电磁波、无线电知识简介.doc

无线电基础知识

在我们生存的空间，无处不隐匿着形形色色的电磁波：激雷闪电的云层在发射电磁波；无数的地外星体也辐射着电磁波；世界各地的广播电台和通信、导航设备发出的信号在乘着电磁波飞驰；更不用说还有人们有意和无意制造出来的各种干扰电磁波……这些电磁波熙熙攘攘充满空间，实在是热闹非凡。如果说人们是生活在电磁波的海洋之中，那是毫不夸张的。正因为这样，为了利用电磁波，人们不得不制定出各种“规则”，对电磁波加以管理，把无线电频谱进行科学的、细致的划分，就象在马路上划分出快车道、慢车道和人行道一样，使不同业务所发射的电波不致混淆。如果没有良好的“空中秩序”，不知道要发生多少“交通事故”呢！
在既往的几千年中，人们一直都没能“看见”电磁波。麦克斯韦写了电磁波历史的第一页。他不仅断定电磁波的存在，而且推导出电磁波有和光速一样的传播速度，揭示了光与电磁现象的本质的统一性。人们在“造出”了电磁波，从而“看到”了电磁波，并且发明了发射和接收电磁波的装置以后，便驾驭它发展了无线电通信技术。神秘的电磁波从此给人类社会带来了难以预想的迅速而又巨大的变化。今天，电磁波把人们的“视线”深入到小于厘米的基本粒子，扩展到200亿光年的大尺度的宇宙。它帮助人们增进对环境和自身的认识，缩短相互之间的距离，揭示千古之谜，探索未来秘密，改造生存条件，走向太空领域等，人类文明的每一步前进，都伴随着电磁波的倩影。
一、什么是电磁波、无线电波呢？
电磁波是在空间传播的交变电磁场，或者说，电磁波就是电和磁交变的振动和能量的传播形式。电磁波和水波、声波、力学波相象，所不同的是，电磁波不象水波那样能看得见，不向声波那样能听得到，不象力学那样能感觉出来。正是电磁波的特殊“性格”，才给它蒙上了一层神秘的“面纱”，使人感到奥妙莫测。
电磁波的“个性”可以归纳为以下三点：
（1）电磁波是高速运动着的物质，是物质世界的“长跑”冠军，它在真空中的传播速度是光速，即3x108m/s(每秒30万公里)。电磁波一秒钟能绕地球7圈半，眨眼功夫，可以到月球上转个弯。
（2）电磁波没有静止的质点，是一个看不见、摸不着、嗅不到的“隐身人”。
（3）同一空间可以有无限多的电磁波同时存在，它“宽宏大度”而绝不“排斥异已”。
无线电波归属于电磁波，是频率较低的一种电磁波；光是频率较高的一种电磁波，它们同是一性质的物质。
二、电磁波的产生
要产生电磁波，必须有一个波源，由波源提供能量进行传播。实际上，只要有频率很高的电流流过导线，导线周围就产生变化的电场，同时在其附近还要产生一个变化的磁场；这个变化的磁场，又同时在其附近产生一个变化的电场；新产生的这个变化的电场，同时在附近产生变化的磁场……这样就形成一个辐射的电磁场四外传播开去。这种情况很象水的波纹一样，但是这种波是由电场和磁场构成的：交变电场产生交变磁场，交变磁场产生交变电场，二者同时存在，不可分割，所以这种波叫电磁波。在无限大的空间，电场、磁场和电磁波传播方向，三者是互相垂直的。
三、电磁波的传播

四、电磁波的“形状”及三要素
人们在研究波的时候，总是要给它画一个看得见的“像”――波形

图1-1画的是正弦波，它是一种规则的、起伏的、平滑的、形状不断重复的波。这种波随时间按正弦规律变化。
正弦波具有振幅、频率、相位三个要素。振幅是波峰（或波谷）到横座标的距离；频率是单位时间内完成振动的次数；相位用以表征波形上各点的相对位置，它是用角度的大小来表示的，从一个波峰（或波谷）的一周为３６０度（２π弧度）。
正弦波是最简单的波形，也是最重要的波形。它是研究各种无线电波的基础形式。但无论什么样的无线电波，都有频率和波长两个基本参数。频率用ｆ表示；单位为赫兹（简称赫），用Ｈz表示实际应用中，常常需要使用更大的单位：千赫兹（KHz）、兆赫兹（MHz）。他们之间的关系是：
1千赫兹=1000赫
1兆赫兹=1000千赫兹=1000000赫
频率的倒数称为周期。显然，周期是波振动一次所需要的时间，也就是一个波峰（或波谷）到下一个波峰（或波谷）经过的时间，用字母Ｔ表示，单位为秒。在实际应用中，无线电波周期的数值往往比较小，需要使用更小的单位毫秒和微秒。它们之间的关系是：
另一个基本参数是波长。波长指波在一个振荡周期内传播的距离，用希腊字母（λ）表示，单位为米。波长决定与振荡的频率和波的传播速度：
任何频率的无线电波，在真空中传播的速度均相同，波速可视为一中常数，因此，波长和频率是成反比例的：波长越短的无线电波，它的频率越高：波长越长的无线电波，它的频率越低。在传播途径中遇到大障碍物时，电波会绕过障碍物向前传播，这种现象叫做电的绕射。超短波、微波的频率较高，波长短，绕射能力弱，在高大建筑物后面信号强度小，形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的程度，不仅和建筑物的高度有关，和接收天线与建筑物之间的距离有关，还和频率有关。例如有一个建筑物，其高度为10米，在建筑物后面距离200米处，接收的信号质量几乎不受影响，但在100米处，接收信号场强比无建筑物时明显减弱。注意，诚如上面所说过的那样，减弱程度还与信号频率有关，对于216 ～ 223兆赫的射频信号，接收信号场强比无建筑物时低16dB，对于670兆赫的射频信号，接收信号场强比无建筑物时低20dB。如果建筑物高度增加到50米时，则在距建筑物1000米以内，接收信号的场强都将受到影响而减弱。也就是说，频率越高、建筑物越高、接收天线与建筑物越近，信号强度与通信质量受影响程度越大；相反，频率越低，建筑物越矮、接收天线与建筑物越远，影响越小。　　因此，选择基站场地以及架设天线时，一定要考虑到绕射传播可能产生的各种不利影响，注意到对绕射传播起影响的各种因素。
无线电信号是怎样发送和接收的?
发送：
无线电通信是利用电磁波在空间的传播来传递信息的。
电磁波又是怎样把信息传递出去的呢?我们以话音为例说明无线电信号发送的基本原理：
我们知道，人的耳朵能听到频率大约在20~20千赫兹范围内的声音，通常把这一频率范围称为音频。声波在空气中传播的速度很慢，大约每秒传播340米，而且衰减很快，一个人无论怎样高声喊叫，他的声音也不会传得太远就是这个原因。为了把声音传递到几公里以外甚至更远，常用的方法是把声音变成电信号，然后，再设法把电信号传递出去。将声音变成电信号的任务一般由话筒来完成。当指挥员对着话筒讲话时，话筒就输出相应的电压，这个电压的变化规律与声音的变化规律相同。经过话筒变换后的电信号怎样才能传输到很远处呢?
我们知道，交变的电磁振荡可以利用天线向空中辐射。但是天线必须要有合适的尺寸，无线电波才可以有效辐射。具体地说，天线长度必须和电磁振荡波的波长相比拟，才能高效地辐射电磁振荡。
声音信号的频率约为20赫兹~20000赫兹，其波长范围为15千米~15000千米，想要制造出与此尺寸相当的天线显然是很困难的。因此，直接把音频信号辐射到空中去也并不容易，即使辐射出去，各个电台所发出的声音信号频率都几乎相同，它们在空中混在一起，收听者也是无法选择所要接收的信号的。
人们发现，在实际生活中男声不如女声传的远，而女声的频率的确比男生的频率高，那么“在一定条件下，高频比低频传得远”这个结论便产生了，科学家们随后产生了这样一个设想：如果要达到同一个目的地，走路肯定不如坐车快，而且还需要一定的体力，如果传送低频（音频）也能够象坐车那样，到地方再下车，不就完成了低频（音频）的远传了吗？因此，便又产生了使用不同的高频电磁波，把音频信号“寄载”到这种高频电磁波上，由天线发射出去。这样，不同的发射机可以采用不同的高频电磁波频率，使彼此互不干扰，这样，天线的尺寸不是也可以设计的比较小了吗？
实践证明，科学家的设想是非常正确的。无线电发射机便是实现这个设想的综合体；它产生高频，完成声与电的转换；还完成低频与它的“寄载”，最后，经过天线把一个合成的电磁波送入了太空。
发射机中，产生高频电磁波的部分叫做“高频振荡器”，把音频信号“寄载”（用音频信号去控制高频振荡的某一参数）到高频振荡波上的过程叫做“调制”，经过调制以后的高频振荡波称为“已调信号”。利用传输线把已调信号送到天线上，就可以把已调信号辐射出去，传送到远方。综合归纳起来，发射机必须完成四大任务：
（1）把声音变换成电信号。
（2）产生一定功率的高频振荡波。
（3）用音频信号去控制高频振荡波的某一参数，即调制。
（4）发送电磁波。
要完成这四项任务，发射机必须包括发送端变换器（发话时为话筒）、高频振荡器、调制器、高频放大器、发射天线和电源。
接收：
无线电波传输到接收地点后，接收机的任务是把空中传送来的电磁波接收下来，并把它恢复成为原来的信号。
接收电磁波的任务是由接收天线来完成的。
这里需要注意的是，由于无线电台的数量很多，在同一时间里接收天线所接收到的信号中，不仅包括我们希望收到的电台信号，还包括着若干个我们不需要收听的其他频率的信号。这些无线电波之所以采用了各种不同的载波频率，其目的就是让接收者按照电台载波频率的不同，设法“选择”出自己所要接收的信号。
因此，“选择性”成为无线电接收机质量的一个重要指标。
由接收机中的“选择性电路”选择所要接收的某个电台发射的电磁波，利用它直接去推动耳机（收信装置）是不行的，还必须先去掉它曾经被“寄载”的高频，把它恢复成原来的音频信号。这种从高频电磁波中检取出音频信号的过程叫做解调，相应的部件叫做解调器。把检波器输出的音频信号送到耳机，才可以收听到所需要的信号，所谓“从汽车上下来的还是上车的那个人”，通信就实现了。
无线电是如何携带信息的？
要利用无线电进行通信，就必须让无线电波能携带信息，即把电磁波作为信息的载体，这就需要把基带信号加载到高频振荡信号上，实质上就是将基带信号搬移到高频载波上的上去（如人声如何通过无线电传播，上面已经介绍到）。这里介绍一下最基本的信号调制方式：

模拟调制：幅度调制（AM）、频率调制（FM）、相位调制（PM）
上面已经介绍正弦波有三个参数，幅度、频率、相位，这样就可以把基带信号加载在三个参数中的某一个参数上，或幅值、或频率、或相位随基带信号大小成线性变化。
可以直观地用下图表示：

数字调制：幅移键控调制（ASK）、频移键控调制（FSK）、相移键控调制（PSK）
数字信号与模拟信号不同，数字信号是一串01代码，但调制原理与模拟调制有类似之处。

幅移键控调制（ASK） 频移键控调制（FSK）

相移键控调制（PSK）

10