绪论

21世纪人类已进入信息时代，人们可用各种方式方便快捷地传递与接收信息。信息是一个抽象的概念。信息的具体形式有：语言、文字、符号、音乐、图形、图像和数据。各种类型的信息对人类社会生活产生极大的影响，如军事信息影响战争的胜负，甚至决定国家民族的存亡；经济信息影响交易的成败和公司的兴衰等。

通信的主要任务是传递信息，即将经过处理的信息从一个地方传递到另一个地方。传递信息既可以通过有线信道，也可以通过无线信道，即进行有线通信或无线通信。由于无线电波能方便快捷地在空间传播，所受限制较少，因此广泛应用于广播、电视、通信、雷达和导航等领域。而高频电子线路研究的对象主要是无线电发送与接收设备中有关电路的原理、组成与功能，因此下面仅以无线通信系统为例，简单介绍通信系统的基本工作原理及各高频单元电路的应用，以增加读者对高频电子线路的认识。

1 无线通信系统的基本工作原理

无线通信系统的组成框图如图1所示。它由发射设备、传输媒质和接收设备构成。其中，发送设备包括变换器、发射机和发射天线三部分；接收设备包括接收天线、接收机和变换器三部分；传输媒质为自由空间。

信息源发出需要传送的信息，如符号、文字、声音和图像等，由变换器将这些要传送的声音或图像信息变换成相应的电信号，然后由发射机把这些电信号转换成高频振荡信号，发射天线再将高频振荡信号转换成无线电波，向空间发射。无线电波经过自由空间到达接收端，接收天线将接收到的无线电波转换成高频振荡信号，接收机把高频振荡信号转换成原始电信号，再由变换器还原成原来传递的信息（声音或图像等），送给受信者，从而完成信息的传递过程。

无线电波是一种电磁波，其传播的速度与光速相同，约为3×108m/s。无线电波的波长、频率和传播速度之间的关系可用下式表示为：

式中，

λ是波长，单位为m；

c是传播速度，单位为m/s；

f是频率，单位为Hz。

无线电波与光波一样，也具有直射、绕射、反射及折射等现象。不同频率的无线电波，其传播的规律与应用范围也不同，因此通常把无线电波划分为若干波段或频段，如表1所示。

无线电波在空间的传播途径有三种：一是沿地面传播，叫地波，如图2（a）所示；二是依靠电离层的反射传播，叫天波，如图2（b）所示；三是在空间直线传播，叫直线波，如图2（c）所示。

长波的波长较长，遇障碍物绕射能力强，且地面的吸收损耗较少，因此长波的通信主要以地波方式传播。

波长介于长波与短波之间的中波，由于电离层对其吸收较强，尤其是在白天吸收更为严重，因而，中波在白天基本上不能依靠电离层的反射，而只是依靠地波方式进行传播，但是，地面对中波的吸收比长波厉害。因此，中波在白天的传播距离约100km左右；而在晚上，电离层对中波的吸收减弱，这时中波可借助电离层反射传播到较远的地方。这就是为什么某些远距离的广播电台在白天收不到而在夜间却能收到的原因。

短波的波长较短，地面绕射能力弱，且地面吸收损耗较大，不宜采用地面传播。虽然电离层对短波的吸收也很厉害，但依靠电离层的反射可以实现远距离的短波通信。尤其是利用电离层与地球表面之间的多次反射现象，可实现超远距离的无线电通信，因此短波的广播和通信主要以天波方式传播。

波长比短波更短的无线电波称为超短波（如米波、分米波等）。超短波的波长很短，往往小于地面障碍物（如山峰、高大建筑物等），不能绕过，且地面吸收损耗很大，所以不能以地波方式传播。同时超短波也能穿透电离层，即电离层很难反射它，所以也不能以天波方式传播。因此超短波只能在空间以直线波方式传播。由于地球的表面是球面的，为了增大传播的距离，发射天线往往要提高架设的高度。

2 发射设备的基本原理和组成

在无线通信的发射部分，待传送的信息（声音、图像等）由变换器转换成相应的电信号。一般来说，这些电信号的频率较低或频带较宽，例如，音频信号（包括语言、音乐）的频率约为20Hz～20kHz，图像信号的频率约为0～6MHz。若把上述信号直接以电磁波形式从天线辐射出去，则存在下述两个问题：

（1）无法制造合适尺寸的天线。由电磁场理论知，只有当天线的尺寸可与被辐射信号的波长相比拟时（波长λ的1/10～1），信号才能被天线有效地辐射出去。对于频率f为20Hz～20kHz的音频信号，由式（0-1）可得，相应的波长λ为15～15 000km。若采用λ/4天线，则天线的长度应在3.75km以上。显然，这么长天线的制造与安装实际上是做不到的。

（2）无法选择所要接收的信号。即使上述信号能发射出去，由于多家电台的发射信号的频率大致相同，它们在空间混在一起，因此接收机无法区分，接收者也就无法选择所要接收的信号。

由此可见，要实现无线通信，首先必须让各电台发射频率不同的高频振荡信号，再把要传送的信号“装载”到这些频率不同的高频振荡信号上，经天线发射出去。这样既缩短了天线尺寸，又避免了相互干扰。

把待传送的信号“装载”到高频振荡信号上的过程称为调制。所谓“装载”，是指由携有信息的电信号去控制高频振荡信号的某一参数，使该参数按照电信号的规律变化。通常将携有信息的电信号称为调制信号；未经调制的高频振荡信号好比“载运工具”，称为载波信号；经过调制后的高频振荡信号称为已调波信号。当传输的调制信号为模拟信号时，称为模拟通信系统；当传输的调制信号是数字信号时，称为数字通信系统。虽然调制信号不同，但通信系统的原理和组成是相同的。

高频载波通常是一个正弦波振荡信号，有振幅、频率和相位三个参数可以改变，因此，用调制信号对载波进行调制就有调幅、调频和调相三种方式。

（1）调幅（Amplitude Modulation,AM）。载波的频率和相位不变，载波的振幅按调制信号的变化规律而变化。调幅获得的已调波称为调幅波。

（2）调频（Frequency Modulation,FM）。载波的振幅不变，载波的瞬时频率按调制信号的变化规律而变化。调频获得的已调波称为调频波。

（3）调相（Phase Modulation,PM）。载波的振幅不变，载波的瞬时相位按调制信号的变化规律而变化。调相获得的已调波称为调相波。调频和调相统称为调角。

由于调幅应用较早而且使用广泛，因此，下面以调幅广播发射机为例简明扼要地说明发射设备各部分的作用，调幅广播发射机的组成方框图如图3所示。

高频振荡器用来产生频率稳定的高频振荡信号，现多采用石英晶体振荡器。高频放大器用来放大振荡器产生的高频振荡信号，它通常是由多级谐振放大器组成的。由于石英晶体产生的振荡频率不能太高，所以这时还应通过倍频器，使高频振荡的频率倍增到所需的载波频率上，最后输出的是幅度足够大的载波。

低频放大器又称为调制信号放大器，用来放大话筒变换来的电信号，最后输出足够强的调制信号。通常，低频放大器是由几级小信号低频电压放大器和低频功率放大器组成的。

高频功放及调幅器将载波信号的功率放大到足够大，同时用调制信号对载波进行调幅，得到功率足够大的调幅波信号，最后由天线以电磁波形式辐射出去。

3 接收设备的基本原理和组成

无线通信接收设备的工作过程与发射设备相反，它的任务是把空间传来的电磁波接收下来，选出所需的已调波信号，并把它还原为原来的调制信号，以推动输出变换器，获得所需的信息。从高频已调波中“取出”调制信号的过程称为解调。由于已调波的调制方式有三种，因此解调也有三种方式，即检波（调幅波的解调）、鉴频（调频波的解调）和鉴相（调相波的解调）。

目前，无论是无线电广播接收机（收音机），还是电视接收机（简称电视机）、通信接收机、雷达接收机等都毫无例外地采用“超外差”接收机的形式。以上各类接收机的组成与工作原理大同小异，所以，下面以超外差收音机为例，对其工作原理做简略分析。超外差调幅收音机的组成方框图如图4所示。

接收天线接收从空间传来的电磁波并感生出微小的高频信号，高频放大器从中选择出所需的信号并进行放大，得到高频调幅波信号u1(t)，高频放大器通常由一级或多级具有选频特性的小信号谐振放大器组成。本地振荡器（又称本机振荡器）产生高频等幅振荡信号u2(t)，它比u1(t)的载频高一个中间频率，简称中频。调幅波信号u1(t)和本振信号u2(t)同时送至混频器进行混频，混频后输出电压u3(t)。u3(t)与u1(t)相比，其包络线的形状不变，即仍携有原来调制信号的信息，但载波频率则转换为u2(t)的频率与u1(t)的载频之差，即转换为中频，因此u3(t)为中频调幅波信号。u3(t)经中频放大器放大为 u4(t)，再送到检波器。检波器从中频调幅信号u4(t)中取出反映传送信息的调制信号u5(t)，再经低频放大器放大为u6(t)，送到扬声器中转变为声音信号。

超外差式接收机的核心是混频器，其作用是将接收到的不同载波频率转变为固定的中频，这就要求本振频率始终比外来信号频率超出一个差频，这也是超外差式接收机名称的由来。由于中频是固定的，因此中放的选择性和增益都可以较高，从而使整机的灵敏度和选择性较好。混频器和本地振荡器如果共用一个电子器件，则它们将合并为一个电路，称为变频器。

本章小结

本章介绍了无线电广播发射与接收的基本原理和工作过程，传输的信息是声音。对于其他形式的信息，无线电波的发射与接收的基本原理和工作过程也是相同的。本书后面各章将分别介绍设备中的高频小信号放大器、高频功率放大器、正弦波振荡器、混频器、调幅和检波、调频和鉴频等内容。