编辑推荐
新:新思路、新领域、新技术、新变革。活:模块化、立体化、可扩展 。精:精品、精心、精致。
内容简介
《通信电子线路》是通信工程、电子信息工程等相关专业的一门重要的专业基础课。《通信电子线路》内容包括7章,即绪论,高频小信号调谐放大器,谐振功率放大器,正弦波振荡器,振幅调制与解调,角度调制与解调,反馈控制电路,并在每章中增加了典型电路的仿真实例。
《通信电子线路》可作为通信工程、电子信息工程等专业的高校本科学生教材,也可作为有关工程技术人员的参考书。
内页插图
目录
第1章 绪论
1.1 通信系统的基本概念
1.1.1 通信发展史概述
1.1.2 通信系统的组成
1.1.3 通信系统的类型
1.1.4 通信系统中的信道与信号
1.2 通信系统中发射与接收
1.2.1 无线电波的传播特性
1.2.2 发射设备
1.2.3 接收设备
1.3 无线电波的频段划分
1.4 通信电子线路学习要点
本章小结
思考题与习题
研究项目
第2章 高频小信号调谐放大器
2.1 LC谐振回路
2.1.1 串、并联谐振回路的基本特性.
2.1.2 负载和信号源内阻对谐振回路的影响
2.1.3 谐振回路的接入方式
2.1.4 LC谐振回路的分析与仿真
2.2 单调谐放大器
2.2.1 原理电路
2.2.2 性能指标
2.2.3 放大器等效电路及计算
2.2.4 实例分析与仿真
2.3 双调谐放大器
2.3.1 原理电路及等效电路
2.3.2 性能指标计算
2.3.3 实例分析与仿真
2.4 高频小信号调谐放大器级联
2.4.1 多级单调谐放大器
2.4.2 参差调谐放大器
2.5 高频调谐放大器的稳定性
2.5.1 调谐放大器的稳定性分析
2.5.2 提高稳定性的方法与实例
2.6 集中选频放大器
2.6.1 石英晶体滤波器
2.6.2 陶瓷滤波器
2.6.3 声表面波滤波器
本章小结
思考题与习题
研究项目
第3章 谐振功率放大器
3.1 丙类谐振功率放大器的工作原理
3.1.1 基本原理电路分析
3.1.2 集电极余弦脉冲电流分析
3.1.3 功率和效率的计算
3.1.4 晶体管放大器导通角与效率的关系
3.2 谐振功率放大器的工作状态分析
3.2.1 谐振功率放大器的动态特性
3.2.2 谐振功率放大器的三种工作状态及其判别方法
3.2.3 谐振功率放大器的外部特性
3.3 谐振功率放大器的实用电路分析及仿真
3.3.1 直流馈电电路
3.3.2 输入、输出匹配网络
3.3.3 实例电路分析与仿真
3.3.4 其他功率放大器介绍
3.4 倍频器
3.4.1 丙类倍频器的工作原理
3.4.2 实例电路分析与仿真
3.5 功率合成与分配
3.5.1 传输线变压器介绍
3.5.2 功率合成器
3.5.3 功率分配器
本章小结
思考题与习题
研究项目
第4章 正弦波振荡器
4.1 反馈型振荡器原理
4.1.1 反馈型振荡器结构分析
4.1.2 振荡的起振条件与平衡条件
4.1.3 振荡的稳定条件
4.2 LC振荡电路
4.2.1 变压器耦合振荡电路分析与仿真
4.2.2 基本三点式振荡电路分析与仿真
4.2.3 改进型三点式振荡电路分析与仿真
4.2.4 其他LC振荡器
4.3 LC振荡器频率稳定性分析
4.3.1 频率稳定性的概念及稳频原理
4.3.2 提高频率稳定性的方法
4.4 RC振荡电路
4.4.1 文氏电桥振荡器分析与仿真
4.4.2 移相式振荡器分析
4.5 石英晶体振荡器
4.5.1 石英晶体电参数模型
4.5.2 石英晶体振荡器分析与仿真
4.6 负阻振荡器
4.6.1 负阻器件的基本特性
4.6.2 负阻振荡电路分析
4.7 压控振荡器
4.7.1 VCO基本原理
4.7.2 VCO电路分析
4.8 振荡器中的几种现象
4.8.1 寄生振荡
4.8.2 间歇振荡
4.8.3 频率占据
4.8.4 频率拖曳
本章小结
思考题与习题
研究项目
第5章 振幅调制与解调
5.1 振幅调制
5.1.1 振幅调制基本原理
5.1.2 AM波调制电路分析与仿真
5.1.3 DSB波调制电路分析与仿真
5.1.4 SSB波调制电路分析
5.2 振幅调制信号的解调
5.2.1 解调的基本原理
5.2.2 峰值包络检波电路分析与仿真
5.2.3 同步检波电路分析与仿真
5.2.4 振幅检波器的性能指标
5.3 混频
5.3.1 混频的概念
5.3.2 晶体管混频电路分析与仿真
5.3.3 混频器的干扰
5.4 应用实例
5.4.1 调幅发射机分析
5.4.2 调幅接收机分析
本章小结
思考题与习题
第6章 角度调制与解调
6.1 角度调制
6.1.1 瞬时角频率与瞬时相位
6.1.2 调角信号的产生方法
6.1.3 调角信号的性质
6.2 调频电路
6.2.1 直接调频电路分析
6.2.2 间接调频电路分析
6.3 调角信号的解调
6.3.1 调频信号的解调方法
6.3.2 鉴频电路分析
6.4 调频电路实例分析与仿真
6.4.1 调频发射机分析与仿真
6.4.2 调频接收机分析与仿真
本章小结
思考题与习题
研究项目
第7章 反馈控制电路
7.1 自动增益控制电路
7.1.1 AGC工作原理
7.1.2 AGC电路分析
7.1.3 AGC的性能指标
7.2 自动频率控制电路
7.2.1 AFC工作原理
7.2.2 AFC电路分析
7.2.3 AFC的性能指标
7.3 锁相环路
7.3.1 PLL基本原理
7.3.2 PLL的线性与非线性分析
7.3.3 集成锁相环路
7.3.4 锁相环路的应用与仿真
7.4 频率合成器
7.4.1 频率合成器的主要技术指标
7.4.2 锁相频率合成器
本章小结
思考题与习题
研究项目
附录A
附录B
部分习题参考答案
参考文献
精彩书摘
(5)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。
(6)按通信业务分类,可分为话务通信和非活务通信。电话业务在电信领域中一直占主导地位,它属于人与人之间的通信。近年来,非话务通信发展迅速,主要包括数据传输、计算机通信、电子信箱、电报、传真、可视图文及会议电视、图像通信等。另外从广义的角度来看,广播、电视、雷达、导航、遥控、遥测等也应列入通信的范畴,因为它们都满足通信的定义。由于广播、电视、雷达、导航等的不断发展,目前它们已从通信中派生出来,形成了独立的学科。
(7)接通信者是否运动分类,通信还可分为移动通信和固定通信。移动通信是指通信双方至少有一方在运动中进行信息交换。另外,通信还有其他一些分类方法,如按多地址方式可分为频分多址通信、时分多址通信、码分多址通信等;按用户类型可分为公用通信和专用通信;按通信对象的位置可分为地面通信、对空通信、深空通信、水下通信等。
前言/序言
“通信电子线路”是通信工程、电子信息工程等相关专业的一门重要的专业基础课,具有很强的理论性、实践性和工程性。如今,随着电子器件和计算机的迅速发展,电路仿真软件也随之发生着日新月异的变化,为我们提供了一个非常好的理解理论知识的平台。本书是在院级精品课程建设的基础上编写的,在编写中,我们充分考虑到应用型本科的人才培养目标,除了学习基本理论之外,更加注重实践创新能力的培养。本书力求做到以下几点:
(1)在注重知识体系结构的同时,按照“必须、够用、实用、适用”的基本原则,遵循应用型本科“通信电子线路”课程教学要求,强调基本理论的学习和实践仿真。
(2)对于学习过程中容易出现的问题,重点或难点内容,通过标注【重点或提示】来引起学生的注意。
(3)对于有学习潜力和兴趣的学生,通过【知识扩展】提供更多的内容,以打下一个相对牢固的基础。
(4)每章在简要介绍基本原理和基本概念后,通过对电路的分析与仿真,作出结论,再与实际电路仿真波形或数据进行对比。
(5)每章学习前,列有学习目的和知识点,精心选择的例题和课后习题,具有一定的代表性,附录提供了教学工具方面的支持。
(6)每章后的研究项目,供学生进行实践练习,达到理论联系实际的效果,让学生提交开放性的答卷。
(7)在章节安排上,尽量保留课程体系的完整性,同时对于一些理论性较强的知识点进行简化或合并,如“混频”内容就归到“振幅调制与解调”中。
全书共分7章,计划理论讲授学时54学时,带有*号的章节将根据学时进行取舍。
本书第1、2、3章由夏术泉编写,第4、5章由南光群编写,第6、7章由艾青编写。全书由夏术泉统稿。本书在编写的过程中,还得到了李玉平、王海华等帮助,并提出了一些很好的建议,在此表示感谢!
通信电子线路:设计、分析与实践 引言 在信息爆炸的时代,通信技术作为信息传递的动脉,其核心——通信电子线路——的重要性不言而喻。从移动通信到卫星导航,从互联网数据传输到物联网感知网络,无处不闪耀着通信电子线路的智慧光芒。本书旨在深入探讨通信电子线路的设计、分析与实践,为读者构建一个全面而深刻的理解框架。我们将循序渐进,从基础理论出发,逐步深入到复杂的实际应用,力求使读者不仅掌握理论知识,更能融会贯通,应用于实际的电路设计与问题解决之中。 第一篇:基础理论与核心概念 本篇将奠定通信电子线路学习的坚实基础,重点关注信号的本质、电路的基本行为以及在高频环境下的特殊性。 第一章:信号的本质与频谱分析 信号的定义与分类:我们将从信号的物理意义出发,探讨其作为信息载体的本质。信号可分为模拟信号和数字信号,它们在表示信息的方式上存在根本差异。模拟信号是连续变化的,其幅度或相位可以无限细分,例如模拟语音信号;数字信号则是离散的,只能取有限个值,通常表示为二进制序列,如数字音频或视频信号。理解信号的分类有助于我们选择合适的电路来处理它们。 傅里叶级数与傅里叶变换:周期信号可以用傅里叶级数分解为一系列正弦波的叠加,而非周期信号则可以用傅里叶变换表示成连续的频谱。我们将详细介绍傅里叶级数的展开方法,以及傅里叶变换的数学原理和应用。理解信号的频谱,即信号在不同频率上的能量分布,对于设计滤波器、分析信道特性以及理解信号失真等问题至关重要。我们将通过实例演示如何进行频谱分析,例如方波、锯齿波的频谱分解。 采样定理与数字信号表示:对于数字信号的产生,采样是关键环节。奈奎斯特-香农采样定理指出,只有当采样频率高于信号最高频率的两倍时,才能无失真地恢复原始信号。我们将深入讲解采样定理的原理,并探讨过采样、欠采样的影响。数字信号的表示方式,如二进制、BCD码等,以及它们在通信系统中的编码和解码过程也将得到介绍。 第二章:电路元件与基本电路分析 电阻、电容、电感及其在高频下的表现:这些基本无源元件是构成一切电子线路的基石。我们将回顾它们的伏安特性、能量存储与释放机制。然而,在通信频率下,这些元件的寄生效应(如电感的电阻、电容的引线电感、电容的漏电等)会显著影响电路性能。我们将分析这些寄生效应如何在高频下产生非理想行为,以及如何选择合适的元件并考虑这些效应。 二极管与晶体管的特性与应用:半导体器件是电子线路的核心有源元件。我们将详细介绍二极管(PN结二极管、肖特基二极管、稳压二极管等)的单向导电性、整流、稳压等特性,以及它们在电路中的典型应用。随后,我们将深入探讨双极型晶体管(BJT)和场效应晶体管(FET)的工作原理、各种工作区域(截止、放大、饱和)以及它们的等效电路模型。理解这些器件的交流和直流特性是设计放大器、开关电路的基础。 基本的电路分析方法:欧姆定律、基尔霍夫电压定律(KVL)和电流定律(KCL)是分析直流和低频电路的基础。对于交流电路,我们将引入阻抗和相量的概念,以及RLC串并联电路的分析方法,计算电路的谐振频率、阻尼等参数。此外,我们将介绍节点电压法和网孔电流法等系统性的电路分析工具,帮助读者能够高效准确地分析复杂电路。 第三章:滤波器设计基础 滤波器的基本类型与功能:滤波器是通信电子线路中不可或缺的组成部分,用于选择或抑制特定频率范围的信号。我们将介绍低通、高通、带通、带阻(陷波)四种基本滤波器类型,并阐述它们各自的功能和应用场景,例如在音频设备中滤除噪声,在射频系统中选择所需频段的信号。 频率响应与通带、阻带:滤波器的性能由其频率响应决定,即输出信号幅度与输入信号幅度之比随频率变化的曲线。我们将定义通带(信号允许通过的频率范围)和阻带(信号被抑制的频率范围),并引入截止频率、插入损耗、衰减度等关键参数来量化滤波器的性能。 简单滤波器电路的实现:我们将从RC、RL、LC无源滤波器入手,分析其结构、工作原理和频率响应。例如,一个简单的RC低通滤波器是如何通过电容的容抗随频率变化的特性来实现低频信号通过、高频信号衰减的。在此基础上,我们将介绍一些基于有源元件(如运算放大器)的有源滤波器,分析它们在提高Q值、实现更陡峭的滚降等方面的优势。 第二篇:核心电路模块与设计 本篇将聚焦于通信电子线路中的关键功能模块,深入探讨其设计原理、电路结构和性能优化。 第四章:放大器电路 放大器的基本原理与分类:放大器是将输入信号幅度放大的电路。我们将分析放大器的静态工作点设置、信号耦合方式(直流耦合、交流耦合)以及放大器的增益、带宽、失真等重要参数。根据放大器的输出级偏置方式,可以将其分为A类、B类、AB类、C类放大器,我们将分析它们的效率、失真特性和应用场合。 单级和多级放大器设计:我们将从单级放大器(如共射、共集、共基放大器)的设计入手,分析其电压增益、电流增益、输入输出阻抗等特性。然后,我们将探讨多级放大器的级联技术,如何通过级联提高整体增益和改善输入输出特性,并分析多级放大器可能出现的频率响应累积效应。 反馈与稳定性:负反馈是提高放大器性能、扩展带宽、降低失真的重要手段。我们将详细分析电压并联、电流串联、电压串联、电流并联等四种基本反馈组态,以及它们对放大器参数的影响。同时,我们将深入探讨正反馈的原理,以及它在振荡电路中的应用,并重点讲解反馈放大器的稳定性问题,包括伯德图和Nyquist判据等稳定性分析方法。 第五章:振荡器电路 振荡器的基本原理:振荡器是能够产生周期性电信号的电路,在通信系统中是频率合成、载波产生的重要单元。我们将基于巴克豪森判据,讲解正反馈和幅值条件是实现稳定振荡的关键。 LC振荡器与RC振荡器:我们将详细分析LC振荡器,如哈特利振荡器、科尔皮兹振荡器,它们通常用于产生高频信号。同时,我们将介绍RC振荡器,如韦恩桥振荡器、多谐振荡器,它们更适合产生低频信号。我们将分析不同振荡器电路的结构、起振条件、输出波形以及频率稳定性。 晶体振荡器与压控振荡器(VCO):晶体振荡器利用石英晶体的压电效应,能够提供极高的频率稳定性和精度,是许多精密通信设备的核心。我们将介绍晶体振荡器的等效电路和工作原理。压控振荡器(VCO)的输出频率可以受控制电压的改变而改变,它是锁相环(PLL)等频率合成技术中的关键模块。我们将分析VCO的线性度、调频范围和灵敏度。 第六章:混频器与乘法器 混频器的功能与原理:混频器是一种将两个输入信号相乘,产生其和频、差频信号的电路。在通信系统中,混频器广泛用于变频(将信号频率搬移到另一个频段)、解调等场合。我们将介绍不同类型的混频器,如二极管混频器、FET混频器、Gilbert乘法器等,并分析它们的性能指标,如转换损耗、镜像抑制比、线性度等。 乘法器的种类与应用:乘法器是实现信号相乘的通用电路。我们将讨论模拟乘法器和数字乘法器的基本工作原理。模拟乘法器常用于调制、解调、信号乘法等模拟信号处理;数字乘法器则在数字信号处理(DSP)领域扮演重要角色,用于数字滤波器、FFT等算法的实现。 混频器设计中的关键问题:在设计混频器时,需要考虑本振信号的注入功率、输入信号的动态范围、输出信号的滤波以及寄生参数的影响。我们将讨论如何通过合理的电路设计和器件选择来优化混频器的性能,以满足具体的通信系统需求。 第三篇:高频电路与系统 本篇将进入通信电子线路更具挑战性的高频领域,关注射频前端的设计、传输线理论以及通信系统中的关键模块。 第七章:高频电路的特点与分析 高频下的寄生效应:在进入高频领域,电路元件的寄生参数(导线的电感、电容、元件的分布参数)将变得非常显著,甚至主导电路的行为。我们将详细分析导线电感、印制板布线电容、元件引脚电感等寄生效应如何影响电路的阻抗、信号传播速度和衰减。 集肤效应与邻近效应:随着频率升高,电流在导体内部分布会变得不均匀,倾向于集中在导体的表面(集肤效应)。同时,相邻导线之间也会相互影响,改变电流的分布(邻近效应)。我们将解释这些效应的物理机制,以及它们对导线电阻和损耗的影响,这对高频PCB设计和传输线设计至关重要。 S参数分析:S参数(Scattering Parameters)是一种描述高频电路或器件在端口处信号散射特性的参数。它能够方便地描述网络的输入输出关系、增益、回波损耗、隔离度等性能。我们将介绍S参数的定义、测量方法以及如何使用S参数对高频电路进行分析和设计。 第八章:传输线理论与匹配 传输线的特性阻抗与传播常数:传输线是用于传输高频信号的特定结构,如同轴电缆、微带线、带状线等。我们将深入分析传输线的特性阻抗(Z₀)、传播速度、介质损耗和导体损耗等关键参数。特性阻抗是传输线固有的参数,与传输线的几何结构和介质材料有关。 反射与驻波:当传输线的负载阻抗与特性阻抗不匹配时,信号会在传输线末端发生反射,形成驻波,导致信号能量损耗和失真。我们将引入电压驻波比(VSWR)来量化反射的程度,并分析反射产生的机理。 阻抗匹配技术:为了实现最大功率传输和最小信号反射,需要对传输线进行阻抗匹配。我们将介绍多种阻抗匹配技术,如匹配网络(L型匹配、T型匹配、π型匹配)、匹配变压器、四分之一波长匹配线等。我们将讲解如何利用史密斯圆图进行阻抗匹配的设计与计算。 第九章:射频前端设计 低噪声放大器(LNA):LNA是接收端射频链路中的第一级放大器,其噪声性能对整个接收机的灵敏度至关重要。我们将深入分析LNA的噪声系数(NF)的概念和计算方法,以及如何选择合适的器件和设计电路来获得较低的噪声系数。 功率放大器(PA):PA是发射端射频链路中的最后级放大器,负责将信号功率放大到足以进行有效传输。我们将讨论PA的效率、线性度、输出功率等关键指标,以及不同类型的PA(如A类、AB类、D类、E类、F类)的特点和应用。 滤波器与匹配网络的设计:在射频前端,需要设计高性能的滤波器来抑制带外干扰,并利用匹配网络来优化LNA和PA的输入输出阻抗,以实现最佳的功率传输和噪声性能。我们将结合高频电路分析和阻抗匹配技术,探讨射频前端各模块的协同设计。 第四篇:通信系统中的关键模块与实践 本篇将把前面学习到的理论知识应用于实际的通信系统中,介绍一些更复杂的模块和系统,并强调实践的重要性。 第十章:锁相环(PLL)及其应用 锁相环的基本原理:锁相环(Phase-Locked Loop, PLL)是一种能够跟踪输入信号频率和相位的反馈控制系统。它由鉴相器、低通滤波器和压控振荡器(VCO)组成。我们将详细分析PLL的工作原理,包括捕获和跟踪过程。 PLL的应用:PLL在通信系统中有着极其广泛的应用,例如频率合成(产生各种通信所需的频率)、时钟恢复、时钟同步、解调等。我们将重点介绍PLL在频率合成器中的应用,分析其如何通过改变VCO的控制电压来产生任意频率的输出信号,并探讨频率合成器的分辨率和杂散响应等问题。 第十一章:模数(A/D)和数模(D/A)转换器 模数转换器的原理与类型:模数转换器(ADC)将模拟信号转换为数字信号,是模拟信号数字化的关键。我们将介绍ADC的基本原理,包括采样、量化和编码。然后,我们将分析几种常见的ADC架构,如逐次逼近型ADC(SAR ADC)、双积分型ADC、流水线型ADC和Σ-Δ ADC,并讨论它们的转换速率、分辨率、功耗等性能指标。 数模转换器的原理与类型:数模转换器(DAC)将数字信号转换为模拟信号,是数字信号模拟化的关键。我们将介绍DAC的基本原理,以及几种常见的DAC架构,如电阻梯型DAC、权电流型DAC和R-2R梯型DAC。我们将讨论DAC的转换精度、建立时间等性能指标。 在通信系统中的作用:ADC和DAC是数字通信系统的核心组件,它们使得模拟信号的处理能够转化为数字信号的运算,从而大大提高了信号处理的灵活性和精度。我们将探讨ADC和DAC在数字信号采样、量化、重构以及数字调制解调等过程中的具体应用。 第十二章:电路设计工具与仿真 电路仿真软件介绍:在现代电子设计中,电路仿真软件是不可或缺的工具。我们将介绍几种主流的电路仿真软件,如SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)及其各种变种(如LTspice, PSpice),以及更专业的射频仿真工具(如ADS, HFSS)。 仿真方法与技巧:我们将讲解如何使用仿真软件进行电路的瞬态分析、交流分析、直流分析、噪声分析等,并演示如何设置仿真参数、导入模型、分析仿真结果。通过仿真,可以有效地验证电路设计的正确性,预测电路性能,并进行参数优化,从而大大缩短设计周期,降低试错成本。 PCB布局与布线:仿真结果需要转化为实际的PCB(Printed Circuit Board)设计。在高频电路设计中,PCB的布局和布线对电路性能有着至关重要的影响。我们将讨论一些高频PCB设计的原则,如信号完整性、电源完整性、接地设计、屏蔽以及元件布局的注意事项。 结论 通信电子线路是一个博大精深的领域,本书力求从基础到进阶,全面而深入地介绍其核心概念、设计方法和实践应用。通过学习本书,读者将能够掌握分析和设计各类通信电子线路的能力,为进一步深入学习和从事相关领域的研究与开发打下坚实的基础。我们鼓励读者在理论学习的基础上,积极动手实践,利用仿真工具和实际器件进行设计与调试,从而真正地理解和掌握通信电子线路的精髓。