緒論

21世紀(jì)人類已進(jìn)入信息時(shí)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(gè)抽象的概念。信息的具體形式有：語(yǔ)言、文字、符號(hào)、音樂、圖形、圖像和數(shù)據(jù)。各種類型的信息對(duì)人類社會(huì)生活產(chǎn)生極大的影響，如軍事信息影響戰(zhàn)爭(zhēng)的勝負(fù)，甚至決定國(guó)家民族的存亡；經(jīng)濟(jì)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(gè)地方傳遞到另一個(gè)地方。傳遞信息既可以通過有線信道，也可以通過無(wú)線信道，即進(jìn)行有線通信或無(wú)線通信。由于無(wú)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(dá)和導(dǎo)航等領(lǐng)域。而高頻電子線路研究的對(duì)象主要是無(wú)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(wú)線通信系統(tǒng)為例，簡(jiǎn)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(duì)高頻電子線路的認(rèn)識(shí)。

1 無(wú)線通信系統(tǒng)的基本工作原理

無(wú)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(jī)和發(fā)射天線三部分；接收設(shè)備包括接收天線、接收機(jī)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(hào)、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(hào)，然后由發(fā)射機(jī)把這些電信號(hào)轉(zhuǎn)換成高頻振蕩信號(hào)，發(fā)射天線再將高頻振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換成無(wú)線電波，向空間發(fā)射。無(wú)線電波經(jīng)過自由空間到達(dá)接收端，接收天線將接收到的無(wú)線電波轉(zhuǎn)換成高頻振蕩信號(hào)，接收機(jī)把高頻振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，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(wú)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(wú)線電波的波長(zhǎng)、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(zhǎng)，單位為m；

c是傳播速度，單位為m/s；

f是頻率，單位為Hz。

無(wú)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(wú)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(wú)線電波劃分為若干波段或頻段，如表1所示。

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

波長(zhǎng)介于長(zhǎng)波與短波之間的中波，由于電離層對(duì)其吸收較強(qiáng)，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(jìn)行傳播，但是，地面對(duì)中波的吸收比長(zhǎng)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(duì)中波的吸收減弱，這時(shí)中波可借助電離層反射傳播到較遠(yuǎn)的地方。這就是為什么某些遠(yuǎn)距離的廣播電臺(tái)在白天收不到而在夜間卻能收到的原因。

短波的波長(zhǎng)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(duì)短波的吸收也很厲害，但依靠電離層的反射可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的無(wú)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(zhǎng)比短波更短的無(wú)線電波稱為超短波（如米波、分米波等）。超短波的波長(zhǎng)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(shí)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(wú)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(hào)。一般來說，這些電信號(hào)的頻率較低或頻帶較寬，例如，音頻信號(hào)（包括語(yǔ)言、音樂）的頻率約為20Hz～20kHz，圖像信號(hào)的頻率約為0～6MHz。若把上述信號(hào)直接以電磁波形式從天線輻射出去，則存在下述兩個(gè)問題：

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

（2）無(wú)法選擇所要接收的信號(hào)。即使上述信號(hào)能發(fā)射出去，由于多家電臺(tái)的發(fā)射信號(hào)的頻率大致相同，它們?cè)诳臻g混在一起，因此接收機(jī)無(wú)法區(qū)分，接收者也就無(wú)法選擇所要接收的信號(hào)。

由此可見，要實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，首先必須讓各電臺(tái)發(fā)射頻率不同的高頻振蕩信號(hào)，再把要傳送的信號(hào)“裝載”到這些頻率不同的高頻振蕩信號(hào)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(hào)“裝載”到高頻振蕩信號(hào)上的過程稱為調(diào)制。所謂“裝載”，是指由攜有信息的電信號(hào)去控制高頻振蕩信號(hào)的某一參數(shù)，使該參數(shù)按照電信號(hào)的規(guī)律變化。通常將攜有信息的電信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)；未經(jīng)調(diào)制的高頻振蕩信號(hào)好比“載運(yùn)工具”，稱為載波信號(hào)；經(jīng)過調(diào)制后的高頻振蕩信號(hào)稱為已調(diào)波信號(hào)。當(dāng)傳輸?shù)恼{(diào)制信號(hào)為模擬信號(hào)時(shí)，稱為模擬通信系統(tǒng)；當(dāng)傳輸?shù)恼{(diào)制信號(hào)是數(shù)字信號(hào)時(shí)，稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。雖然調(diào)制信號(hào)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(gè)正弦波振蕩信號(hào)，有振幅、頻率和相位三個(gè)參數(shù)可以改變，因此，用調(diào)制信號(hào)對(duì)載波進(jìn)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(hào)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(shí)頻率按調(diào)制信號(hào)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(shí)相位按調(diào)制信號(hào)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(jī)為例簡(jiǎn)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(jī)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(hào)，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(hào)，它通常是由多級(jí)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(shí)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(hào)放大器，用來放大話筒變換來的電信號(hào)，最后輸出足夠強(qiáng)的調(diào)制信號(hào)。通常，低頻放大器是由幾級(jí)小信號(hào)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(hào)的功率放大到足夠大，同時(shí)用調(diào)制信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)幅，得到功率足夠大的調(diào)幅波信號(hào)，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(wú)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(hào)，并把它還原為原來的調(diào)制信號(hào)，以推動(dòng)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(hào)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(wú)論是無(wú)線電廣播接收機(jī)（收音機(jī)），還是電視接收機(jī)（簡(jiǎn)稱電視機(jī)）、通信接收機(jī)、雷達(dá)接收機(jī)等都毫無(wú)例外地采用“超外差”接收機(jī)的形式。以上各類接收機(jī)的組成與工作原理大同小異，所以，下面以超外差收音機(jī)為例，對(duì)其工作原理做簡(jiǎn)略分析。超外差調(diào)幅收音機(jī)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(hào)，高頻放大器從中選擇出所需的信號(hào)并進(jìn)行放大，得到高頻調(diào)幅波信號(hào)u1(t)，高頻放大器通常由一級(jí)或多級(jí)具有選頻特性的小信號(hào)諧振放大器組成。本地振蕩器（又稱本機(jī)振蕩器）產(chǎn)生高頻等幅振蕩信號(hào)u2(t)，它比u1(t)的載頻高一個(gè)中間頻率，簡(jiǎn)稱中頻。調(diào)幅波信號(hào)u1(t)和本振信號(hào)u2(t)同時(shí)送至混頻器進(jìn)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(hào)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(hào)。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(hào)u4(t)中取出反映傳送信息的調(diào)制信號(hào)u5(t)，再經(jīng)低頻放大器放大為u6(t)，送到揚(yáng)聲器中轉(zhuǎn)變?yōu)槁曇粜盘?hào)。

超外差式接收機(jī)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(hào)頻率超出一個(gè)差頻，這也是超外差式接收機(jī)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(jī)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(gè)電子器件，則它們將合并為一個(gè)電路，稱為變頻器。

本章小結(jié)

本章介紹了無(wú)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?duì)于其他形式的信息，無(wú)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(hào)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。