第1章__绪论_无线通信系统

绪 论

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第一章

绪

论

1.1 无线通信系统概述

1.2 信号、频谱与调制 1.3 本课程的特点

思考题与习题

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1.1 无线通信系统概述高频电路是通信系统, 特别是无线通信系统的基础, 是无线通信设备的重要组成部分。  1.1.1 无线通信系统的组成 无线通信(或称无线电通信)的类型很多, 可以根据传 输方法、 频率范围、 用途等分类。不同的无线通信系统, 其设备组成和复杂度虽然有较大差异, 但它们的基本组成 不变, 图0 -- 1是无线通信系统基本组成的方框图。 图中虚线以上部分为发送设备(发信机), 虚线以下 部分为接收设备(收信机), 天线及天线开关为收发共用 设备。 信道为自由空间。 话筒和扬声器属于通信的终端 设备, 分别为信源和信宿。

绪 论基带 信号 输入 变换 器 已调 信号 信道 已调 信号 基带 信号 输出 变换 器

发送 设备

接收 设备

输入信号变换器

输出信号变换器

信号传输通道 可以是有线信 道，也可以是 无线信道

通信系统的组成图1--1 通信系统的基本组成

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话 筒

音频 放大器

调制器

变频器

激励放大

输出功 率放大

高频功率放大载波 振荡器 天线开关

扬 声 器

音频 放大器

解调器

中频放大 与滤波

混频器

高频放大

本地 振荡器

天线开关可以 是机械开关， 也可以是电子 开关。

图1—1 无线通信系统的基本组成

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超外差接收机的主要特点就是由频率固定的中频放 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。 由上面的例子可以总结出无线通信系统的基本组成, 从中也可看出高频电路的基本内容应该包括: 

(1)高频振荡器(2)放大器  (3)混频或变频 (4)调制与解调

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1.1.2 无线通信系统的类型 按照无线通信系统中关键部分的不同特性, 有以下 一些类型: (1) 按照工作频段或传输手段分类, 有中波通信、 短波通信、 超短波通信、 微波通信和卫星通信等。 所谓工作频率, 主要指发射与接收的射频(RF)频率。 射频实际上就是“高频”的广义语, 它是指适合无线电 发射和传播的频率。 无线通信的一个发展方向就是开 辟更高的频段。 



(2) 按照通信方式来分类, 主要有(全)双工、 半 双工和单工方式。(3) 按照调制方式的不同来划分, 有调幅、 调频、 调相以及混合调制等。

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(4) 按照传送的消息的类型分类, 有模拟通信和数字通信, 也可以分为话 音通信、 图像通信、 数据通信和多媒 体通信等。 

各种不同类型的通信系统, 其系统 组成和设备的复杂程度都有很大不同。 但是组成设备的基本电路及其原理都是 相同的, 遵从同样的规律。

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1.2 信号、 频谱与调制

在高频电路中, 我们要处理的无线电信号主要有三 种: 基带(消息)信号、 高频载波信号和已调信号。 所谓基带信号, 就是没有进行调制之前的原始信号, 也称调制信号。 1. 时间特性 一个无线电信号, 可以将它表示为电压或电流的 时间函数, 通常用时域波形或数学表达式来描述。 无线电信号的时间特性就是信号随时间变化快慢的特 性。 

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信号的时间特性要求传输该信号的电路的 时间特性(如时间常数)与之相适应。 2. 频谱特性对于较复杂的信号(如话音信号、 图像 信号等), 用频谱分析法表示较为方便。信 号 幅 度0

t

图 1— 2 信号分解

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对于周期性信号, 可以表示为许多离散的频率分 量(各分量间成谐频关系), 例如图 1 — 3即为图 1 — 2 所示信号的频谱图; 对于非周期性信号, 可以用傅里叶变换 的方法分解为连续谱, 信号为连续谱的积分。频谱特性包含幅频特性和相频特性两部分, 它们 分别反映信号中各个频率分量的振幅和相位的分布情况。

任何信号都会占据一定的带宽。 从频谱特性上 看, 带宽就是信号能量主要部分(一般为90%以上)所占据 的频率范围或频带宽度。  信 号 振 幅0

F

3F

5F

7F

9F

F

图 1 — 3 频谱图

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3. 频率特性

任何信号都具有一定的频率或波长。 我们这里所讲的频率特性就是无线电信号的频率或波长。 电磁波 辐射的波谱很宽, 如图 1 — 4 所示。 无线电波只是一种波长比较长的电磁波, 占据的频 率范围很广。 在自由空间中, 波长与频率存在以下关 系: c=fλ

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式中: c为光速, f 和λ分别为无线电波的频率和波长, 因此, 无线电波也可以认为是一种频率相对较低的电磁 波。 对频率或波长进行分段, 分别称为频段或波段。 不同频段信号的产生、放大和接收的方法不同, 传播的 能力和方式也不同, 因而它们的分析方法和应用范围也 不同。 应当指出, 不同频段的信号具有不同的分析与实现 方法, 对于米波以上(含米波, λ≥1 m)的信号通常用 集总(中)参数的方法来分析与实现, 而对于米波以下 (λ<1 m)的信号一般应用分布参数的方法来分析与实 现， 当然, 这也是相对的。

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图 1 — 4 电磁波波谱

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4. 传播特性 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。 无线电信号的传播特性主要根据其所处 的频段或波段来区分。  电磁波从发射天线辐射出去后, 不仅电波的

能量会 扩散, 接收机只能收到其中极小的一部分, 而且在传播过 程中, 电波的能量会被地面、 建筑物或高空的电离层吸 收或反射, 或者在大气层中产生折射或散射等现象, 从而 造成到达接收机时的强度大大衰减。 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 (视距)传播、 绕射(地波)传播、 折射和反射(天 波)传播及散射传播等, 如图 0 — 5 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。 

绪 论射线

(a ) 电离层

(b )

对流层

(c )

(d )

图1— 5 无线电波的主要传播方式 (a) 直射传播; (b) 地波传播; (c) 天波传播; (d) 散射传播

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5. 调制特性 无线电传播一般都要采用高频(射频)的另一个原 因就是高频适于天线辐射和无线传播。 只有当天线的尺 寸到可以与信号波长相比拟时, 天线的辐射效率才会较 高, 从而以较小的信号功率传播较远的距离, 接收天线也 才能有效地接收信号。

所谓调制, 就是用调制信号去控制高频载波的参数, 使载波信号的某一个或几个参数(振幅、 频率或相位) 按照调制信号的规律变化。 根据载波受调制参数的不同, 调制分为三种基本方式, 它们是振幅调制(调幅)、 频率调制(调频)、 相位 调制(调相), 分别用AM、 FM、 PM表示， 还可以有 组合调制方式。 

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1.3 本课程的特点高频电子线路是在科学技术和生产实践中发展起 来的, 也只有通过实践才能得到深入的了解。 因此, 在学习本课程时必须要高度重视实验环节, 坚持理 论联系实际, 在实践中积累丰富的经验。 随着计算 机技术和电子设计自动化(EDA技术)的发展, 越来 越多的高频电子线路可以采用EDA软件进行设计、 仿真分析和电路板制作, 甚至可以做电磁兼容的分 析和实际环境下的仿真。因此, 掌握先进的高频电 路EDA技术, 也是学习高频电子线路的一个重要内容。 

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思考题与习题1、 画出无线通信收发信机的原理框图, 并说出各 部分的功用。  2 、无线通信为什么要用高频信号？“高频” 信号指的是什么？ 3 、已知频率为3KHz、1000KHz、100MHz, 分别求它们的波长和所在的频段名称？ 4 、无线电信号的频段或波段是如何划分的？ 各个频段的传播特性和应用情况如何？ 5 、 下列频率范围的频段名称是什么？ (1) 3~30 kHz; (2) 0.3~3 MHz; (3) 3~30 GHz。 

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