通信系统简介.ppt

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1、向向 倩倩 Autumn 2010Email: 课程简介课程简介n一门非常重要的专业基础课程一门非常重要的专业基础课程n高频电子线路（模拟通信系统的发射接收电路）高频电子线路（模拟通信系统的发射接收电路）n电子管电路半导体电路集成电路电子管电路半导体电路集成电路n单一模拟电路数模混合电路软件无线电技术单一模拟电路数模混合电路软件无线电技术n特点：概念多、电路多、联系基础知识多、采用特点：概念多、电路多、联系基础知识多、采用分析方法和测试方法较为复杂分析方法和测试方法较为复杂n应用非常广泛应用非常广泛参考书：参考书：nAdvancedElectronicCircuitDesign,DavidCo

2、mer,DonaldComer,JohnWiley&Sons.n张肃文等，高频电子线路（第三版）张肃文等，高频电子线路（第三版）n谢嘉奎等，电子线路（非线性部分）（第三版）谢嘉奎等，电子线路（非线性部分）（第三版）n曾兴雯等，高频电路原理与分析（第三版）曾兴雯等，高频电路原理与分析（第三版）n信号与系统，电路分析基础，低频模拟电路，数字电路信号与系统，电路分析基础，低频模拟电路，数字电路等等等等先行课程：先行课程：About Electronic Circuitn包含有源器件的网络统称为电子线路。包含有源器件的网络统称为电子线路。n电子线路的分类：电子线路的分类：n按照工作频率：按照工作频率：

3、低频、低频、高频、高频、微波微波 n按照流通的信号形式：按照流通的信号形式：模拟模拟、数字、数字 n按照集成度的高低：按照集成度的高低：分立分立、集成、集成 n按照电子线路中所包含的元件性质：按照电子线路中所包含的元件性质：线性和线性和非线性非线性、时变和时不变时变和时不变线性与非线性电路线性与非线性电路 n线性电子线路线性电子线路n由由线性元件线性元件组成的电路。（元件参数与通过元件的电流或组成的电路。（元件参数与通过元件的电流或施加于其上的电压无关）施加于其上的电压无关）n具有线性特性，也就是它具有叠加性和齐次性，适用叠加具有线性特性，也就是它具有叠加性和齐次性，适用叠加定理。定理。n非线

4、性电子线路与线性电子线路有以下不同：非线性电子线路与线性电子线路有以下不同：n必定还有一个或多个必定还有一个或多个非线性器件非线性器件。（参数与通过它的电流。（参数与通过它的电流或电压有关）或电压有关）n非线性电路不适用叠加定理非线性电路不适用叠加定理,其数学描述是非线性方程其数学描述是非线性方程n信号通过非线性电路以后可产生新的频率成分信号通过非线性电路以后可产生新的频率成分 n工作在非线性状态的有源器件，其输出响应与器件工作点工作在非线性状态的有源器件，其输出响应与器件工作点的选取和输入信号的大小有关。的选取和输入信号的大小有关。通信的任务就是传递各种信息（包括语言、通信的任务就是传递各种

5、信息（包括语言、音乐、文本、图像和数据等），音乐、文本、图像和数据等），传输信息的系统称为传输信息的系统称为“通信系统通信系统”。如：如：电话（无线或有线）电话（无线或有线）-双向通信系统双向通信系统 导航、雷达导航、雷达 -单向通信系统单向通信系统 广播（无线或有线）广播（无线或有线）-单向通信系统单向通信系统 电视（无线或有线）电视（无线或有线）-单向通信系统单向通信系统1.1 1.1 通信系统的概念通信系统的概念 一个完整的通信系统应由那几部分组成呢一个完整的通信系统应由那几部分组成呢?一个完整的通信系统应包括信息源、发送设备、一个完整的通信系统应包括信息源、发送设备、传输信道、接收设备

6、和收信装置五部分。传输信道、接收设备和收信装置五部分。n信息源信息源是指要传送的原始信息，如文字、数据、是指要传送的原始信息，如文字、数据、语音、音乐、图像等，一般是非电量。对于非语音、音乐、图像等，一般是非电量。对于非电量信号，经输入变送器变换为电信号（例如电量信号，经输入变送器变换为电信号（例如被传输的是声音信息就需先经声被传输的是声音信息就需先经声电换能器电换能器话筒，变换为相应信号的电信号）。如果输入话筒，变换为相应信号的电信号）。如果输入信息本身就是电信号（如计算机输出的二进制信息本身就是电信号（如计算机输出的二进制信号）时，可以直接送到发送设备。信号）时，可以直接送到发送设备。n发

7、送设备发送设备是将电信号变换为适应于信道传输特是将电信号变换为适应于信道传输特性的信号的一种装置。性的信号的一种装置。一个完整的通信系统包括五部分一个完整的通信系统包括五部分n接收设备接收设备的功能和发送设备相反，它是将的功能和发送设备相反，它是将信道传输接收到的信号恢复成与发送设备信道传输接收到的信号恢复成与发送设备输入信号相一致的一种装置。输入信号相一致的一种装置。n收信装置收信装置是将电信号还原成原来的信息。是将电信号还原成原来的信息。例如通过扬声器（喇叭）或耳机还原成原例如通过扬声器（喇叭）或耳机还原成原来的声音信息（语言或音乐）。来的声音信息（语言或音乐）。n信道信道即传输信息的通道

8、，或传输信号的通即传输信息的通道，或传输信号的通道。概括起来有两种，即有线信道和无线道。概括起来有两种，即有线信道和无线信道。有线信道包括架空明线、电缆、光信道。有线信道包括架空明线、电缆、光缆等，无线信道可以是传输无线电波的自缆等，无线信道可以是传输无线电波的自由空间，如地球表面的大气层、水、地下由空间，如地球表面的大气层、水、地下及宇宙空间等及宇宙空间等n噪声源噪声源是指信道中的噪声及分散在通信系是指信道中的噪声及分散在通信系统中其他各处噪声的集中表示。统中其他各处噪声的集中表示。无线电通信发展简史无线电通信发展简史n电学的发展肇始于电学的发展肇始于1818世纪晚期至世纪晚期至1919世纪

9、早期世纪早期n伏特、法拉第、斯坦因麦兹、爱迪生、西门子、特斯拉等科伏特、法拉第、斯坦因麦兹、爱迪生、西门子、特斯拉等科学家的卓越工作电能传送信息学家的卓越工作电能传送信息n有线电通信：莫尔斯电报；贝尔电话有线电通信：莫尔斯电报；贝尔电话n麦克斯韦方程麦克斯韦方程(1864)(1864)无线电发展的理论基础无线电发展的理论基础n科学家努力研究利用电磁波传输信息无线电通信科学家努力研究利用电磁波传输信息无线电通信n电子二极管电子二极管(1904)(1904)、三极管的发明、三极管的发明(1907)(1907)是电子技术发展史是电子技术发展史第一个重要里程碑第一个重要里程碑n晶体三极管的发明晶体三极

10、管的发明(1948)(1948)是电子技术发展史第二个重要的里是电子技术发展史第二个重要的里程碑程碑n集成电路的发明集成电路的发明(1960)(1960)是电子技术发展史第三个重要里程碑是电子技术发展史第三个重要里程碑 传播特性指的是无线电信号的传播方式、传播特性指的是无线电信号的传播方式、传播距离、传播特点等。传播距离、传播特点等。不同频段的无线电不同频段的无线电信号，其传播特性不同。信号，其传播特性不同。同一信道对不同频同一信道对不同频率的信号传播特性是不同的。率的信号传播特性是不同的。传播方式主要有直射传播、绕射（地波）传播方式主要有直射传播、绕射（地波）传播、折射和反射（天波）传播及散

11、射传播传播、折射和反射（天波）传播及散射传播等。等。决定传播方式和传播特点的关键因素是决定传播方式和传播特点的关键因素是无线电信号的频率。无线电信号的频率。1.2 1.2 无线电波的传播特性无线电波的传播特性图图1-2 1-2 无线电波传播方式无线电波传播方式n为了有效的传输信号，不同波段的信号所为了有效的传输信号，不同波段的信号所采用的主要传播方式是不同的。采用的主要传播方式是不同的。n长波信号以地波绕射为主。中波和短波信长波信号以地波绕射为主。中波和短波信号可以以地波和天波两种方式传播，号可以以地波和天波两种方式传播，不过，不过，前者以地波传播为主，后者以天波（反射前者以地波传播为主，后者

12、以天波（反射和折射）传播为主。和折射）传播为主。超短波以上频段的信超短波以上频段的信号大多以直射方式传播，也可以采用对流号大多以直射方式传播，也可以采用对流层散射的方式传播。层散射的方式传播。n在各种无线电系统中，信息是依靠高频无在各种无线电系统中，信息是依靠高频无线电波来传递的，线电波来传递的，那么应该如何选择高频那么应该如何选择高频载波的频率呢？载波的频率呢？n我们知道，频率从几十千赫至几万兆赫的我们知道，频率从几十千赫至几万兆赫的电磁波都属于无线电波，所以它的频率范电磁波都属于无线电波，所以它的频率范围是很宽的，围是很宽的，为了便于分析和应用，习惯为了便于分析和应用，习惯上将无线电的频率

13、范围划分为若干个区域，上将无线电的频率范围划分为若干个区域，即即对频率或波长进行分段，称为频段或波对频率或波长进行分段，称为频段或波段。段。1.3 1.3 无线电波的频段划分无线电波的频段划分 任何信号都具有一定的频率或波长。任何信号都具有一定的频率或波长。所谓频率特性就是无线所谓频率特性就是无线电信号的频率或波电信号的频率或波长。长。电磁波辐射的波谱很宽电磁波辐射的波谱很宽,如图所示。如图所示。无线无线电波只是一种波长比较长的电磁波电波只是一种波长比较长的电磁波,占据的频率范围很广。占据的频率范围很广。电磁波波谱电磁波波谱信号的频率特性信号的频率特性 无线电波在空间传播的速度是无线电波在空间

14、传播的速度是3030万公万公里里/秒。秒。电波在一个振荡周期电波在一个振荡周期 T 内的传播距内的传播距离叫做波长，用符号离叫做波长，用符号表示。表示。波长波长，频频率率f f 和电磁波传播速度和电磁波传播速度C 的关系为的关系为 这是电磁波的基本关系式这是电磁波的基本关系式。因为不同频段信号的产生，放大和接因为不同频段信号的产生，放大和接收的方法不同，传送的方式也不同，因而收的方法不同，传送的方式也不同，因而它们的应用范围也不同它们的应用范围也不同。表。表1-11-1列出了无线列出了无线电波的波（频）段划分。电波的波（频）段划分。无线信道的波段划分及其用途无线信道的波段划分及其用途 根据无线

15、电波在传播过程所发生的现象根据无线电波在传播过程所发生的现象,电波的传播方式主要有直射电波的传播方式主要有直射（空间波）传播、（空间波）传播、绕射（地波）传播、绕射（地波）传播、折射和反射（天波）传播等折射和反射（天波）传播等,如图如图所示。所示。决定传播方式和传播特点的关键因素是无线电信号的频率。决定传播方式和传播特点的关键因素是无线电信号的频率。n基带传输基带传输n定义：将基带信号直接发送至信道，称为基带信号定义：将基带信号直接发送至信道，称为基带信号传输传输n基带信号传输通常使用有线信道。基带信号传输通常使用有线信道。n调制传输调制传输n定义：将一个要传送的基带信号加载于一个高频信定义：

16、将一个要传送的基带信号加载于一个高频信号之上（即调制），然后将这个携带有基带信号的号之上（即调制），然后将这个携带有基带信号的高频电磁波信号发送至信道高频电磁波信号发送至信道n可以使用有线信道也可以使用无线信道可以使用有线信道也可以使用无线信道1.4 1.4 调制的通信系统调制的通信系统在传送信号的一方（发送端），用我们所要在传送信号的一方（发送端），用我们所要传送的对象（例如话音信号）去控制载波的幅度传送的对象（例如话音信号）去控制载波的幅度（或频率或相位），使载波的幅度（或频率或相（或频率或相位），使载波的幅度（或频率或相位）随要传送的对象信号而变位）随要传送的对象信号而变.这里对象信号本

17、身称为这里对象信号本身称为“调制信号调制信号”，调制后，调制后形成的信号称为形成的信号称为“已调信号已调信号”。调制使幅度变化的调制使幅度变化的称称“调幅调幅”，使频率变化的称，使频率变化的称“调频调频”，使相位变化，使相位变化的称的称“调相调相”。实际上，在调制的通信系统中，实际上，在调制的通信系统中，载载波只起一个装载和运送信号的作用，相当于波只起一个装载和运送信号的作用，相当于“运载运载工具工具”，而调制信号才是真正需要传送的对象。而调制信号才是真正需要传送的对象。一、一、什么是调制什么是调制调制通信系统的波形示意调制通信系统的波形示意二、二、为什么要进行调制？为什么要进行调制？n分析：

18、若信号频率为分析：若信号频率为1kHz，其相应波长为其相应波长为300km，若采用若采用1/4 波长的天线，根据波长的天线，根据就可以算出就可以算出天线长度需要天线长度需要75km，制造这样制造这样的天线是很困难的。的天线是很困难的。n只有天线实际长度与电信号的波长相比拟只有天线实际长度与电信号的波长相比拟时，这时电信号才能以电磁波形式有效地时，这时电信号才能以电磁波形式有效地辐射，这就要求原始电信号必须有足够高辐射，这就要求原始电信号必须有足够高的频率。的频率。二、二、为什么要进行调制？为什么要进行调制？在接收信号的一方（接收端）在接收信号的一方（接收端），从收从收到的已调信号中把调制信号恢

19、复出来。到的已调信号中把调制信号恢复出来。调调幅波的解调叫幅波的解调叫“检波检波”，调频波的解调叫，调频波的解调叫“鉴鉴频频”，解调是其统称。，解调是其统称。三、三、什么是解调什么是解调 现以大家熟知的现以大家熟知的无线电广播发送系统无线电广播发送系统和超外差式接收机为例进行分析。和超外差式接收机为例进行分析。一、一、无线电广播发送系统无线电广播发送系统高频部分有：高频部分有：主振级主振级由石英晶体振荡器产生频率稳定由石英晶体振荡器产生频率稳定 度高的载波；度高的载波；缓冲级缓冲级实质上是一种吸收功率小，工作实质上是一种吸收功率小，工作 稳定的放大级，其作用是减弱后稳定的放大级，其作用是减弱后

20、 级对主振级的影响；级对主振级的影响；倍频器倍频器将载波频率提高到需要的频率值；将载波频率提高到需要的频率值；高频放大器高频放大器高频放大以提高输出功率；高频放大以提高输出功率；它由高频、低频和电源三大部分组成它由高频、低频和电源三大部分组成 调制器调制器其功能是使高频载波信号幅度其功能是使高频载波信号幅度按低频信号大小变化的幅度调制，按低频信号大小变化的幅度调制，然后经然后经发射天线以电磁波形式向远方辐射。发射天线以电磁波形式向远方辐射。低频部分有：话筒（或录音带等）、低频低频部分有：话筒（或录音带等）、低频电压放大器、低频功率放大器。电压放大器、低频功率放大器。这样将使低频电信号通过逐级放

21、大获得这样将使低频电信号通过逐级放大获得所需的功率电平，然后对高频（载波）进所需的功率电平，然后对高频（载波）进行调幅。行调幅。二二 、超外差式接收机、超外差式接收机超外差超外差模块模块AGCn从接收天线收到微弱高频调幅信号经从接收天线收到微弱高频调幅信号经输入输入回路选频后回路选频后，通过，通过高频放大器放大高频放大器放大，送到，送到混频器与本机振荡器所产生的等幅高频信混频器与本机振荡器所产生的等幅高频信号进行号进行混频混频，在其输出端得到波形包络形，在其输出端得到波形包络形状与输入高频信号的波形相同，但频率由状与输入高频信号的波形相同，但频率由原来高频变化为原来高频变化为中频的调幅信号，经

22、中频中频的调幅信号，经中频放大后放大后送到送到检波器检波器，检出原调制的低频信检出原调制的低频信号，号，然后再经过低频放大，最后从扬声器然后再经过低频放大，最后从扬声器还原成原来的声音信息（语言或音乐）。还原成原来的声音信息（语言或音乐）。为什么要用为什么要用超外差式超外差式接收机，而不能接收机，而不能用用直接放大式直接放大式接收机？接收机？Discussion超外差的定义超外差的定义 外外 差差：输入信号和本机振荡信号产生差频的过程。：输入信号和本机振荡信号产生差频的过程。超外差超外差：输入信号和本机振荡信号产生一个固定中：输入信号和本机振荡信号产生一个固定中频信号的过程。频信号的过程。因为

23、，它是比高频信号低，比低因为，它是比高频信号低，比低频信号又高的超音频信号，所以这种接收方式叫超频信号又高的超音频信号，所以这种接收方式叫超外差式。外差式。优优 点点：灵敏度高，选择性好，音质好（通频带灵敏度高，选择性好，音质好（通频带宽），工作稳定（不容易自激）宽），工作稳定（不容易自激）缺缺 点点：镜像干扰（比接收频率高两个中频的干镜像干扰（比接收频率高两个中频的干扰信号），假响应（变频电路的非线性）扰信号），假响应（变频电路的非线性）超外差式收音机电路的主要特点超外差式收音机电路的主要特点n 超外差式是与直放式相对而言的一种接收方式。超外差式是与直放式相对而言的一种接收方式。n 超外差式

24、收音机能把接收到的频率不同的调幅信超外差式收音机能把接收到的频率不同的调幅信号都变成固定的中频信号（号都变成固定的中频信号（465kHz),465kHz),再由放大器再由放大器对这个固定的中频信号进行放大。对这个固定的中频信号进行放大。n 在选择回路（输入回路）或高频放大器与检波器在选择回路（输入回路）或高频放大器与检波器之间插入一个变频器及中频放大器。之间插入一个变频器及中频放大器。n 超外差式结构的优势在于滤波和放大通常发生在超外差式结构的优势在于滤波和放大通常发生在某个固定的频率，而不需要可调谐的高某个固定的频率，而不需要可调谐的高Q Q值带通滤值带通滤波器，也不必进行稳定的宽带放大。波

25、器，也不必进行稳定的宽带放大。按照按照信道中传输的信道中传输的是模拟信号还是数是模拟信号还是数字信号字信号可把通信系统相应分成两类，即模可把通信系统相应分成两类，即模拟通信系统和数字通信系统拟通信系统和数字通信系统 。三、模拟通信系统和数字通信系统三、模拟通信系统和数字通信系统模拟通信系统的基本组成方框图模拟通信系统的基本组成方框图n这里这里用调制器代替了发送设备、用解调器代替了用调制器代替了发送设备、用解调器代替了接收设备。接收设备。虽然发送设备和接收设备还包括其他虽然发送设备和接收设备还包括其他电路，但调制器和解调器对信号的变换起着决定电路，但调制器和解调器对信号的变换起着决定性的作用，对

26、通信质量起关键作用。性的作用，对通信质量起关键作用。n在数字通信系统中，传输的是数字信号。当用数在数字通信系统中，传输的是数字信号。当用数字信号进行调制时，通常称为键控。字信号进行调制时，通常称为键控。三种基本的键控方式三种基本的键控方式振幅键控振幅键控（ASK）频率键控频率键控（FSK）相位键控（相位键控（PSK）数字通信系统的基本组成方框图数字通信系统的基本组成方框图 由由上上面面的的例例子子可可以以总总结结出出无无线线通通信信系系统统的的基基本本组组成成及及原理原理,从中也可看出高频电路的主要内容应该包括从中也可看出高频电路的主要内容应该包括:（1 1）高频振荡器（信号源、载波信号或本地

27、振荡信号）高频振荡器（信号源、载波信号或本地振荡信号）（2 2）选频电路（选择需要的信号）选频电路（选择需要的信号）（3 3）放大器（高频小信号放大器及高频功率放大器）放大器（高频小信号放大器及高频功率放大器）（4 4）调制与解调（高频信号变换或处理）调制与解调（高频信号变换或处理）（5 5）混频或变频（高频信号变换或处理）混频或变频（高频信号变换或处理）（6 6）反馈控制电路（自动增益控制、自动频率控制等）反馈控制电路（自动增益控制、自动频率控制等）（7 7）干扰和噪声抑制电路）干扰和噪声抑制电路 对对于于各各种种不不同同类类型型的的现现代代无无线线通通信信系系统统,其其系系统统组组成成和和

28、设设备备的的复复杂杂程程度度都都可可能能有有很很大大不不同同，但但组组成成设设备备的的基基本本电电路路及及其其原原理理都都是是相相同同的的,遵遵从从同同样样的的规规律律，即即经经典典高高频频电电子子线线路路的的分分析析方方法法与与设设计计思思想想仍仍可可作作为为其其理理论论基基础础。因因此此，我我们们将将以以通通信信电电子子线线路路为为重重点点来来研研究究这这些些基本电路基本电路,认识其规律。认识其规律。“通信电子电路通信电子电路”课程主要内容课程主要内容本章重点与难点本章重点与难点 （一）本章重点（一）本章重点 通信系统的概念；通信系统的概念；无线电波的传输特性；无线电波的传输特性；调制的通信系统；调制的通信系统；无线电广播调幅发射机和超外差无线电广播调幅发射机和超外差 接收机；接收机；（二）本章难点（二）本章难点 调制的通信系统调制的通信系统