1、,項目式課程多媒體教案,無線電通信測試與設(shè)計,1. 這門課主要研究什么問題？,主要研究信息傳輸系統(tǒng)的基本概念、傳輸發(fā)送與接收設(shè)備基本電路以及電路的基本分析方法-通信電子電路,射頻卡考勤機(jī),主要研究信息傳輸系統(tǒng)的基本概念、傳輸發(fā)送設(shè)備基本電路與基本分析方法-通信電子電路,信息,A,B,信息源 經(jīng)傳送的信息（如聲音或圖像）所轉(zhuǎn)換成的微弱 電信號；即必須有換能器（如話筒或攝12像機(jī)）； 發(fā)送設(shè)備將微弱電信號變成適合于信道傳輸?shù)男盘?，然?送入信道； 傳輸媒質(zhì)信號傳輸?shù)耐ǖ?；?dǎo)線或光纖或傳輸電磁波 的自由空間； 接收設(shè)備把有用信號從眾多信號和噪聲中選取出來； 終端裝置將接收設(shè)備接收到的電信號再還原成原

2、始信息： 如揚(yáng)聲器或顯像管等；,各部分功能：,信息,A,B,1876年 貝爾發(fā)明了電話,1895年意大利人馬克尼和俄國人波波夫利用電磁波實現(xiàn)了無線通信。,1837年 莫爾斯電碼,本課程的特點:,1.從它處理的信號頻率角度來說，發(fā)送和接收的信號，是高頻信號；,通信系統(tǒng)基本組成框圖,建立系統(tǒng)的概念,直接發(fā)送無線電波的問題： 由天線理論可知，要將無線電信號有效地發(fā)射，天線的尺寸必須和電信號的波長為同一數(shù)量級 (1/10-1)。 原始電信號一般是低頻信號， 如語音信號頻率范圍 f: 20Hz-20KHz = c/f 20kHz = 15Km 20Hz = 1.5X104 Km 波長很長。要制造出相應(yīng)的

3、巨大天線是不現(xiàn)實的。 另外，若各發(fā)射臺發(fā)射的均為同一頻段的低頻信號，信道中會互相重疊、干擾，接收設(shè)備也無法接收信號。 解決方法：調(diào)制,（1）調(diào)制（為什么要調(diào)制？）,1、無線電信號發(fā)送原理和發(fā)送設(shè)備的基本組成,調(diào)制的概念,低頻信號,高頻振蕩信號,調(diào)制信號,載波信號,u=Umcost,uC= =UCmcos(ct +0),uC=UCmcos(ct +0),調(diào)幅,調(diào)頻,例:調(diào)幅,已調(diào)波,調(diào)頻,已調(diào)波,調(diào)制的好處：,采用調(diào)制方式以后，由于傳送的是高頻振蕩信號，所需天線尺寸便可大大下降。 同時，不同的發(fā)射臺可以采用不同頻率的高頻振蕩信號作為載波，這樣在頻譜上就可以互相區(qū)分開了。,（2）無線電發(fā)送設(shè)備的組

4、成,發(fā)送設(shè)備各部分功能,高頻振蕩器：產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的高頻信號即載波； 高放或倍頻器：放大載波信號，如果頻率不夠高，應(yīng)通過倍頻器使之達(dá)到所要求的頻率，由多級諧振器組成； 調(diào)制器：將調(diào)制信號裝載到載波信號上，產(chǎn)生已調(diào)波； 高頻功放：將已調(diào)波進(jìn)行功率放大，獲得足夠的發(fā)射功率；通過天線發(fā)射出去； 話筒：將聲音變成微弱的電信號； 低放：將微弱電信號進(jìn)行放大；,（1）解調(diào) 從高頻已調(diào)波信號中“取出”調(diào)制信號的過程稱為解調(diào)； 根據(jù)已調(diào)波的不同分為：,鑒頻：對調(diào)頻波的解調(diào)；Frequency Detection 鑒相：對調(diào)相波的解調(diào)；Phase Detection,2、無線電信號接收原理和接收設(shè)備的基本組成,（

5、2）無線電接收機(jī)的組成框圖,超外差式無線電接收機(jī)的框圖,接收設(shè)備各部分功能,高頻放大器： 從天線接收到的信號中選擇出所需的信號并放大；得到頻率為fs的高頻調(diào)幅波； 本地振蕩器用來產(chǎn)生fL = fc fI的高頻等幅振蕩信號。 混頻器將其與本地振蕩器提供的頻率為fL的信號混頻，產(chǎn)生頻率為fI的中頻信號。 中頻放大器是中心頻率fI固定的放大器，進(jìn)一步濾除無用信號。 檢波器(解調(diào)器)將得到的中頻調(diào)制信號變換為原基帶信號，再經(jīng)低頻或視頻放大器放大后從揚(yáng)聲器或顯象管輸出。,接收設(shè)備的第一級是高頻放大器。由于由發(fā)送設(shè)備發(fā)出的信號經(jīng)過長距離的傳播，受到很大的衰減，能量受到很大的損失，同時還受到傳輸過程中來自各

6、方面的干擾和噪聲。當(dāng)?shù)竭_(dá)接收設(shè)備時，信號是很微弱的，因而需要經(jīng)過放大器的放大，并且，高頻放大器的窄帶特性同時濾除一部分帶外的噪聲和干擾。高頻放大器的輸出是載頻為fc的已調(diào)信號，經(jīng)過混頻器，,接收過程：,與本地振蕩器提供的頻率為fL的信號混頻，產(chǎn)生頻率為fI的中頻信號。中頻信號經(jīng)中頻放大器放大，送到解調(diào)器，恢復(fù)原基帶信號，再經(jīng)低頻放大器放大后輸出。高頻放大器、中頻放大器都是小信號諧振放大器，功率放大器是諧振功率放大器，調(diào)制器和解調(diào)器進(jìn)行幅度調(diào)制、角度調(diào)制和它們的解調(diào)。上述電路以及振蕩器、混頻器都是本課程所討論的重點。,傳輸媒體電磁波譜,不同頻段信號的產(chǎn)生、放大和接收的方法不同, 傳播的能力和方式

7、也不同, 因而它們的分析方法和應(yīng)用范圍也不同。無線電波只是一種波長比較長的電磁波, 占據(jù)的頻率范圍很廣。,1.2 無線電波波段劃分,10kHz到103GHz范圍內(nèi)的電磁波稱為無線電波,電信號的傳播方式 無線電信號在空間以電磁波的形式進(jìn)行傳播。按照電磁波 發(fā)射天線到接受天線的傳播途徑不同，可分為兩大類： 地波；天波。 地波又分為兩種傳播形式：一種是地面波，地面波沿地面?zhèn)鞑ィ?；另一種是空間波，空間波在較高的發(fā)射天線與較高的接收天線之間的空中進(jìn)行直射波傳播或從發(fā)射天線經(jīng)過體面反射到達(dá)接受天線。 天波是指經(jīng)過離地面100500km的電離層反射電磁波到接收點的無線電波。,電磁波傳播方式,無線電波的波段劃

8、分表,505KHZ 中波,M短波 88-108M 超短波,1.3 射頻電路設(shè)計中的問題,當(dāng)頻率較高時，分布參數(shù)的影響不能忽略。,1.分布參數(shù)的影響,2.趨膚效應(yīng)的影響,交變電流通過導(dǎo)體時，由于感應(yīng)作用引起導(dǎo)體截面上電流分布不均勻，愈近導(dǎo)體表面電流密度越大。這種現(xiàn)象稱“趨膚效應(yīng)”。,我們一般用趨膚深度來表示趨膚效應(yīng)的程度,為工作頻率，,為導(dǎo)體的導(dǎo)磁率，,為導(dǎo)體的電導(dǎo)率。,f,1.4射頻中的元器件,各種高頻電路基本上是由有源器件、 無源元件和無源網(wǎng)絡(luò)組成的。 高頻電路中使用的元器件與在低頻電路中使用的元器件基本相同, 但要注意它們在高頻使用時的高頻特性。 高頻電路中的元件主要是電阻(器)、 電容(

9、器)和電感(器), 它們都屬于無源的線性元件。,1.電阻,一個實際的電阻器, 在低頻時主要表現(xiàn)為電阻特性； 在高頻使用時不僅表現(xiàn)有電阻特性的一面, 而且還表現(xiàn)有電抗特性的一面； 其高頻時的等效電路為：,CR為分布電容, LR為引線電感, R為電阻,2.電容,由介質(zhì)隔開的兩導(dǎo)體即構(gòu)成電容。 一個電容器的等效電路卻如圖（a）所示。 理想電容器的阻抗1/(jC), 如圖（b）虛線所示, 其中, f為工作頻率, =2f。,3.電感,電感量是電感線圈的主要參數(shù)，是表示線圈產(chǎn)生自感應(yīng)能力的一個物理量； 電感線圈除表現(xiàn)出電感L的特性以外，還具有一定的損耗電阻r和分布電容C； 隨著工作頻率的升高，線圈的有效電

10、阻將會明顯變大； 高頻時其分布電容的影響也很大； 其高頻等效電路為：,1.5射頻電路中常用概念,1.5.1射頻電路常用名詞解釋,1. 頻帶寬度概念,2. 分貝的概念,3. 品質(zhì)因素,元件的Q值愈大,用該元件組成的電路或網(wǎng)絡(luò)的選擇性愈佳。,1.5.2信號頻譜的概念及應(yīng)用,時域的分析主要是研究被測信號和系統(tǒng)在時域內(nèi)的幅度和時間特性。 頻域分析主要是研究被測信號和系統(tǒng)在頻域內(nèi)的幅頻特性和相頻特性。將幅頻特性和相頻特性繪制成譜線，統(tǒng)稱為信號的頻譜圖。,最簡單的市電信號,脈沖信號,矩齒波信號,常用標(biāo)準(zhǔn)電信號:,矩齒波信號常用作為掃描信號等，在視頻顯示系統(tǒng)等設(shè)備中有著較為廣泛的應(yīng)用,靜止的單色圖像信號,亮

11、度隨空間位置變化的信號f(x,y),靜止的彩色圖像信號,三基色隨空間位置變化的信號,正弦信號時域波形如圖1.2所示。該信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：,式中，Um為正弦波正向或負(fù)向最大值，稱為振幅，單位為V（伏特）； =2f 為角頻率，單位為rad/s（弧度/秒）；f=1/T為頻率，單位為Hz（赫茲）；T=t1t0為周期，單位為s（秒）； 0= t0為初相位，單位為rad（弧度）。 由于余弦信號與正弦信號的波形變化規(guī)律完全一致，因此常把正弦和余弦信號均稱為正弦波信號。正弦信號是最常用的信號之一。 常用作為標(biāo)準(zhǔn)信號源、系統(tǒng)與設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)測試信號或信息傳輸?shù)妮d體。,時域特性研究,頻譜:是指信號在各個頻率上的幅度

12、分布情況，即幅度等某些特征量隨頻率變化的關(guān)系。用頻譜圖表示 。 振幅頻譜圖 相位頻譜圖,信號頻譜的概念,無線電信號的頻域特性,信號頻域特性的測試 - 1 正弦信號頻譜特性的測試 - 2 方波信號頻譜特性的測試,做一做,測試程序： 由DDS函數(shù)信號發(fā)生器輸出一正弦信號ui，其面板顯示振幅Uim=50mV、頻率fi =1.0MHz。 保持步驟，用頻譜儀（或利用數(shù)字存儲示波器的FFT功能，下同）直接測量ui的頻譜，從頻譜圖中讀出其頻率、相位和振幅，與DDS函數(shù)信號發(fā)生器面板顯示值比較并記錄： 譜線的數(shù)量為_條，對應(yīng)的fi= 106 Hz，0= （度），Uim= V 結(jié)論：實際上，單一正弦信號的譜線_

13、（只有1條，有2條，有很多條，由無數(shù)條。) 保持步驟，畫出ui 頻譜（譜線）圖（以頻率為橫坐標(biāo)，幅度為縱坐標(biāo)），并寫出其復(fù)指數(shù)形式的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 ui(t)= V,FFT測量,點擊,點擊,點擊,可以使用光標(biāo)隨意測量,測試程序： 由DDS函數(shù)信號發(fā)生器輸出一方波信號ui，其面板顯示振幅Uim=50mV、頻率fi =2.0MHz。 保持步驟，用頻譜儀直接測量ui的頻譜，從頻譜圖中讀出其頻率和振幅，與DDS函數(shù)信號發(fā)生器面板顯示值比較并記錄： 第1條譜線所對應(yīng)的頻率稱為基波，其f1= 106 Hz，U1m= V 第2條譜線所對應(yīng)的f2= 106 Hz，U2m= V，稱為_次諧波。 第3條譜線所對應(yīng)的

14、f3= 106 Hz，U3m= V，稱為_次諧波。 第4條譜線所對應(yīng)的f4= 106 Hz，U4m= V，稱為_次諧波。 第5條譜線所對應(yīng)的f5= 106 Hz，U5m= V，稱為_次諧波。 結(jié)論：實際上，方波信號的譜線_（只有1條，有2條，有很多條，有無數(shù)條），其頻帶寬度（取5條譜線時）B=_ MHz。 保持步驟，畫出ui 頻譜圖（畫10條）。,1、正弦信號的頻譜特性,所謂頻譜，是指信號在各個頻率上的幅度分布或所包含的頻率成分及其幅度 大小的分布情況。頻譜圖則是頻譜的圖形表示。,正弦信號,圖1.19 正弦信號頻譜圖,由圖1.19可見，正弦信號的頻譜結(jié)構(gòu)最為簡單，只有一條譜線,其信號帶寬為0。

15、,矩形波信號諧波的合成過程示意圖,演示,有 限 項 逼 近,Gibbs phenomenon,非正弦周期信號的傅里葉級數(shù)分解,傅立葉 : 法國數(shù)學(xué)家、 物理學(xué)家 、 三角級數(shù)創(chuàng)始人,周期信號可表示為諧波關(guān)系的正弦信號的加權(quán)和。 非周期信號可用正弦信號的加權(quán)積分表示。,傅立葉的兩個主要貢獻(xiàn),Poisson、Guass等人把這一成果應(yīng)用到電學(xué)中去,復(fù)雜的波形怎么辦?,非正弦周期信號的分解:,1. 三角形式 2. 復(fù)指數(shù)形式,1、非正弦周期信號的傅里葉級數(shù)分解-三角形式,周期信號表達(dá)式:,周期為T的信號 ，在滿足狄里赫利條件時，其三角形式的傅里葉級數(shù)展開式為,P22,狄里赫利條件,（1）在任何周期內(nèi)

16、， 絕對可積，即； （2）在任何有限區(qū)間內(nèi)， 具有有限個極大值和極小值； （3）在任何有限區(qū)間內(nèi)， 連續(xù)，或只具有有限個第一類間斷點。,（1-1）,余弦分量幅度,正弦分量幅度,直流分量,其中：,基波角頻率 Fundamental Frequency,傅里葉級數(shù)三角形式:,注意: 非正弦周期電流、電壓信號分解成傅里葉級數(shù)的關(guān)鍵在于求出系數(shù) a0、an、bn ，可以利用函數(shù)的某種對稱性判斷它包含哪些諧波分量及不包含哪些諧波分量，可使系數(shù)的確定簡化，給計算和分析將帶來很大的方便。如以下幾種周期函數(shù)值得注意：,x(t)為偶函數(shù) ,波形對稱于縱軸， 如圖 X(t)= X(-t),(2) )x(t)為奇函

17、數(shù)波形對稱于原點, 如圖 x(t)= -x(t),即偶函數(shù)的三角形式傅里葉級數(shù)中不含正弦量,X(t)為偶函數(shù):,X(t)為奇函數(shù),在奇函數(shù)的傅里葉級數(shù)中不會含有直流與余弦分量，只可能包含 正弦分量。,練習(xí)1: 求矩形波信號的頻譜特性,例: 矩形波（方波）波形?，F(xiàn)求其傅里葉級數(shù)展開式。,奇函數(shù)，奇諧函數(shù),平均直流分量,周期信號的頻譜特點:,離散性頻譜是離散的而不是連續(xù)的， 每根譜線代表一個諧波分量。 這種頻譜稱為離散頻譜； 諧波性譜線只能出現(xiàn)在基波角頻率1的整數(shù)倍上； 收斂性幅度譜的譜線幅度隨著頻率的增加而逐漸衰減 到零。 從一些具體信號得出的，但許多周期性信號的頻譜都具有這樣的特點。,三角形式

18、的傅立葉級數(shù)的另一種形式 :,余弦形式,ancos n1t +bn sin n 1t =An cos (1t + ),cos(+) =cos cos -sin sin =cos (-) cos +sin( -)sin ,解:,化成余弦形式：,試畫出信號f（t）的頻譜。,練習(xí)2：,2. 周期信號的復(fù)指數(shù)形式傅里葉級數(shù),可以表示為指數(shù)形式,令,（1.5.2）,將 和 的計算式代入后可得,傅里葉級數(shù)的復(fù)系數(shù) 的公式,可見 也是n（或 ）的函數(shù)，它與 和 的關(guān)系如下：,2、正弦信號的復(fù)指數(shù)表示形式,Aejt,同一個信號，既可以展開成三角形式的傅里葉級數(shù)，又可展開成復(fù)指數(shù)形式的傅里葉級數(shù)。 前者是實數(shù)形

19、式的傅里葉級數(shù)，是將周期信號表示為直流分量和一系列諧波分量之和。 后者為復(fù)數(shù)形式的傅里葉級數(shù)，是將周期信號表示為直流分量和一系列虛指數(shù)函數(shù)之和。 復(fù)指數(shù)形式傅里葉級數(shù)中有負(fù)頻率項，這只是數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果，并不表示真正存在負(fù)頻率分量，負(fù)頻率項與相應(yīng)的正頻率項合起來才代表一個頻率分量。,結(jié)論:,總結(jié):,例：求復(fù)指數(shù)形式的傅里葉級數(shù),如圖1.23所示為周期矩形脈沖信號 ,其幅度為A, 脈沖寬度為 ，周期為T,在長度為T的區(qū)間 上可表示為,可求得其傅里葉復(fù)系數(shù)：,-稱為取樣函數(shù)， 波形如圖所示。取樣函數(shù)在通信中應(yīng)用很多， 是一個重要的函數(shù)。當(dāng) 時,圖1.24 取樣函數(shù),可寫出該周期矩形脈沖信號的復(fù)指數(shù)形

20、式傅里葉級數(shù)展開式為,P28,第一個零點,周期矩形脈沖信號頻譜圖特點,令,1.譜線是離散的 2.在頻譜圖中還可以看出，隨著頻率的增高，各分量的幅度逐漸趨于零。周期矩形脈沖信號的能量主要集中在第一個零點以內(nèi)，那些次數(shù)較高的頻率分量實際上可以忽略不計。在允許一定失真的條件下，只需傳送頻率較低的那些分量就夠了。,通常把這段頻率范圍稱為周期矩形脈沖信號的頻帶寬度或帶寬，記做,P30,討論：周期T、脈寬 對頻譜的影響,T一定， 變化， 變小。,結(jié)論：矩形脈沖的頻帶寬度與脈沖寬度成反比。,展縮特性,非周期信號的頻譜特性-傅立葉變換,非正弦周期信號 - 非周期信號區(qū)別:,周期信號的復(fù)指數(shù)形式展開式:,問題:,