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电子系统设计——信号与通信系统篇

作译者：王新怀

出版时间：2024-04 千字数：409 版次：01-01 页数：256

开本：16开装帧： I S B N ：9787121368974

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纸质书定价：￥69.0

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第1 章 绪论 ........................................................ 1
1.1 全国大学生电子设计竞赛简介 ............... 1
1.2 信号与通信类考题解析 ........................... 2
1.3 信号与通信类赛题知识点 ....................... 5
第2 章 信号的产生 .......................................... 7
2.1 概述 ........................................................... 7
2.1.1 频率特性 ..................................... 8
2.1.2 输出特性 ..................................... 8
2.2 基本信号产生电路 ................................... 8
2.2.1 正弦信号产生电路 ...................... 8
2.2.2 非正弦信号产生电路 .................11
2.3 锁相式频率合成 ..................................... 16
2.3.1 锁相环简介 ................................ 16
2.3.2 PLL 频率合成器电路设计 ........ 19
2.4 直接数字频率合成 ................................. 24
2.4.1 DDS 简介................................... 24
2.4.2 基于FPGA 的DDS 波形
发生器 ....................................... 25
2.4.3 常用DDS 集成芯片 .................. 36
第3 章 无线通信系统 ................................... 45
3.1 信道、噪声与通信频段 ......................... 45
3.1.1 信道和信道模型 ........................ 45
3.1.2 噪声、信道容量和香农公式 .... 48
3.1.3 信号接收强度、灵敏度和
链路裕度 ................................... 49
3.1.4 常用通信频段 ............................ 50
3.2 常用调制解调方式 ................................. 51
3.2.1 模拟调制 ................................... 51
3.2.2 数字调制 ................................... 55
3.2.3 语音编码和声码器 .................... 60
3.3 通信系统的组成 ..................................... 63
3.3.1 常见接收机结构 ........................ 63
3.3.2 常见发射机结构 ........................ 65
3.3.3 信道复用和双工方式 ................ 65
3.4 集成调制解调器 ..................................... 67
3.4.1 通用数字无线通信芯片 ............ 68
3.4.2 专用数字无线通信芯片 ............ 83
第4 章 有线通信系统 .................................... 99
4.1 串行通信系统 ......................................... 99
4.1.1 RS232 通信系统 ........................ 99
4.1.2 RS485 通信系统 ...................... 102
4.1.3 CAN 通信系统 ........................ 103
4.2 光通信系统 ........................................... 109
4.2.1 光通信的基本概念 .................. 109
4.2.2 光纤通信系统 .......................... 116
4.2.3 无线光通信 .............................. 123
4.3 网络通信系统及其他 ........................... 126
4.3.1 网络通信的技术基础 .............. 127
4.3.2 有线通信网络 .......................... 128
4.3.3 无线通信网络 .......................... 134
4.3.4 移动通信网 .............................. 139
第5 章 电源及电磁兼容 ............................. 148
5.1 电源及电源管理 ................................... 148
5.1.1 直流稳压电源的主要
技术指标 .................................. 148
5.1.2 常用整流滤波电路 .................. 149
5.1.3 线性集成稳压电源 .................. 151
5.1.4 开关型稳压电源 ...................... 154
5.1.5 电荷泵型直流-直流变换器 ..... 157
5.1.6 基准电压源 .............................. 160
5.1.7 几种电源比较及设计
注意事项 ................................. 162
5.2 电磁兼容 ............................................... 162
5.2.1 电磁干扰源及其耦合途径 ...... 163
5.2.2 接地、屏蔽及滤波 .................. 166
第6 章 真题解析 ........................................... 174
6.1 调幅信号处理实验电路 ....................... 174
6.1.1 任务要求与评分标准 .............. 174
6.1.2 题目分析 ................................. 176
6.1.3 方案论证 ................................. 176
6.1.4 理论分析与电路设计 .............. 178
6.1.5 软件设计 ................................. 183
6.1.6 系统测试方案与测试结果 ...... 184
6.2 远程幅频特性测试系统 ....................... 186
6.2.1 任务要求及评分标准 .............. 186
6.2.2 题目分析 ................................. 187
6.2.3 方案论证 ................................. 187
6.2.4 理论分析与电路设计 .............. 188
6.2.5 软件设计 ................................. 191
6.2.6 系统测试方案与测试结果 ...... 192
6.3 自适应滤波器 ....................................... 194
6.3.1 任务要求及评分标准 .............. 194
6.3.2 题目分析 ................................. 195
6.3.3 方案论证 ................................. 195
6.3.4 理论分析与电路设计 .............. 196
6.3.5 软件设计 ................................. 200
6.3.6 系统测试方案与测试结果 ...... 200
6.4 增益可控射频放大器 ........................... 203
6.4.1 任务要求及评分标准 .............. 203
6.4.2 题目分析 ................................. 203
6.4.3 方案论证 ................................. 204
6.4.4 理论分析与电路设计 .............. 205
6.4.5 软件设计 ................................. 208
6.4.6 系统测试方案与测试结果 ...... 208
6.4.7 设计实现的实物图 .................. 211
6.5 80～100MHZ 频谱仪 ............................ 211
6.5.1 任务要求及评分标准 .............. 211
6.5.2 题目分析 .................................. 212
6.5.3 方案论证 .................................. 212
6.5.4 理论分析与电路设计 .............. 214
6.5.5 软件设计 .................................. 218
6.5.6 系统测试方案与测试结果 ...... 219
6.5.7 设计实现的实物图 .................. 220
6.6 短距视频信号无线通信网络 ............... 220
6.6.1 任务要求及评分标准 .............. 221
6.6.2 题目分析 .................................. 222
6.6.3 方案论证 .................................. 222
6.6.4 理论分析与电路设计 .............. 224
6.6.5 软件设计 .................................. 225
6.6.6 系统测试方案与测试结果 ...... 226
6.6.7 设计实现的实物图 .................. 227
6.7 简易幅频特性测试仪 ........................... 229
6.7.1 任务要求及评分标准 .............. 229
6.7.2 题目分析 .................................. 230
6.7.3 方案论证 .................................. 230
6.7.4 理论分析与电路设计 .............. 231
6.7.5 软件设计 .................................. 234
6.7.6 系统测试方案与测试结果 ...... 235
6.8 红外光通信装置 ................................... 236
6.8.1 任务要求及评分标准 .............. 236
6.8.2 题目分析 .................................. 238
6.8.3 红外光信道传输模拟信号 ...... 238
6.8.4 红外光信道传输数字信号 ...... 241
6.8.5 红外管发射驱动电路与
接收电路 .................................. 243
6.8.6 语音驱动及其他 ...................... 244
6.8.7 测试方案与测试结果 .............. 245

序一

全国大学生电子设计竞赛是电子信息类在校大学生的重点学科竞赛。美国德州仪器公司经过与众多竞赛指导教师及任课教师的多次交流，基于提升大学生专业基础课学习质量及理论联系实际能力为总目的，商定以高校教师为主体推出了“TI 杯全国大学生电子设计竞赛系列教材”，该系列第一期先行出版4 本教材，名录及关联的重点大学并列如下：
.《电子系统设计—基础和测量仪器篇》—华中科技大学
.《电子系统设计—电源系统设计篇》—武汉大学
.《电子系统设计—信号与通信系统篇》—西安电子科技大学
.《电子系统设计—测量与控制系统篇》—东南大学
在上述4 本教材出版之际，本人认为教材的定位正确，教材内容实属学生应扎实掌握的知识。同时，教材的出版及高校的使用体现了国际高科技公司与国内高校较深层次的合作。德州仪器、各高校及电子工业出版社之间的合作是一件共赢的善事，其目的在于通过各方的共同努力培养和提升大学生的素质与能力，值得社会的肯定和支持。
在本人提笔书写之际，已阅读了即将出版的4 本教材的章节目录，本人认为教材内容均属各专业基础学科应掌握的内容并且较为全面。4 本教材的内容构架均涉及近年来的典型电赛题目解析，虽然全国大学电子设计竞赛绝对不会沿用任何公开或过往的题目，但这部分内容恰恰也说明了该系列教材以结合实际为目的。希望使用教材的老师和同学能够将更多的精力放在掌握教材中所讲授的基础知识上面，最终以灵活的方式去解决实际问题。
最后，希望“全国大学生电子设计竞赛系列教材”的后续工作能够顺利开展和落实，不断以相关的前沿科技补充教材内容，使教材持续地发挥正面作用。

中国科学院部委员，中国科学院院士 王越


序二

2021 年是德州仪器（TI）大学计划在中国开展的第25 年。关于TI，相信大部分正在阅读这本教材的老师或同学都不会感到陌生。在过去的20 多年中，TI 在中国的600 多所大学里建立了超过3000 个数字信号处理、模拟和微控制器实验室，每年有超过30 万名学生通过TI 的实验室及各类活动进行学习和实践。你也许曾在教材中、竞赛上或实验室里与TI 邂逅。
一直以来，教育都是TI 关注的重点。2016 年，TI 与中国教育部签署了第三个十年战略合作备忘录，其中包括在未来十年中全面支持由教育部倡导的大学生电子设计竞赛，TI 将通过提供资金、软硬件开发工具、实验板卡与样片、技术培训和专业工程师指导等，帮助大学生参
与竞赛，增强创新意识和设计能力。事实上，早在2008 年，TI 与全国大学生电子设计竞赛便结下了不解之缘，在对省级联赛超过十年的赞助中，TI 通过提供创新的产品和技术，激励了一批又一批的参赛学生，并帮助培养了数万名电子工程领域的专业人才。
为了给参赛学生提供一个拓展国际视野的平台和机会，TI 邀请了2019 年全国大学生电子设计竞赛TI 杯的获奖队伍前往美国得克萨斯州参观位于达拉斯的TI 总部。在那里，他们不仅能够了解半导体行业的最新技术，还能与TI 的技术专家相互学习交流。此外，TI 还将为部分成绩优异的获奖队伍提供实习机会，帮助他们将学习与实践相结合，为未来的研究和工作打下坚实基础。
教育也许是我们一生中能收来的最好的礼物。希望同学们能够充分利用老师们精心编写的竞赛培训系列教材，迎接未来的竞赛。同时，也欢迎同学们登录由TI 和组委会联合举办的全国大学生电子设计竞赛培训网，利用更多的学习资源。期待在未来的竞赛中看到同学们将自己掌握的知识加以实践、应用和创新，更期待看到同学们举起未来的TI 杯，在全国大学生电子设计竞赛平台上绽放光彩。

德州仪器（TI）副总裁兼中国区总裁 胡煜华


前 言

电子技术的发展不仅极大地促进了科学技术的发展，而且明显加快了社会信息化的进程。电子学知识已成为高层次科研人才必须具备的基本知识之一。运用电子技术对信息进行提取、处理、传输已成为各学科研究常用的手段。
如今，电子信息技术已经成为人们特别是青年一代需要掌握的重要技能之一。全国大学生电子设计竞赛是由教育部联合工业和信息化部共同发起的全国性的大学生学科竞赛活动，含金量高，广受社会认可。竞赛紧密结合实际，着重基础、注重前沿，促进了电子信息类专业和课程建设，引导了高校在教学中注重培养大学生的创新能力、协作精神，加强了学生动手能力和工程实践能力，提高了学生电子设计、制作的综合能力，提升了学生解决复杂工程问题的能力；同时吸引了广大学生踊跃参加此项课外科技竞赛活动，使许多优秀人才脱颖而出。电子设计竞赛培训本身带有综合性、自主设计性强的特点，并且注重工程实践与实际动手能力。对于电子信息类、自动化类等本科生和专科生，在学习电路基础、信号与系统、模拟电子线路、数字电子技术、高频电子线路、微机原理、单片机、EDA 技术等理论课程后，可以将多门课程所学知识综合起来扩展视野，使学生站得更高，并能将知识付诸实践。在此基础上，受全国大学生电子设计竞赛官方合作伙伴—德州仪器公司（以下简称TI）大学计划部和电子工业出版社邀请，与其他三所高校资深教师一起，以全国大学生电子设计竞赛培训为牵引，我们编写了全国大学生电子设计竞赛系列教材。
本书主要介绍电子系统设计信号与通信类的知识和设计方法，全书共6 章。教材从先进性和实用性出发，介绍信号的产生、预处理、无线通信、有线通信等。
第1 章主要介绍全国大学生电子设计竞赛，概述历年来的信号与通信类赛题，总结信号与通信类赛题的主要知识点。
第2 章主要介绍信号的产生，包括正弦波、非正弦波基本信号产生电路，锁相频率产生电路及直接数字频率合成电路等。
第3 章重点介绍无线通信系统，包括通信信道、噪声与通信频段，常用模拟调制、数字调制解调方式，以及语音编码和声码器等，重点介绍了通用数字无线通信芯片与专用数字无线通信芯片及其应用。
第4 章为有线通信系统，主要介绍RS232、RS485、CAN、互联网网络通信系统等。
第5 章为电源及电磁兼容，介绍常用线性稳压电源、开关型稳压电源、电磁兼容设计等。
第6 章详细介绍历年来电子设计竞赛代表性的信号与通信类真题典型题及评分标准，并对题目进行简要分析，给出方案设计、理论分析、具体电路硬件设计、软件设计流程图、测试结果及报告总结等。案例赛题均为精心选择，包括调幅信号处理实验电路、远程幅频特性测试系统、自适应滤波器、增益可控射频放大器、80～100MHz 频谱仪、短距视频信号无线通信网络等；其中既有电路复杂、功能丰富的真题，又有电路相对简单、算法性能要求较高的真题；既有偏信号处理的题目，又有无线通信光通信类题目。内容上可作为初学者入门学习参考，也可作为后期的真题训练培训参考。
本书第1 章、第2 章由王新怀、周佳社编写，第3 章由易运晖、何先灯编写，第4 章由蔡觉平编写，第5 章由徐茵、王新怀编写，第6 章由王新怀、何先灯、蔡觉平编写。全书由王新怀和周佳社统稿。
在本书的编写过程中，得到了孙肖子老师的大力支持和帮助，郭万有教授提出了许多宝贵意见，电子工业出版社的编辑们为本书的出版做了大量工作，TI 大学计划部谢胜祥工程师给予了大力支持和帮助，在此表示感谢。张博超、池欣欣、夏子良、彭烨等同学参与了书中案例的设计、仿真、制作、验证和报告整理工作，还有众多参赛学生的作品方案被书中提及或借鉴，在此一并表示感谢！
本书的编写参考了大量近年来出版的相关技术资料，吸取了许多专家和同仁的宝贵经验，在此向他们深表谢意。
本书可作为电子设计竞赛培训和电子设计实验的教材，也可作为大学生课外学术科技活动的参考资料。
由于电子信息技术发展迅速，作者学识水平有限，书中难免有错误与疏漏之处，望广大读者批评指正。

编 者

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