本書以無線通信系統(tǒng)與單元電路為主線, 在緒論中介紹了通信系統(tǒng)的原理框圖, 其余章節(jié)介紹各單元電路, 包括選頻網(wǎng)絡(luò)、阻抗變換與阻抗匹配、傳輸線和Smith圖、雙端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和穩(wěn)定性、放大器、噪聲及低噪聲放大器、非線性電路及其分析方法、正弦波振蕩器、調(diào)幅、角度調(diào)制與解調(diào)、反饋控制電路等部分, 最后一章介紹收發(fā)信機的技術(shù)指標、分類、工作原理等。
本書可作為高等院校通信專業(yè)和電子信息工程專業(yè)本科生“通信電路”等課程的教材或參考書, 也可供相關(guān)專業(yè)的工程技術(shù)人員參考
前言
通信電路講述發(fā)射機和接收機的射頻部分和中頻部分，其電路功能有射頻放大、中頻放大、變頻、調(diào)制和解調(diào)等。當前移動通信飛速發(fā)展，通信機的工作頻率已超出了2GHz，因而一部分射頻電路成為分布參數(shù)電路。電路技術(shù)的發(fā)展早已進入了集成電路設(shè)計的時代，分立器件用得越來越少，整機生產(chǎn)技術(shù)的無調(diào)整化趨勢使原來通信機中經(jīng)常使用的LC調(diào)諧電路逐漸被各種體積小、設(shè)計精良的濾波器取代，整機設(shè)計人員必須準確地選用集成電路并能熟練使用CAD軟件。考慮到以上形勢，編寫本書旨在較全面地介紹通信電路的有關(guān)知識，為集成電路和整機設(shè)計工作打好基礎(chǔ)。
本書的特點是注重培養(yǎng)扎實的專業(yè)基礎(chǔ)，從通信系統(tǒng)框圖著手，系統(tǒng)地介紹通信電路的基礎(chǔ)知識和各單元電路的基本原理與實現(xiàn)方法，強調(diào)對基本概念的理解與運用，全書的內(nèi)容與應(yīng)用的結(jié)合比較緊密，理論與實踐的結(jié)合也比較緊密，并有一定的電路設(shè)計實例和仿真分析。
第1章為緒論，通過對通信機框圖的介紹，使讀者了解通信電路的主要功能以及各種功能電路在整機中所處的位置。
第2章為選頻網(wǎng)絡(luò)、阻抗變換與阻抗匹配，突出了單諧振回路的阻抗變換和阻抗匹配功能。電路分析時應(yīng)用了電網(wǎng)絡(luò)的對偶原理，在末尾簡單介紹了各種濾波器的工作原理和適用頻率。
第3章為傳輸線和Smith圖，這是分析分布參數(shù)電路必備的知識，進一步介紹了用Smith圖實現(xiàn)阻抗匹配的方法，為后面講述放大器打基礎(chǔ)。傳輸線變壓器是寬帶阻抗匹配和功率合成的主要部件，因而一并在本章介紹。
第4章為雙端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和穩(wěn)定性，主要為下一章放大器設(shè)計打基礎(chǔ)。在此講述了Y參數(shù)和S參數(shù)以及相關(guān)的穩(wěn)定性判據(jù)。用信號流圖的方法配合S參數(shù)進行電路分析可使過程簡單，分析結(jié)果明了，因而在4.5節(jié)簡單介紹了信號流圖。定向耦合器本屬多端口網(wǎng)絡(luò)，由于它是S參數(shù)測量中必須采用的器件，因此在附錄4A著重分析了由傳輸線變壓器構(gòu)成的定向耦合器的原理，用這種定向耦合器可以構(gòu)成有線電視網(wǎng)絡(luò)中的分支器。
放大器的分析放在第5、6兩章，第5章的分析重點在于最大功率傳輸和穩(wěn)定性，第6章的出發(fā)點在于減小噪聲系數(shù)，有關(guān)噪聲的基礎(chǔ)知識也放在第6章介紹。
第7章介紹非線性電阻電路的常用工程分析方法。通過冪級數(shù)分析法解釋了非線性壓縮或擴張、交調(diào)、互調(diào)等電路現(xiàn)象，用折線分析法分析了二極管包絡(luò)檢波、功率放大和倍頻器，在介紹非線性時變電路后分析了各種混頻器，模擬四象限乘法器可用于較低頻率的混頻、同步檢波、鑒頻及可控增益放大，因而將此內(nèi)容安排在本章。
第8章為正弦波振蕩器，除了LC振蕩器、RC振蕩器等一般內(nèi)容外，還加入了用S參數(shù)分析潛在不穩(wěn)定雙端口網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生振蕩的條件，并分析了相位噪聲的產(chǎn)生機理以及相位噪聲的功率譜密度曲線。
第9章為振幅調(diào)制與解調(diào)，第10章為角度調(diào)制與解調(diào)，考慮到本課程有可能安排在“通信原理”課程前面，因而在每章前面首先講述信號。目前調(diào)制與解調(diào)均用集成電路實現(xiàn)，因而在電路講述時側(cè)重于方法的介紹，像二極管包絡(luò)檢波器、斜率鑒頻器一類電路在實際中已很少用到，將它們留在教材中是考慮到內(nèi)容的完整性。
第11章為反饋控制電路和頻率合成，介紹了AGC、AFC和PLL以及鎖相環(huán)頻率合成器，重點放在PLL和頻率合成部分。反饋控制電路均是非線性電路，因而以定性分析為主，配以一定的電路實例和設(shè)計實踐。
第12章為收發(fā)信機整體設(shè)計介紹，講述了收發(fā)信機的各種技術(shù)指標、發(fā)射機和接收機的各種技術(shù)方案，最后是設(shè)計實例。
本書涉及高頻電路、微帶電路、電網(wǎng)絡(luò)分析等內(nèi)容，教學(xué)時可根據(jù)實際情況選用。建議教學(xué)學(xué)時為64學(xué)時。
學(xué)習(xí)本教材須具備電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)、概率論與隨機過程的基礎(chǔ)知識。本書適用于大學(xué)本科的教學(xué)，也可供相關(guān)工程技術(shù)人員參考。
本書的前7章為吳老師任教時編寫，孫冬艷老師接任教學(xué)后完成了后5章，全書的繪圖和計算機錄入由孫冬艷老師完成。另外，孫老師在最后增加了各章小結(jié)并補充增加了前7章的習(xí)題。
由于編者業(yè)務(wù)水平有限，加之編寫時間緊迫，因而教材中難免有不足之處，懇請專家和讀者批評指正。
教材編寫得到了南開大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院的支持，特此表示感謝。
編者2017年5月
吳嶽 1968年畢業(yè)于清華大學(xué)無線電電子學(xué)系，南開大學(xué)通信工程系教授。
孫冬艷 2011年獲得南開大學(xué)原信息技術(shù)科學(xué)學(xué)院博士學(xué)位，現(xiàn)為南開大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院通信工程系教師。
目錄
第1章緒論
1.1無線通信系統(tǒng)的組成
1.1.1通信系統(tǒng)的組成
1.1.2無線通信收發(fā)信機的框圖
1.2無線電頻率劃分和電波傳播
本章小結(jié)
習(xí)題與思考題
第2章選頻網(wǎng)絡(luò)、阻抗變換與阻抗匹配
2.1單諧振回路
2.1.1串聯(lián)諧振回路
2.1.2并聯(lián)諧振回路
2.1.3信號源內(nèi)阻和負載電阻對諧振回路的影響
2.2串并聯(lián)阻抗等效互換與阻抗變換
2.2.1電阻與電抗串并聯(lián)的等效互換
2.2.2電抗回路和支路抽頭時電阻變換關(guān)系及電源等效電路
2.3匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計之一
2.3.1L型匹配網(wǎng)絡(luò)
2.3.2T型和Π型匹配網(wǎng)絡(luò)
2.4雙耦合諧振回路
2.4.1雙耦合諧振回路的電路形式
2.4.2耦合回路的頻率特性
2.5其他形式選頻器件
2.5.1濾波器主要性能指標
2.5.2LC集中選擇性濾波器
2.5.3石英晶體諧振器與晶體濾波器
2.5.4陶瓷濾波器和聲表面波濾波器
本章小結(jié)
附錄2A調(diào)幅波通過諧振回路的失真
附錄2B電抗曲線和電納曲線
習(xí)題與思考題
第3章傳輸線和Smith圖
3.1均勻傳輸線上電磁能量傳輸定理
3.1.1電報方程及其解
3.1.2無損耗均勻傳輸線
3.2均勻傳輸線接負載后的電特性
3.2.1反射系數(shù)、終接負載傳輸線上任意一點的視入阻抗
3.2.2駐波、駐波系數(shù)及行波系數(shù)
3.2.3幾種情況討論
3.2.4電壓入射波計算
3.3Smith圖
3.3.1Smith阻抗圓圖
3.3.2Smith導(dǎo)納圓圖
3.4阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計之二
3.4.1用Smith圖設(shè)計集中參數(shù)阻抗匹配
3.4.2用Smith圖設(shè)計分布參數(shù)匹配電路
3.4.3短傳輸線和集中參數(shù)元件間的等效
3.4.4傳輸線變壓器及寬帶阻抗匹配
本章小結(jié)
習(xí)題與思考題
第4章雙端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和穩(wěn)定性
4.1概述
4.2雙端口網(wǎng)絡(luò)的Y參數(shù)
4.2.1雙端口網(wǎng)絡(luò)的短路導(dǎo)納參數(shù)
4.2.2不定導(dǎo)納矩陣與不同組態(tài)Y參數(shù)間轉(zhuǎn)換
4.3散射參數(shù)
4.3.1單端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)
4.3.2多端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)及歸一化散射矩陣
4.3.3雙端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)
4.3.4歸一化入射和反射分量及S參數(shù)的物理意義
4.3.5散射參數(shù)的測量
4.4雙端口網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性
4.4.1雙端口網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的概述
4.4.2Y參數(shù)絕對穩(wěn)定條件
4.4.3S參數(shù)絕對穩(wěn)定條件
4.5信號流圖
4.5.1信號流圖基本概念
4.5.2散射參數(shù)信號流圖
本章小結(jié)
附錄4A定向耦合器
附錄4B有關(guān)公式的推導(dǎo)
附錄4B.1式(4119)和式(4120)的推導(dǎo)
附錄4B.2式(4124)的推導(dǎo)
附錄4B.3|Г2S|>ρ2S和|Г2S|<ρ2S條件推導(dǎo)
習(xí)題與思考題
第5章放大器
5.1概述
5.1.1雙端口網(wǎng)絡(luò)的有源性
5.1.2放大器設(shè)計時要考慮的主要問題
5.1.3射頻放大器的分類及主要指標
5.1.4晶體管和場效應(yīng)管的高頻等效電路
5.2集中參數(shù)中頻放大器和高頻放大器的電路實例
5.2.1集中參數(shù)中頻放大器
5.2.2集中參數(shù)高頻小信號放大器
5.3Y參數(shù)小信號放大器設(shè)計
5.3.1單向化及單向化小信號放大器分析
5.3.2一般小信號放大器分析
5.4S參數(shù)小信號放大器設(shè)計
5.4.1S參數(shù)小信號放大器的一般分析
5.4.2最佳負載反射系數(shù)
5.4.3輸入、輸出同時共軛匹配的情況
5.4.4等功率增益圓
5.4.5潛在不穩(wěn)定情況下放大器的設(shè)計
5.4.6轉(zhuǎn)換器功率增益與輸入阻抗匹配
5.4.7資用功率增益和等資用功率增益圓
本章小結(jié)
附錄5A有關(guān)公式的推導(dǎo)
附錄5A.1式(570)第二項取減號的說明
附錄5A.2式(576)的推導(dǎo)
附錄5A.3從g20求ГLm
附錄5A.4式(5107)的推導(dǎo)
習(xí)題與思考題
第6章噪聲及低噪聲放大器
6.1噪聲的統(tǒng)計描述，元器件內(nèi)部噪聲
6.1.1噪聲的統(tǒng)計描述
6.1.2熱噪聲
6.1.3散彈噪聲
6.1.4閃爍噪聲
6.1.5雙極晶體管和場效應(yīng)管的噪聲及噪聲模型
6.2噪聲電路計算、雙端口網(wǎng)絡(luò)噪聲參數(shù)
6.2.1電阻串并聯(lián)的噪聲計算
6.2.2噪聲通過網(wǎng)絡(luò)時的計算
6.2.3雙端口網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲帶寬
6.2.4噪聲系數(shù)
6.2.5等效噪聲溫度
6.2.6噪聲系數(shù)的測量
6.3低噪聲放大器設(shè)計
6.3.1雙端口網(wǎng)絡(luò)的最佳信源阻抗和最小噪聲系數(shù)
6.3.2低噪聲放大器設(shè)計
本章小結(jié)
附錄6A單調(diào)諧回路的等效噪聲帶寬計算
附錄6B等噪聲系數(shù)圓推導(dǎo)
習(xí)題與思考題
第7章非線性電路及其分析方法
7.1概述
7.2非線性電路的基本概念與非線性元件
7.2.1非線性電路的基本概念
7.2.2非線性電阻及其性能描述
7.2.3非線性電感和非線性電容
7.2.4非線性電路的分類
7.3非線性電阻電路的冪級數(shù)分析法
7.3.1冪級數(shù)分析法
7.3.2非線性壓縮或擴張、交調(diào)和互調(diào)
7.3.31dB壓縮點和三階交截點
7.3.4非線性產(chǎn)物的一般規(guī)律
7.4折線分析法及其應(yīng)用
7.4.1二極管包絡(luò)檢波器電路分析
7.4.2諧振功率放大器的折線分析法
7.4.3倍頻器
7.5雙極型四象限模擬乘法器
7.6混頻器和線性時變參量電路
7.6.1雙極晶體管混頻器
7.6.2二極管混頻器
本章小結(jié)
附錄7A余弦脈沖系數(shù)表
習(xí)題與思考題
第8章正弦波振蕩器
8.1反饋振蕩器的基本原理
8.1.1LCR回路的暫態(tài)過程
8.1.2反饋振蕩器的基本組成
8.1.3振蕩平衡條件
8.1.4振蕩器的起振條件
8.1.5振蕩器的穩(wěn)定條件
8.2LC正弦波振蕩器
8.2.1三端式振蕩器
8.2.2互感耦合振蕩器
8.3石英晶體振蕩器
8.3.1并聯(lián)型晶體振蕩器
8.3.2串聯(lián)型晶體振蕩器
8.3.3用TTL電路構(gòu)成晶體振蕩器
8.4RC正弦波振蕩器
8.4.1RC相移振蕩器
8.4.2文氏橋振蕩器
8.5負阻振蕩器
8.5.1負阻的概念
8.5.2負阻振蕩的原理
8.5.3潛在不穩(wěn)定雙端口網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成振蕩器
8.6幾種特殊的振蕩現(xiàn)象
8.6.1寄生振蕩
8.6.2間歇振蕩
8.6.3頻率牽引
8.7振蕩器的頻率穩(wěn)定
8.7.1頻率穩(wěn)定度的表示
8.7.2影響振蕩器穩(wěn)定的因素
8.7.3振蕩器的穩(wěn)頻措施
8.7.4振蕩器的相位噪聲
本章小結(jié)
習(xí)題與思考題
第9章振幅調(diào)制與解調(diào)
9.1調(diào)幅信號分析
9.1.1普通調(diào)幅
9.1.2雙邊帶調(diào)幅
9.1.3單邊帶調(diào)幅
9.2調(diào)幅電路
9.2.1高電平調(diào)制
9.2.2二極管調(diào)制電路
9.2.3模擬乘法器調(diào)制電路
9.2.4單邊帶調(diào)制電路
9.3振幅解調(diào)電路
9.3.1振幅解調(diào)電路的質(zhì)量指標
9.3.2二極管包絡(luò)檢波器
9.3.3同步檢波
9.4正交平衡調(diào)幅
本章小結(jié)
習(xí)題與思考題
第10章角度調(diào)制與解調(diào)
10.1角度調(diào)制信號的分析
10.1.1調(diào)頻波和調(diào)相波的表示式
10.1.2調(diào)頻波和調(diào)相波的頻譜和頻帶寬度
10.2調(diào)頻信號的產(chǎn)生
10.2.1調(diào)頻的性能指標
10.2.2調(diào)頻信號的產(chǎn)生方法
10.2.3擴大調(diào)頻器線性頻偏的方法
10.2.4直接調(diào)頻電路
10.3調(diào)相信號的產(chǎn)生
10.3.1矢量合成法
10.3.2可變移相法
10.3.3可變延時法
10.4調(diào)頻信號的解調(diào)
10.4.1鑒頻方法與鑒頻特性
10.4.2斜率鑒頻器
10.4.3正交鑒頻器
本章小結(jié)
習(xí)題與思考題
第5章
CHAPTER 5
放大器
5.1概述
第2章圖21畫出了電子電路的構(gòu)成，它是由有源器件和匹配網(wǎng)絡(luò)組成的，放大器也不例外，也由這兩部分構(gòu)成。第2章研究了集中參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)，第3章研究了分布參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)，第4章研究的雙端口網(wǎng)絡(luò)實際上是有源器件的線性等效電路，現(xiàn)在可以著手研究射頻放大器了。
5.1.1雙端口網(wǎng)絡(luò)的有源性
在討論放大器之前，首先要知道什么樣的器件具有放大作用。這里涉及器件的有源性(Activity)的問題，一般放大器件用雙端口網(wǎng)絡(luò)即可等效，因而這里只討論雙端口網(wǎng)絡(luò)的有源性。結(jié)論很容易推廣到多端口網(wǎng)絡(luò)。
能用來放大信號功率或用作振蕩器的電路稱有源電路。無源電路不能用來放大功率或?qū)崿F(xiàn)持續(xù)振蕩。由線性時不變電阻、電感和電容構(gòu)成的電路是無源電路(Passive Circuits)。
晶體管或場效應(yīng)管在小信號工作時，若進入它所有端口的某一頻率信號的平均功率為零或大于零，則稱它為無源的，平均功率為零時稱為無損的，平均功率大于零時稱為有損的。若進入所有端口的某一頻率信號的總平均功率小于零，則稱該晶體管或場效應(yīng)管在此頻率為有源的。由于在某工作頻率上小信號工作的晶體管或場效應(yīng)管可以用參數(shù)與工作頻率相對應(yīng)的雙端口線性網(wǎng)絡(luò)等效，因此下面直接來研究雙端口網(wǎng)絡(luò)。
進入雙端口網(wǎng)絡(luò)的兩個端口的總平均信號功率為
P=|V1||I1|cos1+|V2||I2|cos2
或
P=ReV1I1+ReV2I2=ReV1I1+ReV2I2
這樣有
P=12(V1I1+V1I1)+12(V2I2+V2I2)(51)
重新組合式(51)：
P=12(V1I1+V2I2)+12(V1I1+V2I2)(52)
用矩陣形式可表示為
P=12［V］T［I］+12［I］T［V］(53)
式中上標T表示轉(zhuǎn)置，矢量均為列矢量，在某工作點和具體的工作頻率，有
［I］=［Y］［V］和［I］T=［V］T［Y］T(54)
代入式(53)可得
P=12［V］T［Y］［V］+12［V］T［Y］T［V］
=［V］T12(［Y］+［Y］T)［V］
=［V］T［YH］［V］(55)
式(55)中
［YH］=12(［Y］+［Y］T)(56)
矩陣［YH］稱作埃爾米特(Hermite)矩陣。式(55)的矩陣形式稱為功率P的埃爾米特型(Hermite Form)。由式(55)可知，對于無源網(wǎng)絡(luò)，埃爾米特型必須是半正定的。
令雙端口網(wǎng)絡(luò)的Y參數(shù)為
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