú)線電通信發(fā)展簡(jiǎn)史1.2無(wú)線電系統(tǒng)概述1.3信號(hào)、調(diào)制和頻譜1.4本課程的特點(diǎn)思考題與習(xí)題1.1無(wú)線電通信發(fā)展簡(jiǎn)史

無(wú)線電技術(shù)已廣泛應(yīng)用于無(wú)線電通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航等領(lǐng)域，盡管它們?cè)趥鬟f信息形式、工作方式和設(shè)備體制等方面有所差別，但它們都是利用高頻(射頻)無(wú)線電波來(lái)傳遞信息的，因此設(shè)備中發(fā)射和接收、檢測(cè)高頻信號(hào)的基本功能電路大都相同。本書(shū)主要結(jié)合無(wú)線電通信這一方式討論設(shè)備和系統(tǒng)中高頻電路的組成、工作原理及工程設(shè)計(jì)計(jì)算。信息傳輸是人類(lèi)社會(huì)生活的重要內(nèi)容。現(xiàn)代人類(lèi)社會(huì)是建立在信息傳輸和信息交換的基礎(chǔ)上的。廣義地說(shuō)，凡是在發(fā)信者和收信者之間，以任何形式進(jìn)行的信息傳輸和交換，都可稱(chēng)之為通信。通信是推動(dòng)人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步與發(fā)展的巨大動(dòng)力。通信的目的是克服距離上的障礙，迅速而準(zhǔn)確地傳遞信息。從古代的烽火到近代的旗語(yǔ)，都是人們快速遠(yuǎn)距離通信的手段。19世紀(jì)，在電磁學(xué)理論與實(shí)踐已有堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)后，人們又開(kāi)始尋求用電磁能量傳送信息的方法。1837年，莫爾斯(F.B.Morse)發(fā)明了電報(bào)，創(chuàng)造了莫爾斯電碼，開(kāi)創(chuàng)了通信的新紀(jì)元。1876年，貝爾(AlexanderG.Bell)發(fā)明了電話(huà)，直接將語(yǔ)言信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)沿導(dǎo)線傳送。電報(bào)、電話(huà)的發(fā)明，為迅速準(zhǔn)確地傳遞信息提供了新手段，是通信技術(shù)的重大突破。電報(bào)、電話(huà)都是沿導(dǎo)線傳送信號(hào)的。能否不通過(guò)導(dǎo)線而在空間傳送信號(hào)呢?答復(fù)是肯定的，這就是無(wú)線電通信。

1864年，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋(J.ClerkMaxwell)發(fā)表了《電磁場(chǎng)的動(dòng)力理論》這一著名論文，總結(jié)了前人在電磁學(xué)方面的工作，得出了電磁場(chǎng)方程，也就是著名的麥克斯韋方程。它闡述了電磁在空間的分布特性，從理論上證明了電磁波的存在，為后來(lái)的無(wú)線電發(fā)明和發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。1887年，德國(guó)物理學(xué)家赫茲(H.Hertz)以卓越的實(shí)驗(yàn)技巧證實(shí)了電磁波是客觀存在的。他在實(shí)驗(yàn)中證明：電磁波在自由空間的傳播速度與光速相同，并能產(chǎn)生反射、折射、駐波等與光波性質(zhì)相同的現(xiàn)象。麥克斯韋的理論從而得到了證實(shí)。從此以后，許多國(guó)家的科學(xué)家都在努力研究如何利用電磁波傳輸信息的問(wèn)題，這就是無(wú)線電通信。其中著名的有英國(guó)的羅吉(O.J.Lodge)、法國(guó)的勃蘭利(Branly)、俄國(guó)的波波夫(A.C.ПопоВ)、意大利的馬可尼(GuglielmoMarconi)等人。在以上這些人中，以馬可尼的貢獻(xiàn)最大。他于1895年首次在幾百米的距離用電磁波進(jìn)行通信并獲得成功，1901年又首次完成了橫渡大西洋的通信。從此，無(wú)線電通信進(jìn)入了實(shí)用階段。但這時(shí)的無(wú)線電通信設(shè)備是：發(fā)送設(shè)備為火花發(fā)射機(jī)、電弧發(fā)生器或高頻發(fā)電機(jī)等，接收設(shè)備則為粉末(金屬屑)檢波器。直到1904年，弗萊明(Fleming)發(fā)明了電子二極管，才開(kāi)始進(jìn)入無(wú)線電電子學(xué)時(shí)代。

1907年，李·德·福雷斯特(LeedeForest)發(fā)明了電子三極管，用它可組成具有放大、振蕩、變頻、調(diào)制、檢波和波形變換等重要功能的電子線路，為現(xiàn)代千變?nèi)f化的電子線路提供了“心臟”器件。電子管的出現(xiàn)是電子技術(shù)發(fā)展史上第一個(gè)重要里程碑。

1948年，肖克利(W.Shockley)等人發(fā)明了晶體三極管，它在節(jié)約電能、縮小體積與重量、延長(zhǎng)壽命等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過(guò)電子管，因而成為電子技術(shù)發(fā)展史上第二個(gè)重要里程碑。晶體管在許多方面取代了電子管的傳統(tǒng)地位，成為極其重要的電子器件。20世紀(jì)60年代開(kāi)始出現(xiàn)的將“管”、“路”結(jié)合起來(lái)的集成電路，幾十年來(lái)已取得極其巨大的成就。中、大規(guī)模乃至超大規(guī)模集成電路的不斷涌現(xiàn)，已成為電子線路，特別是數(shù)字電路發(fā)展的主流，對(duì)人類(lèi)進(jìn)入信息社會(huì)起到不可估量的推動(dòng)作用。這可以說(shuō)是電子技術(shù)發(fā)展史上第三個(gè)重要里程碑。

1958年美國(guó)研制成功第一塊集成電路，1967年研制成功大規(guī)模集成(LSI)電路，1978年研制成功超大規(guī)模集成(VLSI)電路，從此電子技術(shù)進(jìn)入了微電子技術(shù)時(shí)代。無(wú)線電技術(shù)從誕生到現(xiàn)在，對(duì)人類(lèi)的生活和生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生了非常深刻的影響。20世紀(jì)初首先解決了無(wú)線電報(bào)通信問(wèn)題；接著又解決了用無(wú)線電波傳送語(yǔ)言和音樂(lè)的問(wèn)題，從而開(kāi)展了無(wú)線電話(huà)通信和無(wú)線電廣播；以后傳輸圖像的問(wèn)題也解決了，出現(xiàn)了無(wú)線電傳真和電視。20世紀(jì)30年代中期到第二次世界大戰(zhàn)期間，為了防空的需要，無(wú)線電定位技術(shù)迅速發(fā)展和雷達(dá)的出現(xiàn)，帶動(dòng)了其他科學(xué)的興起，如無(wú)線電天文學(xué)、無(wú)線電氣象學(xué)等。20世紀(jì)40年代電子計(jì)算機(jī)誕生了，它能對(duì)復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題進(jìn)行快速計(jì)算，代替了部分腦力勞動(dòng)，因而得到飛速發(fā)展。20世紀(jì)50年代以來(lái)，宇航技術(shù)的發(fā)展又促進(jìn)了無(wú)線電技術(shù)向更高的階段發(fā)展。在自動(dòng)控制方面，由于應(yīng)用了信息論和控制論，不僅能使生產(chǎn)高度自動(dòng)化，而且具有各種功能的機(jī)器人也已制造出來(lái)了。無(wú)線電技術(shù)給人們帶來(lái)的影響是無(wú)可爭(zhēng)議的。如今每一天大約有15萬(wàn)人成為新的無(wú)線用戶(hù)，全球范圍內(nèi)的無(wú)線用戶(hù)數(shù)量目前已經(jīng)超過(guò)2億。這些人包括大學(xué)教授、倉(cāng)庫(kù)管理員、護(hù)士、商店負(fù)責(zé)人、辦公室經(jīng)理和卡車(chē)司機(jī)。他們使用無(wú)線電技術(shù)的方式和他們自身的工作一樣都在不斷地更新。無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展是從利用電磁波傳輸信息的無(wú)線電通信擴(kuò)展到計(jì)算機(jī)科學(xué)、宇航技術(shù)、自動(dòng)控制以及其他各學(xué)科領(lǐng)域的?？梢哉f(shuō)，上至天文，下至地理，大到宇宙空間，小到基本粒子等科學(xué)的研究，從工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)到社會(huì)、家庭生活，都離不開(kāi)無(wú)線電技術(shù)。無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展過(guò)程是不斷延伸和擴(kuò)展人的感覺(jué)器官和大腦部分功能的過(guò)程。無(wú)線電話(huà)、電視、雷達(dá)延伸和擴(kuò)展了眼、耳的功能，電子計(jì)算機(jī)延伸和擴(kuò)展了大腦的部分功能。人類(lèi)的感覺(jué)器官和大腦聯(lián)合工作，能感知、傳遞和處理信息，現(xiàn)在已發(fā)展起來(lái)的各種控制系統(tǒng)正部分地模擬、延伸和擴(kuò)展人類(lèi)對(duì)于信息的感知、傳遞和處理的綜合運(yùn)用功能。無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展雖然頭緒繁多、應(yīng)用廣泛，但其主要任務(wù)是解決信息傳輸和信息處理問(wèn)題。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兩個(gè)基本點(diǎn)出發(fā)來(lái)進(jìn)行研究的，因此，我們?nèi)砸云毡閼?yīng)用的、典型的無(wú)線電通信系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明它的工作原理和工作過(guò)程。1.2無(wú)線電系統(tǒng)概述

1.2.1通信系統(tǒng)的組成

通信既是人類(lèi)社會(huì)的重要組成部分，又是社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步的重要因素。實(shí)現(xiàn)消息傳遞所需設(shè)備的總和，稱(chēng)為通信系統(tǒng)。19世紀(jì)末迅速發(fā)展起來(lái)的以電信號(hào)為消息載體的通信方式，稱(chēng)為現(xiàn)代通信系統(tǒng)?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)由輸入變換器、發(fā)送設(shè)備、信道、接收設(shè)備及輸出變換器五部分組成。在信號(hào)的傳輸過(guò)程中，各個(gè)環(huán)節(jié)都不可避免地會(huì)受到各種噪聲的干擾。為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，可將各環(huán)節(jié)的噪聲干抗等效到信道部分，最后形成現(xiàn)代通信系統(tǒng)的組成框圖，如圖1.1所示。其中，各個(gè)組成部分的功能介紹如下。圖1.1通信系統(tǒng)基本組成框圖

1.輸入變換器

輸入變換器的主要任務(wù)是將發(fā)信者提供的非電量消息(如聲音、景物等)變換為電信號(hào)，它能反映待發(fā)送的全部消息，通常具有“低通型”頻譜結(jié)構(gòu)，故稱(chēng)為基帶信號(hào)。當(dāng)輸入消息本身就是電信號(hào)時(shí)(如計(jì)算機(jī)輸出的二進(jìn)制信號(hào))，可省略輸入變換器而直接進(jìn)入發(fā)送設(shè)備。

2.發(fā)送設(shè)備

發(fā)送設(shè)備主要有兩大任務(wù)：一是調(diào)制，二是放大。所謂調(diào)制，就是將基帶信號(hào)變換成適合信道傳輸?shù)念l帶信號(hào)。調(diào)制就是利用基帶信號(hào)去控制載波信號(hào)的某一參數(shù)，讓該參數(shù)隨基帶信號(hào)的大小而線性變化的處理過(guò)程。通常又將基帶信號(hào)稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)，將高頻振蕩信號(hào)稱(chēng)為載波信號(hào)。將經(jīng)過(guò)調(diào)制后的高頻振蕩信號(hào)稱(chēng)為已調(diào)信號(hào)或已調(diào)波。所謂放大，是指對(duì)調(diào)制信號(hào)和已調(diào)信號(hào)的電壓和功率進(jìn)行放大、濾波等處理,以保證送入信道的已調(diào)信號(hào)功率足夠大。

3.信道

信道是連接收、發(fā)兩端的信號(hào)通道，又稱(chēng)傳輸媒介。通信系統(tǒng)中的信道可分為兩大類(lèi)：有線信道(如架空明線、電纜、波導(dǎo)、光纜等)和無(wú)線信道(如海水、地球表面、自由空間等)。不同信道有不同的傳輸特性，相同媒介對(duì)不同頻率的信號(hào)傳輸特性也是不同的。下一節(jié)我們討論信號(hào)在自由空間里的傳播特性。

4.接收設(shè)備

接收設(shè)備的任務(wù)是將信道傳送過(guò)來(lái)的已調(diào)信號(hào)進(jìn)行處理，以恢復(fù)出與發(fā)送端相一致的基帶信號(hào)，這種從已調(diào)波中恢復(fù)基帶信號(hào)的處理過(guò)程稱(chēng)為解調(diào)。顯然，解調(diào)是調(diào)制的反過(guò)程。由于信道的衰減特性，經(jīng)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)竭_(dá)接收端的信號(hào)電平通常是很微弱的(微伏數(shù)量級(jí))，需要放大后才能解調(diào)。同時(shí)，在信道中還會(huì)存在許多干擾信號(hào)，因而接收設(shè)備還必須具有從眾多干擾信號(hào)中選擇有用信號(hào)、抑制干擾的能力。

5.輸出變換器

輸出變換器的作用是將接收設(shè)備輸出的基帶信號(hào)變換成原來(lái)形式的消息，如聲音、景物等，供收信者使用。

6.噪聲干擾

噪聲雖然不是通信的組成部分，但其在通信系統(tǒng)中時(shí)刻都存在著。在圖1.1中只標(biāo)出了信道的噪聲，實(shí)際上通信系統(tǒng)的各個(gè)部分都會(huì)受到噪聲的干擾。所謂噪聲，就是在電子設(shè)備中與有用信號(hào)同時(shí)存在的一種隨機(jī)變化的電流或電壓，即使沒(méi)有通信信號(hào)，它也存在。例如，收音機(jī)中常聽(tīng)到的“沙沙”聲，電視圖像中的雪花點(diǎn)都是典型的噪聲。根據(jù)分類(lèi)方式的不同，通信系統(tǒng)的種類(lèi)很多。按傳輸消息的物理特征可將其分為電話(huà)、電報(bào)、傳真通信系統(tǒng)、廣播電視通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)等；按傳輸?shù)幕鶐盘?hào)的物理特征可將其分為模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)；而按傳輸媒介的物理特征可將其分為有線通信系統(tǒng)和無(wú)線通信系統(tǒng)。1.2.2無(wú)線電波的傳播眾所周知，任何載有消息的無(wú)線電波都占有一定的信號(hào)帶寬。載波頻率越高，可利用的總帶寬(或波段)就越寬，因此利用高頻可以在同一波段中實(shí)現(xiàn)許多不同對(duì)象間的消息傳輸。此外，某些頻帶很寬的消息(如電視圖像、多路話(huà)音、雷達(dá)信號(hào)等)只能在很高的頻率上才能傳輸。例如，電視圖像信號(hào)的頻帶寬度約為6MHz，它只適于在幾十兆赫茲以上的頻率上傳輸。為了討論無(wú)線電波的傳播，我們必須考慮信號(hào)的頻率特性。任何信號(hào)都具有一定的頻率和波長(zhǎng)。我們這里所講的頻率特性就是無(wú)線電信號(hào)的頻率或波長(zhǎng)。電磁波輻射的波長(zhǎng)范圍如圖1.2所示。圖1.2電磁波波譜分布在實(shí)際生活中，為了討論問(wèn)題的方便，將不同頻率的電磁波人為地劃分成若干頻段或波段，其相應(yīng)名稱(chēng)和主要應(yīng)用舉例列于表1.1中。應(yīng)該指出，各種波段的劃分是相對(duì)的，因?yàn)楦鞑ǘ沃g并沒(méi)有顯著的分界線，但各個(gè)不同波段的特點(diǎn)仍然有明顯的差別。無(wú)線通信系統(tǒng)使用的頻率范圍很寬闊，從幾十千赫茲到幾百兆赫茲。習(xí)慣上按電磁波的頻率范圍劃分為若干個(gè)區(qū)段，稱(chēng)為頻段或波段。無(wú)線電波在空間的傳播速度c=3×108m/s，則無(wú)線電信號(hào)的頻率與其波長(zhǎng)的關(guān)系為(1.1)式中，頻率f的單位為Hz，波長(zhǎng)λ的單位為m。表1.1波段的劃分應(yīng)當(dāng)指出，不同頻段的信號(hào)具有不同的分析與實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)于米波以上的信號(hào)通常用集總參數(shù)的方法來(lái)分析與實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于米波以下的信號(hào)一般應(yīng)用分布參數(shù)的方法來(lái)分析與實(shí)現(xiàn)。另外，從表中可以看出，頻段劃分有一個(gè)“高頻”段，其頻率范圍在3～30MHz，這是狹義的解釋?zhuān)傅氖嵌滩úǘ巍１菊n程涉及的波段可從中波到微波波段。在自由空間媒介里，電磁能量是以電磁波的形式傳播的。然而，不同頻率的電磁波卻有不同的傳播方式。1.5MHz以下的電磁波主要沿地表傳播，稱(chēng)為地波，如圖1.3所示。由于大地不是理想的導(dǎo)體，當(dāng)電磁波沿其傳播時(shí)，有一部分能量被損耗掉。頻率越高，趨表效應(yīng)越嚴(yán)重，損耗越大，因此頻率較高的電磁波不宜沿地表傳播。1.5～30MHz的電磁波主要靠天空中電離層的折射和反射傳播，稱(chēng)為天波，如圖1.4所示。電離層是由于太陽(yáng)和星際空間的輻射引起大氣上層電離形成的。電磁波到達(dá)電離層后，一部分能量被吸收，一部分能量被反射和折射到地面。頻率越高，被吸收的能量越小，電磁波穿入電離層也越深。當(dāng)頻率超過(guò)一定值后，電磁波就會(huì)穿透電離層而不再返回地面。因此頻率更高的電磁波不宜用天波傳播。30MHz以上的電磁波主要沿空間直線傳播，稱(chēng)為空間波，如圖1.5所示。由于地球表面的彎曲，空間波傳播距離受限于視距范圍。架高收發(fā)天線可以增大其傳輸距離。在實(shí)際無(wú)線通信中，還有一種對(duì)流層散射傳播方式，如圖1.6所示。圖1.3電磁波沿地表繞射圖1.4電磁波的折射與反射圖1.5電磁波的直射圖1.6對(duì)流層散射傳播1.2.3無(wú)線電通信系統(tǒng)的工作原理

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，傳輸媒介是自由空間。根據(jù)電磁波的波長(zhǎng)或頻率范圍，電磁波在自由空間的傳播方式不同，且信號(hào)傳輸?shù)挠行院涂煽啃砸膊煌?，由此使得通信系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作機(jī)理也有很大的不同。由天線理論可知，要將無(wú)線電信號(hào)有效地發(fā)射出去，天線的尺寸必須和電信號(hào)的波長(zhǎng)為同一數(shù)量級(jí)。由原始非電量信息經(jīng)轉(zhuǎn)換而成的原始電信號(hào)一般是低頻信號(hào)，波長(zhǎng)很長(zhǎng)。例如,音頻信號(hào)一般僅在15kHz以?xún)?nèi)，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為20km以上，要制造出如此巨大的天線是不現(xiàn)實(shí)的。另外，即使這樣巨大的天線能夠制造出來(lái)，由于各個(gè)發(fā)射臺(tái)發(fā)射的均為同一頻率的信號(hào)，這樣也會(huì)造成它們之間的相互干擾。為了有效地進(jìn)行傳輸，必須采用幾百千赫茲以上的高頻振蕩信號(hào)作為運(yùn)載工具，將攜帶信息的低頻電信號(hào)“裝載”到高頻振蕩信號(hào)上(這一過(guò)程稱(chēng)為調(diào)制)，然后經(jīng)天線發(fā)送出去。到了接收端后，再把低頻電信號(hào)從高頻振蕩信號(hào)上“卸取”下來(lái)(這一過(guò)程稱(chēng)為解調(diào))。其中，未經(jīng)調(diào)制的高頻振蕩信號(hào)稱(chēng)為載波信號(hào)，低頻電信號(hào)稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)制并攜帶有低頻信息的高頻振蕩信號(hào)稱(chēng)為已調(diào)波信號(hào)。采用調(diào)制方式以后，由于傳送的是高頻已調(diào)波信號(hào)，故所需天線尺寸可大大縮小。另外，不同的發(fā)射臺(tái)可以采用不同頻率的高頻振蕩信號(hào)作為載波，這樣在頻譜上就可以加以區(qū)分。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)是無(wú)線電通信系統(tǒng)的核心部件，它們是為了使基帶信號(hào)在信道中有效和可靠地傳輸而設(shè)置的。圖1.7和圖1.8分別給出了無(wú)線電通信系統(tǒng)中發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備的方框圖。圖1.7無(wú)線電通信系統(tǒng)發(fā)送設(shè)備方框圖由圖1.7可見(jiàn)，發(fā)送設(shè)備所涉及的基本功能電路包括：高頻振蕩器、倍頻器、高頻放大器、調(diào)制器、高頻功放和發(fā)射天線等。它的工作過(guò)程為：振蕩器產(chǎn)生一定頻率的最初高頻振蕩信(一般是正弦信號(hào))，通常其功率很小。倍頻器主要是以提高發(fā)射機(jī)的頻率以及擴(kuò)展發(fā)射機(jī)的波段范圍，使其頻率倍增到載波頻率(fc)上，高頻放大器的主要功能是將小的等幅振蕩信號(hào)加以放大，達(dá)到一定的功率，以便于后續(xù)的調(diào)制。它通常由若干級(jí)放大器組成。調(diào)制器主要把基帶信號(hào)加載到載波上，完成信號(hào)調(diào)制。功率放大器主要把調(diào)制信號(hào)放大到足夠高的功率，送給天線進(jìn)行發(fā)射。圖1.8無(wú)線電通信系統(tǒng)接收設(shè)備方框圖接收設(shè)備主要由接收天線、高頻小信號(hào)放大器、混頻器、本地振蕩器、中頻放大器、解調(diào)器和低頻信號(hào)(基帶)放大器等組成。它的工作過(guò)程為：接收天線接收到微弱的高頻調(diào)制信號(hào)，首先進(jìn)行高頻放大，然后和本地振蕩器產(chǎn)生的高頻信號(hào)進(jìn)行混頻，得到中頻信號(hào)，再送入中頻放大器進(jìn)行放大，最后進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出原來(lái)的低頻信號(hào)(基帶信號(hào))。其中，混頻電路起頻率變換作用，其輸入是各種不同載頻的高頻已調(diào)波信號(hào)和本地振蕩信號(hào)，輸出是一種載頻較低而且固定的高頻已調(diào)波信號(hào)(習(xí)慣上稱(chēng)此信號(hào)為中頻信號(hào))。也就是說(shuō)，混頻電路可以把接收到的不同載頻的各發(fā)射臺(tái)高頻已調(diào)波信號(hào)變換為同一載頻(中頻)的高頻已調(diào)波信號(hào)，由于工作頻段較低而且固定，其性能可以做得很好，從而達(dá)到滿(mǎn)意的接收效果。這種接收方式稱(chēng)為超外差方式。以上這些基本功能電路中，大部分屬于高頻電子線路。另外，包括自動(dòng)增益控制、自動(dòng)頻率控制和自動(dòng)相位控制(鎖相環(huán))在內(nèi)的反饋控制電路也是高頻電子線路所要研究的重要對(duì)象，因?yàn)檫@是通信系統(tǒng)中必不可少的部分。在高頻電子線路中，大部分是非線性電路，如振蕩電路、調(diào)制和解調(diào)電路、混頻電路、倍頻電路等。非線性電路必須采用非線性分析方法。非線性微分方程是描述非線性電路的數(shù)學(xué)模型，但在工程上常采用一些近似分析和求解的方法。1.3信號(hào)、調(diào)制和頻譜

在高頻電路中，我們要處理的無(wú)線電信號(hào)主要有三種：基帶信號(hào)、高頻載波信號(hào)和已調(diào)信號(hào)?；鶐?消息)信號(hào)就是在沒(méi)有調(diào)制前的原始電信號(hào)。在高頻電子線路中，也稱(chēng)之為調(diào)制信號(hào)。如話(huà)音、數(shù)據(jù)、電報(bào)、圖像、視頻信號(hào)就是常見(jiàn)的消息信號(hào)。話(huà)音信號(hào)與圖像信號(hào)是隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)，是一種模擬信號(hào)。數(shù)據(jù)和電報(bào)信號(hào)是取離散值時(shí)間的信號(hào)，是一種數(shù)字信號(hào)。圖1.9(a)、(b)分別表示模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的波形。圖1.9(b)中的1和0是二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。圖1.9模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的波形表示和分析一個(gè)信號(hào)通常有時(shí)域和頻域兩種方法。在時(shí)域中，我們通常用數(shù)學(xué)方式將信號(hào)表示為電壓和電流的時(shí)間函數(shù)或者直接畫(huà)出波形圖。對(duì)于簡(jiǎn)單的信號(hào)(如正余弦波信號(hào)、周期性信號(hào))，用時(shí)域表示是很方便的。對(duì)于較復(fù)雜的信號(hào)，比如話(huà)音信號(hào)、圖像信號(hào)，由于其復(fù)雜性和隨機(jī)性，難以用數(shù)學(xué)表達(dá)式和波形直接描述，若采用頻域的分析方法則較為方便。一個(gè)確定的時(shí)間信號(hào)f(t)，總可以分解為許多不同頻率的單一正弦信號(hào)。周期性的時(shí)間信號(hào)可以用傅里葉級(jí)數(shù)分解為許多個(gè)離散的頻率分量(各分量間成諧波關(guān)系)；非周期的時(shí)間信號(hào)可以用傅里葉變換分解為連續(xù)譜，信號(hào)為連續(xù)譜的積分。通過(guò)對(duì)這些分量的研究就可以了解信號(hào)的許多特性，如信號(hào)的頻率分布、信號(hào)的帶寬等。在研究和設(shè)計(jì)某些電子電路時(shí)，常常需要了解信號(hào)的這些特性。頻域分析方法還有一個(gè)好處，就是它可以用儀器對(duì)信號(hào)(甚至是隨機(jī)信號(hào))進(jìn)行測(cè)量分析。頻譜分析儀就是其中最有用的一種儀器。設(shè)周期性時(shí)間信號(hào)為f(t)，當(dāng)f(t)是連續(xù)函數(shù)時(shí)，或只有有限個(gè)間斷點(diǎn)(在周期內(nèi))時(shí)，它可以展開(kāi)為傅里葉級(jí)數(shù)(1.2)或(1.3)式中,ω=2π/T，T為周期性函數(shù)，且有,(1.4)式(1.3)是周期信號(hào)的指數(shù)形式。Cn是復(fù)數(shù)，n可取整數(shù)，表示展開(kāi)式中還有“負(fù)”頻率分量，是為分析方便而引入的，這樣得到的頻譜稱(chēng)為雙邊帶頻譜。而式(1.2)是單邊帶譜。圖1.10所示是一周期方波的波形與對(duì)應(yīng)的單邊譜與雙邊譜。此周期方波如果除去直流成分，將是一奇函數(shù)，其傅里葉展開(kāi)式的余弦項(xiàng)的系數(shù)an都為零，它的展開(kāi)式為(1.5)式中，Ω=2π/T。對(duì)于非周期時(shí)間信號(hào)f(t)，它的傅里葉變換為F(ω)，是ω的連續(xù)函數(shù)，量綱為A/Hz或V/Hz。信號(hào)f(t)可以表示為譜密度F(ω)的積分和，即(1.6)(1.7)圖1.10周期性方波信號(hào)的波形和頻譜可知，f(t)是F(ω)的反變換。式(1.6)表示的是雙邊譜。非周期信號(hào)可以看做是周期T為無(wú)窮大的信號(hào)。由式(1.4)可知，當(dāng)T趨于無(wú)窮大時(shí)，頻率分量趨于無(wú)限??；同時(shí)，分量由離散變?yōu)檫B續(xù)。引用極限的概念，這些分量可以用連續(xù)分布的譜密度表示。由信號(hào)分析可知，如果引用沖激函數(shù)δ(ω)的概念，即使是周期性信號(hào)，也可以用譜密度表示，從而可以將兩者統(tǒng)一起來(lái)。但是為了方便，在本書(shū)中，我們?nèi)匀挥妙l譜分量和頻譜密度分別描述周期信號(hào)與非周期信號(hào)的頻域特性。人耳可聽(tīng)的聲音信號(hào)的頻率范圍約從20Hz到十幾千赫茲，話(huà)音的頻率范圍大致為100Hz~6kHz，其主要能量集中在0.3~3.4kHz，通常只需傳送此頻率范圍的信號(hào)，就能保證通話(huà)所需的可懂度和自然度。話(huà)音信號(hào)是非周期性的隨機(jī)信號(hào)。圖1.11是話(huà)音信號(hào)的頻譜分布示意圖，由于是連續(xù)時(shí)間信號(hào)，因此譜是連成一片的。圖1.11話(huà)音信號(hào)的頻譜分布圖高頻載波信號(hào)是指尚未受信號(hào)調(diào)制的單一頻率ωc正弦波信號(hào)，可以表示為

u(t)=Uccos(ωct+φ)

(1.8)式中，Uc為正弦信號(hào)的振幅；ωc=2πfc，為載波角頻率；fc為載波頻率；φ為初始相位。要通過(guò)載波傳送信號(hào)，就必須使載波信號(hào)的某一參數(shù)——振幅、頻率或相位，隨消息信號(hào)發(fā)生改變，這一過(guò)程稱(chēng)為調(diào)制。單用電報(bào)信號(hào)和數(shù)字消息信號(hào)進(jìn)行調(diào)制時(shí)，通常又稱(chēng)為鍵控。此時(shí)，載波的振幅、頻率、相位在有限幾個(gè)值之間變化，故數(shù)字信號(hào)的調(diào)制又分別稱(chēng)為振幅鍵控(ASK)、頻率鍵控(FSK)及相位鍵控(PSK)。除了以上的基本調(diào)制外，還可以實(shí)現(xiàn)某些組合調(diào)制。在某些通信系統(tǒng)，比如微波中繼通信、衛(wèi)星通信和移動(dòng)通信中，也會(huì)用到以脈沖信號(hào)為中間信號(hào)的二重調(diào)制。即首先用消息信號(hào)對(duì)脈沖進(jìn)行調(diào)制，如常用的脈碼調(diào)制(PCM)，然后用此受調(diào)脈沖信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制或鍵控。本書(shū)第6、7章將討論高頻范圍內(nèi)的幾種常用調(diào)制。調(diào)制的另外一個(gè)功用就是能實(shí)現(xiàn)信道的復(fù)用，比如中繼通信和衛(wèi)星通信中多路電話(huà)的傳送，就是經(jīng)調(diào)制實(shí)現(xiàn)的。立體聲廣播和電視廣播也是利用組合調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)多種消息的傳送(如雙聲道話(huà)音、電視中的圖像、伴音、同步信號(hào)等)。受消息調(diào)制的高頻信號(hào)稱(chēng)為已調(diào)制信號(hào)?，F(xiàn)以最簡(jiǎn)單的常規(guī)振幅調(diào)制(AM)為例，說(shuō)明已調(diào)信號(hào)的特點(diǎn)。中、短波廣播和傳統(tǒng)的單路無(wú)線電通信就是這種調(diào)制。先看單一音頻信號(hào)的振幅調(diào)制。設(shè)音頻信號(hào)為uΩ(t)=UΩcosΩt，則振幅受調(diào)制的已調(diào)信號(hào)為

u(t)=Uc(1+mcosΩt)cos(ωct+φ)

(1.9)式中，m與UΩ成正比，稱(chēng)為調(diào)幅度。比較式(1.8)和式(1.9)，可知已調(diào)信號(hào)的特點(diǎn)就是載波的振幅u(t)=Uc(1+mcosΩt)與音頻信號(hào)成線性變化關(guān)系。圖1.12所示是音頻信號(hào)、帶直流的音頻信號(hào)載波信號(hào)和已調(diào)波信號(hào)的波形。由圖可見(jiàn)，m必須小于1，高頻信號(hào)的振幅(包絡(luò))才能無(wú)失真地反映被傳送的音頻信號(hào)。用三角函數(shù)關(guān)系可將式(1.9)分解為(1.10)式中，除了原有的載波分量外，還出現(xiàn)了ωc－Ω和ωc+Ω兩個(gè)頻率分量。它們的振幅都與UΩ成正比。這兩個(gè)分量分別稱(chēng)為下邊頻ωc-Ω和上邊頻ωc+Ω。圖1.13表示了調(diào)制信號(hào)和已調(diào)信號(hào)的頻譜分布。圖1.12振幅調(diào)制信號(hào)的波形圖1.13振幅調(diào)制信號(hào)頻譜1.4本課程的特點(diǎn)

應(yīng)用于電子系統(tǒng)和電子設(shè)備中的高頻電子線路幾乎都是由