射頻電路框圖

『壹』 浙大考研 (844)信號與電路基礎 的內容和重點

《信號與電路基礎》(科目代碼844)考試大綱
特別提醒：本考試大綱僅適合2009年碩士研究生入學考試。該門課程包括四部
分內容，（－）信號與系統部分，佔70分；（二）數字電路部分，佔40分；（三）高頻（射頻）電路部分，佔40分。

（一） 信號系統部分
1． 考研建議參考書目
於慧敏等編著《信號與系統》，化學工業出版社。
2． 基本要求
要求學生掌握用基本信號（單位沖激、復指數信號等）分解一般信號的數學表示和信號分析法；掌握LTI系統分析的常用模型（常系數線性微分、差分方程、卷積表示、系統函數及模擬框圖等）；掌握信號與系統分析的時域法和變換域法。要求學生掌握信號與系統分析的一些重要概念和信號與系統的基本性質，熟練掌握信號與系統的基本運算；掌握信號與系統概念的工程應用及方法：調制、采樣、濾波、抽取和內插；掌握連續時間信號的離散化處理的原理和基本設計方法。

一．信號與系統的基本概念
（1）連續時間與離散時間的基本信號
（2）信號的運算與自變數變換
（3）系統的描述與基本性質
二．LTI系統的時域分析
（1）連續時間LTI系統的時域分析：卷積積分，卷積性質
（2）離散時間LTI系統的時域分析：卷積和，卷積性質
（3）零輸入、零狀態響應，單位沖激響應
（4）LTI系統的基本性質
（5）用微分方程、差分方程表徵的LTI系統的框圖表示
三．連續時間信號與系統的頻域分析
（1）連續時間LTI系統的特徵函數
（2）連續時間周期信號的傅里葉級數表示
（3）非周期信號連續時間的傅里葉變換
（4）傅里葉變換性質
（5）連續時間LTI系統頻率響應，連續時間LTI系統的頻域分析
（6）信號濾波、理想低通濾波器
四. 離散時間信號與系統的頻域分析
（1）離散時間LTI系統的特徵函數
（2）離散時間周期信號的傅立葉級數表示
（3）非周期離散時間信號的傅立葉變換
（4）離散時間傅立葉變換的性質
（5）離散時間LTI系統的頻率響應，離散時間LTI系統的頻域分析
五．采樣、調制與通信系統
（1）連續時間信號的時域采樣定理
（2）欠采樣與頻譜混疊
（3）離散時間信號的時域采樣定理，離散時間信號的抽取和內插
（4）連續時間LTI系統的離散時間實現
（5）連續時間信號正弦載波幅度調制與頻分復用
（6）脈沖幅度載波調制與時分復用
（7）離散時間信號正弦載波幅度調制。
六. 信號與系統的復頻域分析
（1）雙邊拉氏變換，拉氏變換的收斂域、零極點
（2）常用信號的拉氏變換對
（3）拉氏變換性質
（4）拉氏反變換
（5）單邊拉氏變換及其性質
（6）系統函數、連續時間LTI系統的復頻域分析
七．離散時間信號與系統的Z域分析
（1）雙邊Z變換定義，離散時間Z變換的收斂域、零極點圖
（2）Z變換性質
（3）常用信號的Z變換對
（4）Z反變換
（5）單邊Z變換及其性質
（6）系統函數，離散時間LTI系統的Z域分析

（二）數字電路部分
1． 考研建議參考書目
1.«數字電子技術基礎» 第五版 閻 石 主編 高等教育出版社
2． 基本要求
1．掌握二進制、十進制及其相互轉換方法；掌握8421 BCD碼、2421 BCD碼、餘3碼和餘3循環碼的編碼方法；掌握格雷碼的編碼規律、格雷碼與二進制相互轉換方法。
2．掌握邏輯代數的基本運算、基本定律和基本規則；掌握邏輯函數的標准形式；掌握邏輯函數的公式法化簡方法和卡諾圖化簡方法；掌握邏輯函數的各種表示方法及其相互之間的轉換。
3．熟悉CMOS集成門電路和TTL集成門電路的電路組成和原理；掌握 CMOS電路和TTL電路的主要參數的物理意義、輸入輸出特性和輸入輸出等效電路；掌握集成電路使用的注意事項。
4．掌握組合邏輯電路的分析和設計；熟悉組合邏輯的競爭和冒險。
5．掌握組合邏輯模電路（優先編碼器、解碼器、數據選擇器、加法器和比較器）的電路功能、邏輯關系、擴展和應用。
6．掌握各種觸發器（基本RS、時鍾RS、主從JK、邊沿JK、邊沿D和邊沿T）的狀態轉換真值表、狀態轉換方程、激勵方程、狀態轉換圖和各種觸發器的電路符號；掌握觸發器的動態特性。
7．掌握同步時序電路的分析過程；掌握同步時序電路的設計；掌握寄存器、二進制計數器、十進制同步計數器、可逆計數器和移位寄存器電路功能，掌握這些器件的應用；了解常用非同步計數器的功能和應用。
8．掌握用計數器實現控制器和序列信號發生器等常用時序電路的方法。
9．掌握數模、模數轉換的原理和應用。
10．熟悉半導體存儲器組成原理和應用，掌握存儲器容量擴展方法。
11. 掌握脈沖波形變換電路和脈沖波產生電路。

（三）高頻（射頻）電路部分
1．考研建議參考書目
陳邦媛著《射頻通信電路（第二版）》，科學出版社。
2．基本要求
（1）掌握發射機，超外差式接收機射頻部分的結構框圖，各部件功能與主要性能指標。
（2）掌握射頻電路設計的主要基礎知識：
a) LC串並聯諧振迴路：諧振頻率，諧振阻抗，Q值，幅頻特性及相頻特性。
b) 阻抗變換：理想變壓器阻抗變換，電抗部分接入阻抗變換，L網路阻抗變換，傳輸線變壓器阻抗變換。
c) 有關雜訊的基本知識：電阻熱雜訊，雜訊系數，雜訊溫度，多級線性網路級連總雜訊系數。
d) 非線性器件在頻譜搬移中的作用：主要掌握線性時變工作的特點。
（3）從時域和頻域兩方面理解模擬調幅（AM，DSB，SSB）及調頻的概念：表達式，波形，
調制指數，頻譜結構，帶寬，功率。
（4） 低雜訊放大器的主要性能指標。
（5） 混頻器的主要性能指標，三種主要形式混頻器（單管，Gilbert乘法器，二極體）的原理分析，變頻增益計算。
（6） 反饋型振盪器的三個基本條件（起振，平衡，穩定），LC振盪電路（互感耦合，三點式），石英晶體振盪電路及變容管壓控振盪電路分析。
（7） 鎖相環的基礎知識：環路組成，環路方程，鎖定特徵，跟蹤性能的分析方法。
（8） 幅度調制與解調電路：
a) 幅度調制的基本實現方框圖。
b) 包絡檢波與同步檢波（乘積型，迭加型）的原理電路分析。
（9） 調頻與解調電路：
a) 變容二極體直接調頻電路分析。
b) 幾種常見的鑒頻電路（斜率鑒頻，正交鑒頻）的原理分析。
（10） 三類常用的功率放大電路（A類，B類，C類）的特點，電流電壓波形，效率。會用簡單的L網路進行放大器與負載間的阻抗變換。

『貳』 石英晶振的石英晶體原理

石英晶體提供了兩種共振模式，由 C1 與 L1 構成的串聯共振，與由 C0、C1 與 L1 構成的並聯共振。
對於一般的 MHz 級石英晶體而言，串聯共振頻率一般會比並聯共振頻率低若干 KHz。 頻率在 30 MHz 以下的石英晶體，通常工作時的頻率處於串聯共振頻率與並聯共振頻率之間，此時石英晶體呈現電感性阻抗。因為，外部電路上的電容會把電路的振盪頻率拉低一些。在設計石英晶體振盪電路時，也應令電路上的雜散電容與外加電容合計値與晶體廠商使用的負載電容值相同，振盪頻率才會准確符合廠商的規格。
頻率在 30 MHz 以上（到 200 MHz）的石英晶體，通常工作於串聯共振模式，工作時的阻抗處於最低點，相當於 Rs 。 此種晶體通常標示串聯電阻（ < 100 Ω ）而非並聯負載電容。 為了達到高的振盪頻率，石英晶體會振盪在它的一個諧波頻率上，此諧波頻率是基頻的整數倍。 只使用奇數次諧波，例如 3 倍、 5 倍、與 7 倍的泛音晶體。 要達到所要的振盪頻率，振盪電路上會加入額外的電容器與電感器，以選擇出所需的頻率。 石英晶體振盪器分非溫度補償式晶體振盪器、溫度補償晶體振盪器（TCXO）、電壓控制晶體振盪器（VCXO）、恆溫控制式晶體振盪器（OCXO）和數字化/μp補償式晶體振盪器（DCXO/MCXO）等幾種類型。其中，無溫度補償式晶體振盪器是最簡單的一種，在日本工業標准(JIS)中，稱其為標准封裝晶體振盪器（SPXO）。現以SPXO為例，簡要介紹一下石英晶體振盪器的結構與工作原理。
石英晶體，有天然的也有人造的，是一種重要的壓電晶體材料。石英晶體本身並非振盪器，它只有藉助於有源激勵和無源電抗網路方可產生振盪。SPXO主要是由品質因數（Q）很高的晶體諧振器（即晶體振子）與反饋式振盪電路組成的。石英晶體振子是振盪器中的重要元件，晶體的頻率（基頻或n次諧波頻率）及其溫度特性在很大程度上取決於其切割取向。石英晶體諧振器的基本結構、（金屬殼）封裝及其等效電路如圖1所示。
只要在晶體振子板極上施加交變電壓，就會使晶片產生機械變形振動，此現象即所謂逆壓電效應。當外加電壓頻率等於晶體諧振器的固有頻率時，就會發生壓電諧振，從而導致機械變形的振幅突然增大。在圖1（c）所示的晶體諧振器的等效電路中，Co為晶片
(a)石英晶體振子的結構
（b）金屬殼封裝示圖（c）等效電路
與金屬板之間的靜電電容；L、C為壓電諧振的等效參量；R為振動磨擦損耗的等效電阻。石英晶體諧振器存在一個串聯諧振頻率fos（1/2π），同時也存在一個並聯諧振頻率fop（1/2π)。由於Co?C，fop與fos之間之差值很小，並且R?ωOL，R?1/ωOC，所以諧振電路的品質因數Q非常高（可達數百萬），從而使石英晶體諧振器組成的振盪器頻率穩定度十分高，可達10－12/日。石英晶體振盪器的振盪頻率既可近似工作於fos處，也可工作在fop附近，因此石英晶體振盪器可分串聯型和並聯型兩種。用石英晶體諧振器及其等效電路，取代LC振盪器中構成諧振迴路的電感（L）和電容（C）元件，則很容易理解晶體振盪器的工作原理。
SPXO的總精度（包括起始精度和隨溫度、電壓及負載產生的變化）可以達到±25ppm。SPXO既無溫度補償也無溫度控制措施，其頻率溫度特性幾乎完全由石英晶體振子的頻率溫度特性所決定。在0～70℃范圍內，SPXO的頻率穩定度通常為20～1000ppm，SPXO可以用作鍾頻振盪器。 TCXO是通過附加的溫度補償電路使由周圍溫度變化產生的振盪頻率變化量削減的一種石英晶體振盪器。
1TCXO的溫度補償方式
CXO，對石英晶體振子頻率溫度漂移的補償方法主要有直接補償和間接補償兩種類型：
（1）直接補償型
直接補償型TCXO是由熱敏電阻和阻容元件組成的溫度補償電路，在振盪器中與石英晶體振子串聯而成的。在溫度變化時，熱敏電阻的阻值和晶體等效串聯電容容值相應變化，從而抵消或削減振盪頻率的溫度漂移。該補償方式電路簡單，成本較低，節省印製電路板（PCB）尺寸和空間，適用於小型和低壓小電流場合。但當要求晶體振盪器精度小於±1pmm時，直接補償方式並不適宜。
（2）間接補償型
間接補償型又分模擬式和數字式兩種類型。模擬式間接溫度補償是利用熱敏電阻等溫度感測元件組成溫度－電壓變換電路，並將該電壓施加到一支與晶體振子相串接的變容二極體上，通過晶體振子串聯電容量的變化，對晶體振子的非線性頻率漂移進行補償。該補償方式能實現±0.5ppm的高精度，但在3V以下的低電壓情況下受到限制。數字化間接溫度補償是在模擬式補償電路中的溫度—電壓變換電路之後再加一級模/數（A/D）變換器，將模擬量轉換成數字量。該法可實現自動溫度補償，使晶體振盪器頻率穩定度非常高，但具體的補償電路比較復雜，成本也較高，只適用於基地站和廣播電台等要求高精度化的情況。
2.TCXO發展現狀
TCXO在近十幾年中得到長足發展，其中在精密TCXO的研究開發與生產方面，日本居領先和主宰地位。在70年代末汽車電話用TCXO的體積達20?以上，主流產品降至0.4?，超小型化的TCXO器件體積僅為0.27?。在30年中，TCXO的體積縮小了50餘倍乃至100倍。日本京陶瓷公司採用迴流焊接方法生產的表面貼裝TCXO厚度由4mm降至2mm，在振盪啟動4ms後即可達到額定振盪幅度的90%。金石（KSS）集團生產的TCXO頻率范圍為2～80MHz，溫度從－10℃到60℃變化時的穩定度為±1ppm或±2ppm；數字式TCXO的頻率覆蓋范圍為0.2～90MHz，頻率穩定度為±0.1ppm（－30℃～+85℃）。日本東澤通信機生產的TCO－935/937型片式直接溫補型TCXO，頻率溫度特性（點頻15.36MHz）為±1ppm/－20～+70℃，在5V±5%的電源電壓下的頻率電壓特性為±0.3ppm，輸出正弦波波形（幅值為1VPP），電流損耗不足2mA，體積1?，重量僅為1g。PiezoTechnology生產的X3080型TCXO採用表面貼裝和穿孔兩種封裝，正弦波或邏輯輸出，在－55℃～85℃范圍內能達到±0.25～±1ppm的精度。國內的產品水平也較高，如北京瑞華欣科技開發有限公司推出的TCXO（32～40MHz）在室溫下精度優於±1ppm，第一年的頻率老化率為±1ppm，頻率（機械）微調≥±3ppm，電源功耗≤120mw。前高穩定度的TCXO器件，精度可達±0.05ppm。
高精度、低功耗和小型化，仍然是TCXO的研究課題。在小型化與片式化方面，面臨不少困難，其中主要的有兩點：一是小型化會使石英晶體振子的頻率可變幅度變小，溫度補償更加困難；二是片式封裝後在其迴流焊接作業中，由於焊接溫度遠高於TCXO的最大允許溫度，會使晶體振子的頻率發生變化，若不採限局部散熱降溫措施，難以將TCXO的頻率變化量控制在±0.5×10－6以下。但是，TCXO的技術水平的提高並沒進入到極限，創新的內容和潛力仍較大。
3.TCXO的應用
石英晶體振盪器的發展及其在無線系統中的應用
（a）
(b)
圖2移動通信機電路框圖及其TCXO外觀
由於TCXO具有較高的頻率穩定度，而且體積小，在小電流下能夠快速啟動，其應用領域重點擴展到移動通信系統。
圖2（a）為移動通信機射頻（RF）電路框圖。TCXO作為基準振盪器為發送信道提供頻率基準，同時作為接收通道的第一級本機振盪器；另一隻TCXO作為第2級本機振盪器，將其振盪信號輸入到第2變頻器。行動電話要求的頻率穩定度為0.1～2.5ppm（－30～+75℃），但出於成本上的考慮，通常選用的規格為1.5～2.5ppm。行動電話用12～20MHz的TCXO代表性產品之一是VC－TCXO－201C1，採用直接補償方式，外觀如圖2（b）所示，由日本金石（KSS）公司生產。 電壓控制晶體振盪器（VCXO），是通過施加外部
控制電壓使振盪頻率可變或是可以調制的石英晶體振盪器。在典型的VCXO中，通常是通過調諧電壓改變變容二極體的電容量來「牽引」石英晶體振子頻率的。VCXO允許頻率控制范圍比較寬，實際的牽引度范圍約為±200ppm甚至更大。
如果要求VCXO的輸出頻率比石英晶體振子所能實現的頻率還要高，可採用倍頻方案。擴展調諧范圍的另一個方法是將晶體振盪器的輸出信號與VCXO的輸出信號混頻。與單一的振盪器相比，這種外差式的兩個振盪器信號調諧范圍有明顯擴展。
在移動通信基地站中作為高精度基準信號源使用的VCXO代表性產品是日本精工·愛普生公司生產的VG－2320SC。這種採用與IC同樣塑封的4引腳器件，內裝單獨開發的專用IC，器件尺寸為12.6mm×7.6mm×1.9mm，體積為0.19?。其標准頻率為12～20MHz，電源電壓為3.0±0.3V，工作電流不大於2mA，在－20～+75℃范圍內的頻率穩定度≤±1.5ppm，頻率可變范圍是±20～±35ppm，啟動振盪時間小於4ms。金石集團生產的VCXO，頻率覆蓋范圍為10～360MHz，頻率牽引度從±60ppm到±100ppm。VCXO封裝發展趨勢是朝SMD方向發展，並且在電源電壓方面盡可能採用3.3V。日本東洋通信機生產的TCO－947系列片式VCXO，早在90年代中期前就應用於汽車電話系統。該系列VCXO的工作頻率點是12.8MHz、13MHz、14.5MHz和15.36MHz，頻率溫度特性±2.5ppm/－30～+75℃，頻率電壓特性±0.3ppm/5V±5%，老化特性±1ppm/年，內部採用SMD/SMC，並採用激光束和汽相點焊方式封裝，高度為4mm。日本富士電氣化學公司開發的個人手持電話系統（PHS）等移動通信用VCXO，共有兩大類六個系列，為適應SMT要求，全部採用SMD封裝。Saronix的S1318型、Vectron國際公司的J型、Champion技術公司的K1526型和Fordahi公司的DFVS1－KH/LH等VCXO，均是表面貼裝器件，電源電壓為3.3V或5V，可覆蓋的頻率范圍或最高頻率分別為32～120MHz、155MHz、2～40MHz和1－50MHz，牽引度從±25ppm到±150ppm不等。MF電子公司生產的T－VCXO系列產品尺寸為5mm×7mm，曾被業內認為是外形尺寸最小的產品，但這個小型化的記錄很快被打破。新推出的雙頻終端機用VCXO尺寸僅為5.8mm×4.8mm，並且有的內裝2隻VCXO。Raltron電子公司生產的VX－8000系
圖3壓控SAW振盪器內部結構
圖4OCXO內部結構示圖
列表面貼裝VCXO，採用引線封裝時高度為0.185英寸，採用扁平封裝時僅為0.15英寸，工作頻率可在1～160MHz內選擇，標准頻率調整范圍為±100ppm，線性度優於±10%，穩定度優於±25ppm/0～70℃，老化率為±2ppm/年，輸出負載達10個LSTTL（單價達10美元以上）。
於1998年7月上市的單價2000日元的UCV4系列壓控振盪器（VCO），面向全球移動通信系統（GSM）和個人數字蜂窩電話（PDC），可用頻率范圍為650～1700MHz，電源電壓為2.2～3.3V，尺寸僅為4.8mm×5.5mm×1.9mm，體積為0.05?，重量0.12g。
日本精工·愛普生公司利用ST切型晶片製作的聲表面波（SAW）諧振器（Q≌2000），型號為FS－555，用4.8mm×5.2mm×1.5mm陶瓷容器包封，振盪頻率范圍達250～500MHz，頻率初始偏差為±25～100ppm，在－20～60℃范圍內的頻率穩定度是±27ppm，老化率為±10ppm/年。利用FS－555組成的壓控SAW振盪器內部結構如圖3所示。欲擴大頻率調節范圍，可加大串聯電感Lo的電感量。由於SAW諧振器的頻率可達2GHz以上，為壓控SAW振盪器（VCSO）的高頻化提供了一條重要途徑。 CXO是利用恆溫槽使晶體振盪器或石英晶體振子的溫度保持恆定，將由周圍溫度變化引起的振盪器輸出頻率變化量削減到最小的晶體振盪器，其內部結構如圖4所示。在OCXO中，有的只將石英晶體振子置於恆溫槽中，有的是將石英晶體振子和有關重要元器件置於恆溫槽中，還有的將石英晶體振子置於內部的恆溫槽中，而將振盪電路置於外部的恆溫槽中進行溫度補償，實行雙重恆溫槽控製法。利用比例控制的恆溫槽能把晶體的溫度穩定度提高到5000倍以上，使振盪器頻率穩定度至少保持在1×10－9。OCXO主要用於移動通信基地站、國防、導航、頻率計數器、頻譜和網路分析儀等設備、儀表中。
OCXO是由恆溫槽控制電路和振盪器電路構成的。通常人們是利用熱敏電阻「電橋」構成的差動串聯放大器，來實現溫度控制的。具有自動增益控制（AGC）的（C1app）振盪電路，獲得振盪頻率高穩定度的比較理想的技術方案。
在近幾年中，OCXO的技術水平有了很大的提高。日本電波工業公司開發的新器件功耗僅為老產品的1/10。在克服OCXO功耗較大這一缺點方面取得了重大突破。該公司使用應力補償切割（SCCut）石英晶體振子製作的OCXO，與使用AT切形石英晶體振子的OCXO比較，具有高得多的頻率穩定度和非常低的相位雜訊。相位雜訊是指信號功率與雜訊功率的比率（C/N），是表徵頻率顫抖的技術指標。在對預期信號既定補償處，以1Hz帶寬為單位來測量相位雜訊。Bliley公司用AT切形晶體製作的NV45A在補償點10Hz、100Hz、1kHz和10kHz處的相位雜訊分別為100、135、140和145dBc/Hz，而用SC切割晶體製成的同樣OCXO，則在所有補償點上的雜訊性能都優於5dBc/Hz。
金石集團生產的OCXO，頻率范圍為5～120MHz，在－10～+60℃的溫度范圍內，頻率穩定度有±0.02、±0.03和±0.05ppm，老化指標為±0.02ppm/年和±0.05ppm/年。Oak頻率控制公司的4895型4.096～45MHz雙恆溫箱控制OCXO，溫度穩定度僅為0.002ppm（2×10－10）/0～75℃；4895型OCXO的尺寸是50.8mm×50.8mm×38.3mm，老化率為±0.03ppm/年。如果體積縮小一點，在性能指標上則會有所犧牲。Oak公司生產的10～25MHz表面貼裝OCXO，頻率穩定度為±0.05ppm/0～70℃。PiezoCrystal的275型用於全球定位系統（GPS）的OCXO採用SC切形石英晶體振子，在0～75℃范圍內總頻偏小於±0.005ppm，最大老化率為±0.005ppm/年。Vectron國際公司的CO－760型OCXO，尺寸為25.4mm見方，高12.7mm，在OCXO產品中，體積算是較小的。隨著移動通信產品的迅猛增長，對OCXO的市場需求量會逐年增加。OCXO的發展方向是順應高頻化、高頻率穩定度和低相位雜訊的要求，但在尺寸上的縮小餘地非常有限。
日本金石、始建於1948年的NibonDempaKogyo公司和美國摩托羅位、韓國的Sunny－Emi等公司，都是生產石英晶體器件較大的廠商。國內生產石英晶體振盪器等元器件的單位有原電子工業部第十研究所、北京707廠、國營第875廠和一些合資企業等。我國對人造石英晶體及其元器件的研究開發起步較早，生產能力也較大。就石英晶體振盪器而言，與國外先進水平比較，主要是在片式化、小型化、高頻化和頻率溫度特性等方面還存在差距。盡快縮小這些差距，進一步擴大生產規模，提高產品性價比，是提高在國際市場上競爭力的必由之路。與此同時，還要跟蹤該器件發展的新動向，如，視頻發生器等振盪器的研究與應用。