电子科学技术导论(整理版)

电子科学技术导论（霸哥整理版）一、电路与电磁场1、电路的分析方法（1）克希霍夫定理（2）特勒根定理（3）节点电流法、回路电压法（4）线性电路的时域分析（5）线性电路的频域分析（6）非线性电路分析2、传统电路分析方法不适用的场合•频率很高•需直接研究电磁场、电磁波分布如：天线、电波传播、高速集成电路中的串扰现象、光纤中的模式、静电击穿现象二、电磁场、电磁波的研究与应用领域1、通信(1)有线通信光纤: 模式、极化、色散、衰减等波导: 模式、极化、色散、衰减等电缆: 模式、极化、色散、衰减、串扰器件: 模式、电磁耦合等（2）无线通信短波、微波中继、卫星通信、移动通信、个人通信、无线网络、无线接入、寻呼、集群2、雷达（RADAR）无线电探测和测距（Radio Detection and Ranging）发射并检测目标的回波（散射波）•连续波雷达测速•调频雷达测速、测距•动目标显示和脉冲多普勃雷达测距、移动目标•跟踪雷达•合成孔径雷达（SAR）成像•超视距雷达（高频）地波、天波•汽车防撞雷达•气象雷达•探地雷达•电磁散射、隐身、目标成像等3、遥感（Remote Sensing）•可见光波长短、分辨率高、夜间、云、雨等影响•红外可昼夜遥感、云、雨等影响•微波全天候、几何特性、体价电特性、分辨率不如光遥感•遥感三个组成部分：接收器、发射器、处理器•传感器与场景的相互作用•传感器的设计与测试技术•在地球科学方面的应用•主动式遥感散射计雷达•被动式遥感辐射计•成像4、电磁波与物质相互作用（1）电磁波与人体相互作用a. 电磁波治疗•治癌•微波手术刀•检测、诊断•治前列腺•微波针灸•微波治疗比激光优越之处1.透过率高2.微波天线遇组织粘结仍能辐射3.同样强度下微波凝结组织量大于激光4.微波摧毁组织至炭化无烟雾产生5.微波止血效果更好6.激光光纤插入组织易损坏7.微波机及其天线造价较低b. 电磁场对人体的影响微波设备安全标准5mw/cm2微波生物效应射频辐射危害标准国家频率安全界限条件说明美国 10MHz-100GHz 10mW/cm2 6min1mW/cm2 >6min 平均值短波 200V/m0.5A/m前苏联 0.1-30MHz 20V/m 5A/m30-300MHz 5V/m300MHz 10μW/cm2 6h/d100μW/cm2 2h/d中国中短波 20V/m 5A/m 长期职业暴露(1978) 微波 50μW/cm2 6h/d（2）微波化学可大大加速某些化学反应•微波诱导催化•微波消解•微波无机、有机合成•微波萃取矿物处理•微波除污•酒－陈化微波农业应用（3）灭菌消毒（4）微波等离子体•制备人造金刚石•表面改性处理•刻蚀5、电磁波能•微波输能•高频、微波加热、干燥、新型能源6、电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC)•电子系统在规定的电磁环境中按照设计要求而工作的能力。

电子系统与周围其他电子系统之间, 在自然界的电磁环境下按设计要求而工作的能力。

•是电子系统设计研究的重要课题。

如：飞机、导弹、舰艇、卫星等，大量使用电子设备，相互干扰。

电子技术向高频、高速、高精度、高可靠性、高灵敏度，大规模集成化、大功率、小信号运用等方面发展，EMC研究尤其重要。

•高速集成电路互连与封装（peckging）飞机上手机 CRT•主要研究内容：减少干扰源，减轻干扰对电子系统的影响，提高电子系统抗干扰的能力。

•电子电工产品及电磁兼容标准认可，否则不能出口欧共体。

•设计中首先考虑合理利用无线电频谱•屏蔽、接地、滤波。

7、电磁波测量与探测•非电量测量如湿度、介电常数等•探测地下埋藏物•探测窃听器8、电磁波武器• 1）电子对抗• 2）隐身与反隐身• 3）微波炸弹9、GPS•1973．12美国防部批准三军联合研制NAVSTAR/GPS•Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System。

21＋3颗星，6个轨道平面，1.575GHz，1.227GHz，高度角15 以上可见6颗星。

•俄罗斯 GLONASS（1982）•欧洲伽利略•中国北斗•三、电磁场和电磁波基础1、矢量分析基础标量场和矢量场梯度、散度、旋度。

2、电磁场中的场量和源3、麦克斯韦方程（Maxwell’s Eq.）微分形式、积分形式 4、边界条件 5、本构关系 6、波印亭定理 7、波动方程7、电磁场与电磁波中的分析方法• 直接法、间接法• 分离变量法 • 格林函数法 • 镜像法 • 近似方法 • 复变函数法数值法四、无线电波频谱和常用传输媒介• 信道：狭义——信号传输的媒介广义——除信号传输的媒介，还包括有关部件和电路 如：调制信道• 常用传输媒介1. 有线（导波） （1）有线线对：平行双线、双绞线（UTP ）等 价廉、频带窄、应用、TEM 无色散 （2）同轴线：软同轴、硬同轴频带较宽（直流……） 容量较大、TEM 无色散、应用 （3）波导：适用频率高，容量较大 （4）光纤：传输损耗低、容量大纤芯、包层多模光纤、单模光纤1550nm 、保偏光纤等损耗与色散（决定光纤通信中继站距） 光纤放大器。

• ∙强度调制∙光外差∙光弧子传播∙微波副载波∙WDM ∙DWDM 、∙SWDMf 3Hz3kHz3MHz3GHz3THz3x10 Hz 15 3x10 Hz18电磁波频谱2.无线（radio,wireless）•地波传播（长、中）、表面波•天波传播（短）、经电离层反射的传播方式•视距传播（微波、毫米波、光波－红外、可见）•穿过大气层的电波传播•散射传播移动通信中的电波传播五、软件无线电1、引言软件无线电是1992年美国首次提出的一种实现无线通信的新的体系结构。

它的基本概念是把硬件作为无线通信的基本平台，把尽可能多的无线通信及个人通信功能用软件实现。

这样无线通信新系统、新产品的开发将逐步转到软件上来，而无线通信产品的价值将越来越多地体现在软件上，这是无线通信领域继固定到移动、模拟到数字之后的第三次革命。

无线通信领域存在的一些问题：•新的通信体制和“标准“不断提出，通信产品的生存期缩短，开发费用上升；•各种通信体制共存，面对多体制间的互联要求也日趋强烈；•无线频带越来越拥挤，对通信系统的频带利用率和抗干扰能力要求不断提高。

•原来以硬件为主的无线通信设计方法难以适应这种局面•军事通信美军三军十几种电台，各自的频率、制式等不相同，不能完全互通。

•民用通信欧洲的第一代模拟网，加入欧洲邮电会议(CEPT)的16个国家，分别使用6种不同的制式。

频率各不相同，不能互通、兼容。

第二代数字移动通信中仍有许多不同的通信体制，如GSM,AMPS,ETACS,PDC,DAMPS, CT2等，互不兼容，给用户和经营者带来极大的不便1992年5月，MILTRE公司的Jeo Milola首次明确提出软件无线电（Soft Radio)的概念，其中心思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线电通信系统。

软件无线电的主要特点：1）具有很强的灵活性2）具有较强的开放性2、软件无线电的发展概况软件无线电••软件无线电主要由天线、射频前端、高速A/D-D/A转换器、通用和专用数字信号处理器、低速A/D-D/A转换器以及各种接口和各种软件所组成。

软件无线电的天线一般要覆盖比较宽的频段，比如1MHz~2000MHz，要求每个频段的特性均匀，以满足各种业务的需求。

例如可能为VHF/UHF的视距通信、UHF卫星通信，HF通信作为备用通信方式。

为便于实现，可在全频段甚至每个频段使用几付天线，并采用智能化天线技术•在发射时RF部分主要完成滤波、功率放大等任务，接收时实现滤波、放大等功能。

因实现射频直接带通采样，要求A/D转换器有足够的工作带宽（例如2000MHz以上），较高的采样速率（一般在60MHz以上），而且要有较高的A/D转换位数，以提高动态范围。

目前8位A/D转换器的工作带宽已做到1500MHz以上。

•模拟信号进行数字化后的处理任务全由DSP和专用的可编程处理器的软件来承担。

为了减轻通用DSP的处理压力，通常把A/D转换器传来的数字信号，经过专用数字信号处理器件（如数字下变频器DDC）处理，降低数据流速率，并把信号变至基带后，再把数据送给通用DSP进行处理。

通用DSP主要完成各种数据率相对较低的基带信号的处理，比如信号的调制解调，各种抗干扰、抗衰落、自适应均衡算法的实现等。

还要完成经信源编码后的前向纠错（FEC）,帧调整、比特填充和链路加密等算法。

也有采用多DSP芯片并行处理的方法，以提高其处理的能力。

•由于高速宽带A/D和D/A转换器目前还比较困难，价格也高，图1中的下变频和上变频模块（DDC/DUC）都用模拟线路放在RF部分中。

•软件无线电的结构基本上可以分为三种：射频低通采样数字化结构、射频带通采样数字化结构和宽带中频带通采样数字化结构。

4 软件无线电系统“软件化”程度的评价•1997年5月软件无线电概念的提出者Joe．M在欧洲召开的软件无线电会议中提到了一种思路：用一个矢量(N，PDA，HM， SFA)来表示其“软件化”程度，该矢量的每一维坐标取值均为0—3。

其含义如下：• N为空中接口所能支持的频道数，分为4种类型：单一频道(0)，双频道(1)，多频道(小于 6个)(2)，以及RF频段中的所有频道(3)。

•PDA是指可编程数字化访问(Programmable Digital Access)，即指软件无线电中数字可编程的程度，也分为4种类型：无可编程性(完全模拟或固定功能的数字无线电)(0)，在基带可编程(1)，在中频可编程(2)，在射频可编程(3)。

• HM指硬件的模块化程度(Hardware Modularity)，实际指硬件可编程程度，分为4类：无可编程性(0)，系统采用可编程专用模块(1)，系统采用DSP(2)，以及采用FPGA 等(3)。

•SFA指软件模块化程度，也可以认为是软件的可重用性(Reuse)，即软件是否可以应用于不同的硬件平台上，有如下4类；无定义空中接口的软件(0)；硬件平台上只能够运行一个厂商所提供的软件(1)；多个厂商的软件均可加载到硬件平台上，但硬件平台是一个(2)；多个厂商的软件可加载到多个硬件平台上(3)。

•目前很多的可编程数字无线电处于级别l，美国军方的 Speakeasy处于级别2。

5. 软件无线电的主要优势•(1)系统结构通用，功能实现灵活，系统的改进和升级也很方便。