緒論

21世紀(jì)人類已進入信息時代，人們可用各種方式方便快捷地傳遞與接收信息。信息是一個抽象的概念。信息的具體形式有：語言、文字、符號、音樂、圖形、圖像和數(shù)據(jù)。各種類型的信息對人類社會生活產(chǎn)生極大的影響，如軍事信息影響戰(zhàn)爭的勝負(fù)，甚至決定國家民族的存亡；經(jīng)濟信息影響交易的成敗和公司的興衰等。

通信的主要任務(wù)是傳遞信息，即將經(jīng)過處理的信息從一個地方傳遞到另一個地方。傳遞信息既可以通過有線信道，也可以通過無線信道，即進行有線通信或無線通信。由于無線電波能方便快捷地在空間傳播，所受限制較少，因此廣泛應(yīng)用于廣播、電視、通信、雷達和導(dǎo)航等領(lǐng)域。而高頻電子線路研究的對象主要是無線電發(fā)送與接收設(shè)備中有關(guān)電路的原理、組成與功能，因此下面僅以無線通信系統(tǒng)為例，簡單介紹通信系統(tǒng)的基本工作原理及各高頻單元電路的應(yīng)用，以增加讀者對高頻電子線路的認(rèn)識。

1 無線通信系統(tǒng)的基本工作原理

無線通信系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。它由發(fā)射設(shè)備、傳輸媒質(zhì)和接收設(shè)備構(gòu)成。其中，發(fā)送設(shè)備包括變換器、發(fā)射機和發(fā)射天線三部分；接收設(shè)備包括接收天線、接收機和變換器三部分；傳輸媒質(zhì)為自由空間。

信息源發(fā)出需要傳送的信息，如符號、文字、聲音和圖像等，由變換器將這些要傳送的聲音或圖像信息變換成相應(yīng)的電信號，然后由發(fā)射機把這些電信號轉(zhuǎn)換成高頻振蕩信號，發(fā)射天線再將高頻振蕩信號轉(zhuǎn)換成無線電波，向空間發(fā)射。無線電波經(jīng)過自由空間到達接收端，接收天線將接收到的無線電波轉(zhuǎn)換成高頻振蕩信號，接收機把高頻振蕩信號轉(zhuǎn)換成原始電信號，再由變換器還原成原來傳遞的信息（聲音或圖像等），送給受信者，從而完成信息的傳遞過程。

無線電波是一種電磁波，其傳播的速度與光速相同，約為3×108m/s。無線電波的波長、頻率和傳播速度之間的關(guān)系可用下式表示為：

式中，

λ是波長，單位為m；

c是傳播速度，單位為m/s；

f是頻率，單位為Hz。

無線電波與光波一樣，也具有直射、繞射、反射及折射等現(xiàn)象。不同頻率的無線電波，其傳播的規(guī)律與應(yīng)用范圍也不同，因此通常把無線電波劃分為若干波段或頻段，如表1所示。

無線電波在空間的傳播途徑有三種：一是沿地面?zhèn)鞑ィ械夭ǎ鐖D2（a）所示；二是依靠電離層的反射傳播，叫天波，如圖2（b）所示；三是在空間直線傳播，叫直線波，如圖2（c）所示。

長波的波長較長，遇障礙物繞射能力強，且地面的吸收損耗較少，因此長波的通信主要以地波方式傳播。

波長介于長波與短波之間的中波，由于電離層對其吸收較強，尤其是在白天吸收更為嚴(yán)重，因而，中波在白天基本上不能依靠電離層的反射，而只是依靠地波方式進行傳播，但是，地面對中波的吸收比長波厲害。因此，中波在白天的傳播距離約100km左右；而在晚上，電離層對中波的吸收減弱，這時中波可借助電離層反射傳播到較遠的地方。這就是為什么某些遠距離的廣播電臺在白天收不到而在夜間卻能收到的原因。

短波的波長較短，地面繞射能力弱，且地面吸收損耗較大，不宜采用地面?zhèn)鞑ァｋm然電離層對短波的吸收也很厲害，但依靠電離層的反射可以實現(xiàn)遠距離的短波通信。尤其是利用電離層與地球表面之間的多次反射現(xiàn)象，可實現(xiàn)超遠距離的無線電通信，因此短波的廣播和通信主要以天波方式傳播。

波長比短波更短的無線電波稱為超短波（如米波、分米波等）。超短波的波長很短，往往小于地面障礙物（如山峰、高大建筑物等），不能繞過，且地面吸收損耗很大，所以不能以地波方式傳播。同時超短波也能穿透電離層，即電離層很難反射它，所以也不能以天波方式傳播。因此超短波只能在空間以直線波方式傳播。由于地球的表面是球面的，為了增大傳播的距離，發(fā)射天線往往要提高架設(shè)的高度。

2 發(fā)射設(shè)備的基本原理和組成

在無線通信的發(fā)射部分，待傳送的信息（聲音、圖像等）由變換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。一般來說，這些電信號的頻率較低或頻帶較寬，例如，音頻信號（包括語言、音樂）的頻率約為20Hz～20kHz，圖像信號的頻率約為0～6MHz。若把上述信號直接以電磁波形式從天線輻射出去，則存在下述兩個問題：

（1）無法制造合適尺寸的天線。由電磁場理論知，只有當(dāng)天線的尺寸可與被輻射信號的波長相比擬時（波長λ的1/10～1），信號才能被天線有效地輻射出去。對于頻率f為20Hz～20kHz的音頻信號，由式（0-1）可得，相應(yīng)的波長λ為15～15 000km。若采用λ/4天線，則天線的長度應(yīng)在3.75km以上。顯然，這么長天線的制造與安裝實際上是做不到的。

（2）無法選擇所要接收的信號。即使上述信號能發(fā)射出去，由于多家電臺的發(fā)射信號的頻率大致相同，它們在空間混在一起，因此接收機無法區(qū)分，接收者也就無法選擇所要接收的信號。

由此可見，要實現(xiàn)無線通信，首先必須讓各電臺發(fā)射頻率不同的高頻振蕩信號，再把要傳送的信號“裝載”到這些頻率不同的高頻振蕩信號上，經(jīng)天線發(fā)射出去。這樣既縮短了天線尺寸，又避免了相互干擾。

把待傳送的信號“裝載”到高頻振蕩信號上的過程稱為調(diào)制。所謂“裝載”，是指由攜有信息的電信號去控制高頻振蕩信號的某一參數(shù)，使該參數(shù)按照電信號的規(guī)律變化。通常將攜有信息的電信號稱為調(diào)制信號；未經(jīng)調(diào)制的高頻振蕩信號好比“載運工具”，稱為載波信號；經(jīng)過調(diào)制后的高頻振蕩信號稱為已調(diào)波信號。當(dāng)傳輸?shù)恼{(diào)制信號為模擬信號時，稱為模擬通信系統(tǒng)；當(dāng)傳輸?shù)恼{(diào)制信號是數(shù)字信號時，稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。雖然調(diào)制信號不同，但通信系統(tǒng)的原理和組成是相同的。

高頻載波通常是一個正弦波振蕩信號，有振幅、頻率和相位三個參數(shù)可以改變，因此，用調(diào)制信號對載波進行調(diào)制就有調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種方式。

（1）調(diào)幅（Amplitude Modulation,AM）。載波的頻率和相位不變，載波的振幅按調(diào)制信號的變化規(guī)律而變化。調(diào)幅獲得的已調(diào)波稱為調(diào)幅波。

（2）調(diào)頻（Frequency Modulation,FM）。載波的振幅不變，載波的瞬時頻率按調(diào)制信號的變化規(guī)律而變化。調(diào)頻獲得的已調(diào)波稱為調(diào)頻波。

（3）調(diào)相（Phase Modulation,PM）。載波的振幅不變，載波的瞬時相位按調(diào)制信號的變化規(guī)律而變化。調(diào)相獲得的已調(diào)波稱為調(diào)相波。調(diào)頻和調(diào)相統(tǒng)稱為調(diào)角。

由于調(diào)幅應(yīng)用較早而且使用廣泛，因此，下面以調(diào)幅廣播發(fā)射機為例簡明扼要地說明發(fā)射設(shè)備各部分的作用，調(diào)幅廣播發(fā)射機的組成方框圖如圖3所示。

高頻振蕩器用來產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的高頻振蕩信號，現(xiàn)多采用石英晶體振蕩器。高頻放大器用來放大振蕩器產(chǎn)生的高頻振蕩信號，它通常是由多級諧振放大器組成的。由于石英晶體產(chǎn)生的振蕩頻率不能太高，所以這時還應(yīng)通過倍頻器，使高頻振蕩的頻率倍增到所需的載波頻率上，最后輸出的是幅度足夠大的載波。

低頻放大器又稱為調(diào)制信號放大器，用來放大話筒變換來的電信號，最后輸出足夠強的調(diào)制信號。通常，低頻放大器是由幾級小信號低頻電壓放大器和低頻功率放大器組成的。

高頻功放及調(diào)幅器將載波信號的功率放大到足夠大，同時用調(diào)制信號對載波進行調(diào)幅，得到功率足夠大的調(diào)幅波信號，最后由天線以電磁波形式輻射出去。

3 接收設(shè)備的基本原理和組成

無線通信接收設(shè)備的工作過程與發(fā)射設(shè)備相反，它的任務(wù)是把空間傳來的電磁波接收下來，選出所需的已調(diào)波信號，并把它還原為原來的調(diào)制信號，以推動輸出變換器，獲得所需的信息。從高頻已調(diào)波中“取出”調(diào)制信號的過程稱為解調(diào)。由于已調(diào)波的調(diào)制方式有三種，因此解調(diào)也有三種方式，即檢波（調(diào)幅波的解調(diào)）、鑒頻（調(diào)頻波的解調(diào)）和鑒相（調(diào)相波的解調(diào)）。

目前，無論是無線電廣播接收機（收音機），還是電視接收機（簡稱電視機）、通信接收機、雷達接收機等都毫無例外地采用“超外差”接收機的形式。以上各類接收機的組成與工作原理大同小異，所以，下面以超外差收音機為例，對其工作原理做簡略分析。超外差調(diào)幅收音機的組成方框圖如圖4所示。

接收天線接收從空間傳來的電磁波并感生出微小的高頻信號，高頻放大器從中選擇出所需的信號并進行放大，得到高頻調(diào)幅波信號u1(t)，高頻放大器通常由一級或多級具有選頻特性的小信號諧振放大器組成。本地振蕩器（又稱本機振蕩器）產(chǎn)生高頻等幅振蕩信號u2(t)，它比u1(t)的載頻高一個中間頻率，簡稱中頻。調(diào)幅波信號u1(t)和本振信號u2(t)同時送至混頻器進行混頻，混頻后輸出電壓u3(t)。u3(t)與u1(t)相比，其包絡(luò)線的形狀不變，即仍攜有原來調(diào)制信號的信息，但載波頻率則轉(zhuǎn)換為u2(t)的頻率與u1(t)的載頻之差，即轉(zhuǎn)換為中頻，因此u3(t)為中頻調(diào)幅波信號。u3(t)經(jīng)中頻放大器放大為 u4(t)，再送到檢波器。檢波器從中頻調(diào)幅信號u4(t)中取出反映傳送信息的調(diào)制信號u5(t)，再經(jīng)低頻放大器放大為u6(t)，送到揚聲器中轉(zhuǎn)變?yōu)槁曇粜盘枴?/p>

超外差式接收機的核心是混頻器，其作用是將接收到的不同載波頻率轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭ǖ闹蓄l，這就要求本振頻率始終比外來信號頻率超出一個差頻，這也是超外差式接收機名稱的由來。由于中頻是固定的，因此中放的選擇性和增益都可以較高，從而使整機的靈敏度和選擇性較好。混頻器和本地振蕩器如果共用一個電子器件，則它們將合并為一個電路，稱為變頻器。

本章小結(jié)

本章介紹了無線電廣播發(fā)射與接收的基本原理和工作過程，傳輸?shù)男畔⑹锹曇簟τ谄渌问降男畔ⅲ瑹o線電波的發(fā)射與接收的基本原理和工作過程也是相同的。本書后面各章將分別介紹設(shè)備中的高頻小信號放大器、高頻功率放大器、正弦波振蕩器、混頻器、調(diào)幅和檢波、調(diào)頻和鑒頻等內(nèi)容。