第1讲通信系统.pdf

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1、通信电路唐升西北大学信息科学与技术学院高频电子线路实验室教材：沈伟慈通信电路西安电子科技大学出版社课程内容及要求课程内容及要求?介绍信息无线传输和处理的基本电路，基本原理和基本分析方法。?要求掌握无线电（通常为高频）发射机、接收机的组成，工作原理和电路设计。谐振回路、高频小信号放大器、高频功率放大器、正弦波振荡器、混频器以及调制、解调等。亦指适于无线电传播的频率亦指适于无线电传播的频率0.1 通信系统0.1 通信系统?人类通讯手段的发展：原始通信手段?有线通信?无线通信?通信系统作用：发信者的信息准确地传送给受信者。?通信系统组成框图受信者输入变换器发送设备信道接收设备输出变换器噪声源信息源信

2、息源信息源?信息源是指需要传送的原始信息?一般是非电物理量语言、音乐、图像、文字等受信者输入变换器发送设备信道接收设备输出变换器噪声源信息源输入变换器输入变换器?在实际的通信电子线路中传输的是各种电信号，为此，就需要将各种形式的信息转变成电信号。?常见的输入变换器有：话筒、摄像机、各种传感器件受信者输入变换器发送设备信道接收设备输出变换器噪声源信息源发送设备发送设备?发送设备的作用：将基带信号基带信号基带信号基带信号变换成适合信道的传输特性的信号，然后送入信道传输。基带信号(Baseband Signal)是信源发出的原始电信号。受信者输入变换器发送设备信道接收设备输出变换器噪声源信息源信道信

3、道?信号从发送到接收中间要经过传输信道，又称传输媒质。?不同的传输信道有不同的传输特性。如电缆、光缆、无线电波等。?根据传输媒质的不同，可以分为两大类：有线通信：双绞线电缆、同轴电缆、光缆无线通信：自由空间受信者输入变换器发送设备信道接收设备输出变换器噪声源信息源有线通信信道有线通信信道?双绞线适用于短距离（小于100m）、1Mb/s数据率的通信环境。?同轴电缆适用于距离在几百米、带宽小于10Mhz、码流率小于20M的通信环境。?光纤电缆特点：衰减小（小于1db/km）、工作频率高、信息容量大无线通信信道无线通信信道?无线通信的传输媒质是自由空间。?电磁波从发射天线天线辐射出去。?电磁波经过自

4、由空间到达接收天线的传播途径可分为三大类天波、地波天波、地波天波、地波天波、地波、视距传播视距传播视距传播视距传播。天波天波?自发射天线发出的电磁波，在高空被电离层反射回来到达接收点的传播方式称为天波传播。?主要用于中、短波远距离广播、通信，船岸间航海移动通信，飞机地面间航空移动通信等业务。?电离层反射的特点：频率越高，吸收能量越小，但频率过高电波会穿透电离层。故频率只限于中短波段300Khz30Mhz。地波地波?无线电波沿着地球表面的传播称为地波传播。?主要用于低频及甚低频远距离无线电导航、标准频率和时间信号的广播等业务。授时授时中国河南商丘授时台我国首个低频时码授时台在商丘建成并成功试播我

5、国首个低频时码授时台在商丘建成并成功试播科学时报 2008-11-18 作者：杨永田中科院方向性项目“新一代低频时码授时系统研究”日前在陕西临潼国家授时中心通过了由中科院基础局组织的项目验收。与研究并行开展的成果应用也捷足先登，提前实现建成我国第一个低频时码授时台并发播的愿望.视距传播视距传播?电波依靠发射天线与接收天线之间的直视的传播方式称为视距传播。?主要用于微波中继通信、甚高频和超高频广播、电视、雷达等业务。噪声源噪声源?外部噪声源和内部噪声源?外部噪声包括自然界存在的各种电磁波源(闪电、宇宙星体、大气热辐射等)发出的噪声，工业上强力电机与电焊机等工作时造成的工业噪声和其它通信设备发射的

6、信号等等。?内部噪声则是指系统设备本身产生的各种噪声。受信者输入变换器发送设备信道接收设备输出变换器噪声源信息源接收设备接收设备?接收设备的作用：从信道中把有用信号从众多信号和噪声中选取出来。?接收设备的要求：由于信号在传输和恢复的过程中存在着干扰和失真，接收设备要尽量减少这种失真受信者输入变换器发送设备信道接收设备输出变换器噪声源信息源输出变换器输出变换器?作用：恢复原始信息。例如：电信号生成声音信号?是输入变换器的逆过程。受信者输入变换器发送设备信道接收设备输出变换器噪声源信息源?无线电是指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波，是一个有限频带有限频带有限频带有限频带，上限频率在300G

7、Hz左右，下限频率较不统一，在各种射频规范中常见的有：3KHz-300GHz（ITU 国际电信联盟规定）9KHz-300GHz10 KHz-300GHz0.2 无线电通信0.2 无线电通信无线电波段的划分无线电波段的划分?无线电通信技术是通过无线电波传播信号的技术。?无线电通信技术的原理原理原理原理在于导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。?麦克斯韦最早在他递交给英国皇家学会的论文电磁场的动力理论中阐明了电磁波传播的理论基础。186

8、1-1865。?海因里希鲁道夫赫兹在1886年至1888年间首先通过试验验证了麦克斯韦尔的理论。他证明了无线电辐射具有波的所有特性，并发现电磁场方程可以用偏微分方程表达，通常称为波动方程。?1906年圣诞前夜，雷吉纳德菲森登在美国麻萨诸塞州采用外差法实现了历史上首次无线电广播。菲森登广播了他自己用小提琴演奏“平安夜”和朗诵圣经片段。位于英格兰切尔姆斯福德的马可尼研究中心在1922年开播世界上第一个定期播出的无线电广播娱乐节目?无线电电子学的发展:三个里程碑 电子管 1904 Fleming发明电子管 1948 W.S 发明晶体三极管 60年代集成电路出现0.3 无线电的用途0.3 无线电的用途

9、?无线电的最早应用于航海中，使用摩尔斯电报在船与陆地间传递信息。?现在，无线电有着多种应用形式，包括无线数据网，各种移动通信以及无线电广播等。用途1 声音广播?声音广播的最早形式是航海无线电报。?调幅广播可以传播音乐和声音。?调频广播可以比调幅广播更高的保真度传播音乐和声音。?航海和航空中使用的话音电台应用VHF调幅技术。这使得飞机和船舶上可以使用轻型天线。?政府、消防、警察和商业使用的电台通常在专用频段上应用窄带调频技术。用途2 电话?蜂窝电话（移动电话）是当前最普遍应用的无线通信方式。?蜂窝电话覆盖区通常分为多个小区。每个小区由一个基站发射机覆盖。理论上，小区的形状为蜂窝状六边形，这也是蜂

10、窝电话名称的来源。?当前广泛使用的移动电话系统标准包括：GSM，CDMA和TDMA。运营商已经开始提供下一代的3G移动通信服务，其主导标准为UMTS和CDMA2000。用途3 电视?通常的模拟电视信号采用将图像调幅，伴音调频并合成在同一信号中传播。?数字电视采用MPEG-2图像压缩技术，由此大约仅需模拟电视信号一半的带宽。用途4 卫星数据传输?卫星数据传输通常采用正交幅度调制正交幅度调制（QuadratureAmplitude Modulation，QAM）。QAM调制方式同时利用信号的幅度和相位加载信息，可以在同样的带宽上传递更大的数据量。用途5 红外?红外是一种无线通讯方式，可以进行无线数

11、据的传输。自1974年发明以来，得到很普遍的应用，如红外线鼠标，红外线打印机，红外线键盘等等。?红外载波的频率从 30KHz到60KHz.有两种调制方式:PWM(脉冲宽度调制)和PPM(脉冲位置调制).用途6 蓝牙?所谓蓝牙(Bluetooth)实际上是一种短距离无线电技术，利用“蓝牙”技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑、移动电话手机等移动通信终端以及因特网设备之间的通信。?蓝牙技术采用2.4GHz的ISM(即工业、科学、医学)频段，以省去申请专用许可证的麻烦；采用FM调制方式，使设备变得更为简单可靠，传输速率最高为每秒1Mb/s，通信距离为10米左右。其他用途?利用主动及被动无线电装置

12、可以辨识以及表明物体身份。（射频识别）?无线电定向：使用可移动的环形天线来寻找电台的方向。?雷达通过测量反射无线电波的延迟来推算目标的距离。并通过反射波的极化和频率感应目标的表面类型。?通过射电天文望远镜接收到的宇宙天体发射的无线电波信号可以研究天体的物理、化学性质。（射电天文学）其他?Frequency（生死频率）?“HAM”（火腿）0.4 思考一个问题思考一个问题无线电是如何将声音(图像)传送到远方的?注意：?语音的频率范围：20Hz20KHz?天线理论:天线尺寸必须和电信号的波长为同一数量级。无线电信号的产生与发射无线电发射机方框图无线电发射机方框图天线天线2km以上以上无线电发射机?将

13、音频信号“装载”到高频振荡中的方法有好几种，如调频、调幅、调相等。?电视中图象是调幅，伴音是调频。?广播电台中常用的方法是调幅与调频。无线电信号的接收?最简单的接收机原理框图?超外差式接收机方框图?超外差式接收机的主要特点超外差接收机的主要特点就是由频率固定的中频率固定的中频率固定的中频率固定的中频放大器频放大器频放大器频放大器来完成对接收信号的选择和放大。当信号频率改变时,只要相应地改变本地振荡信号频率即可。0.5 现代通信系统0.5 现代通信系统?模拟与数字的混合系统70年代以前，无线通信系统主要是模拟体制，接收机如前介绍的超外差接收机；7080年代无线电通信实现了模拟数字的大转变，从系统

14、控制（选台调谐、音量控制，均衡控制等）到信源编码、信道编码，以及硬件实现技术都无一例外地实现了数字化。现代超外差接收机可用下图来表示，它是一个模拟与数字的混合系统?软件无线电进入90年代后，通信界开始了一场新的无线电革命，即从数字化走向了软件化，软件无线电技术（software Radio）应运而生。软件无线电是特指具有用软件实现各种功能特点的无线电台（如移动通信中的移动电话机、基站电台、军用电台等），它主要由低成本、高性能的DSP芯片组成。软件无线电的标志?无线通信功能是由软件定义并完成的。这种完全的可编程能力包括可编程的射频波段、信道接入方式、信道调制方式与纠错算法等，软件无线电区别于软件

15、控制的数字无线电。?在尽可能靠近天线的地方使用A/D/A转换器。信号的数字化是实现软件无线电的首要条件。理想软件无线电系统中的A/D/A转换器已相当靠近天线，从而可对高频信号进行数字化处理，这也是它与常用的数字通信系统的根本区别所在。软件无线电的特点?具有完全的可编程性通过安装不同的软件来实现不同的电路功能，包括工作模式，系统功能，扩展业务等。?软件无线电基于DSP技术系统所需要的信号处理工作有变频、滤波、调制解调，信道编译码，接口协议与信令处理，加解密、抗干扰处理，以及网络监控管理。?具有很强的灵活性及可扩充性可以任意转换信道接入方式，改变调制方式或接收不同系统的信号。?具有集中性由于软件无

16、线电结构具有相对集中和统一的硬件平台，所以多个信道可以享有共同的射频前端与宽带A/D/A转换器，从而可以获取每一信道的相对廉价的信号处理性能。小结小结?数字无线电和软件无线电收发信机，其内部的基本功能、基本原理以及工作流程与传统的超外式无线电收发机并无太大差异。?目前受DSP芯片水平、DSP解决方案和算法的限制，软件无线电技术在通信系统尚未得到较好发挥。?经典高频电子线路的分析方法与设计思想仍可作为现代无线电新技术的理论基础。0.6本课程的特点及学习方法0.6本课程的特点及学习方法(1)“通信电路”以“模拟电路基础”为其主要先修课程，理应掌握“模拟电路基础”中的基本概念、原理、电路组成和分析方

17、法。另外，“信号与系统”课程中的傅里叶频谱分析方法、线性系统的拉氏变换法等有关内容也是“通信电路”的理论分析基础。(2)除了高频小信号放大电路和满足一定条件下的反馈控制电路可以看成是线性电路，采用线性电路的分析方法进行处理外，通信系统中的绝大多数功能电路则属于非线性电路。对非线性电路进行严格的数学分析需要建立和求解非线性微分方程，因而是非常困难的，有时甚至是不可能的。本书采用了一些工程上的近似分析和求解的方法，如折线法、幂级数法等。(3)采用计算机辅助设计（CAD）的方法可以对各种功能电路进行近似仿真分析和设计。这方面的软件较多，如matlabPSpice等，诸位可以参考有关资料。(4)本课程

18、是一门实践性很强的课程。各种功能电路的理论学习必须和相应的实验结合起来，才能真正领会和掌握，同时也不会感到抽象和枯燥。由于通信电路的工作频率较高，受元器件和通信电路的工作频率较高，受元器件和引线分布参数及各种高频干扰影响较大引线分布参数及各种高频干扰影响较大，因此制作和调试电路时比较困难。(5)在一个通信系统中，各种功能电路相互之间是有一定影响的，所以在分析单个电路的工作原理和性能时，不仅要考虑该电路本身，还要考虑其相邻电路对它的影响，弄清楚该电路在整个系统中的位置和作用。也就是说，要带着系统的观系统的观点点来看待其中每一个单元电路，这样才能掌握整个系统的工作原理和性能。(6)随着大规模集成工艺和技术的发展，出现了越来越多的通信集成电路芯片。然而，在目前的通信系统中，尤其是在接收机的前端和发射机的后端，仍然存在由很多分立元器件组成的电路。另外，集成电路的分析和设计也是建立在分立元器集成电路的分析和设计也是建立在分立元器件电路的基础之上件电路的基础之上的。所以，本书虽然是以集成电路为主导来介绍各种功能电路的，但同时也介绍了一些相应的分立元器件电路。