船舶无线电通信.ppt

1 无线电通信基础武华 2 无线电通信是指利用无线电波在空间的传播来传递信息的通信 电磁波与现代科技和人类的生活密切相关 在信息技术高速发展的今天 电磁波对我们来说越来越重要 电磁波到底是什么 为什么它具有那么大的威力 它又是怎样产生的呢 我们又是怎样利用它来传递各种信号呢 我们对电磁波做一下简单的介绍 无线电通信概述 3 1 1 电磁振荡的产生 实验如图 先把开关板到电池组一边 给电容器充电 稍后再把开关板到线圈一边 让电容器通过线圈放电 1 振荡电流 这种电路产生的大小和方向做周期性变化的电流 叫振荡电流 2 能够产生振荡电流的电路叫振荡电路 如图所示是一种简单的振荡电路 称为LC振荡电路 3 LC回路产生的振荡电流按正弦规律变化 4 1 2LC回路的周期和频率 电磁场理论 19世纪60年代 英国物理学家麦克斯韦建立了完整的电磁场理论 这个理论不仅说明了当时已知的电磁现象 而且预言存在着一种新的能量传输形式 这就是电磁波 电磁场理论的诞生 不仅具有深刻的理论意义 而且具有广泛的应用前景 对人类社会发展产生了巨大而深远的影响 5 麦克斯韦电磁场理论 1 变化的磁场产生电场 实验验证 按图连接线路 问1 小灯泡能否发光 问2 线圈中的电荷为什么能定向移动 问3 如果线圈断开 线圈中有电流 电场吗 问4 如果把线圈拿走 它原来所处的空间有电场吗 结论 变化的磁场产生电场 6 2 变化的电场产生磁场 麦克斯韦根据电现象与磁现象的相似性和变化的磁场能产生电场的事实 提出大胆的假设 变化的电场也能产生磁场 并且通过严密的理论推导得以证明这一结论的正确性 电磁场 变化的磁场产生电场 变化的电场产生磁场 变化的电场和磁场总是相互联系的 形成一个不可分离的统一的场 这就是电磁场 电场和磁场只是这个统一的电磁场的两种具体表现 7 小结 1 麦克斯韦电磁场理论 变化的磁场能够在周围空间产生电场 变化的电场能够在周围空间产生磁场 2 变化的磁场产生电场 变化的电场产生磁场 变化的电场和磁场总是相互联系的 形成一个不可分离的统一的场 电磁场 8 1 3 电磁波的产生 1 电磁波的产生 如果在空间某处发生了变化的电场 就会在空间引起变化的磁场 这个变化的电场和磁场又会在较远的空间引起新的变化的电场和磁场 这样 变化的电场和磁场并不局限于空间某个区域 而是由近及远向周围空间传播开去 电磁场这样由近及远地传播 形成电磁波 问 为什么普通的LC振荡电路不能有效地发射电磁波 9 普通的LC振荡电路中电场主要集中在电容器极板之间 磁场主要集中在线圈内部 振荡过程中电场能和磁场能主要是在电路内部互相转化 辐射出去的能量很少 不能有效发射电磁波 问 要有效向外发射电磁波 振荡电路必须具有哪些特点 10 2 振荡电路必须具有如下特点 第一 要有足夠高的频率 频率越高 发射电磁波的本领越大 单位时间内辐射出去的能量与频率的四次方成正比 第二 振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间 即成为开放电路 3 由闭合电路变成开放电路 11 4 电磁波在空间以一定的速度传播 其波长 频率f 和波速v的关系遵从波动的一般关系 麦克斯韦从理论上预见 电磁波在真空中的传播速度等于光在真空中的传播速度 即电磁波在真空中的传播速度C 3 0 108m s这个预见后来得到了证实 5 电磁场具有电磁能 电磁波在空间传播 电磁能就随之一起传播 问题 机械波传播需要介质吗 电磁波传播需要介质吗 机械波产生的机理是什么 电磁波产生的机理是什么 6 电磁波的传播不需要任何介质 12 赫兹用实验证实了麦克斯韦理论的正确性 1888年 赫兹是一个短命的物理学家 在1894年逝世时 他才年仅37岁 他从21岁考人柏林大学直到不幸去世 进行科学研究不足15年 然而却建立了永垂青史的功绩 赫兹证明 要获得电磁波 就必须建立一个辐射电磁波源 这个电磁波辐射源还应当有足够的功率 赫兹很快制成了电磁波辐射源 当时它被称作赫兹振荡器赫兹第一个证实了光从其本质上说也是一种电磁波的问题 发现电磁波产生的巨大影响 连赫兹本人也没料到 在他发现电磁波的第二年 有人问他 电磁波是否可以用作无线电通讯 赫兹不敢肯定 赫兹研究电磁波无意中丢下的种子 却很快在异地开花结果 13 在发现电磁波不到6年 意大利的马可尼 俄国的波波夫分别实现了无线电传播 并很快投人实际使用 其他利用电磁波的技术 也像雨后春笋般相继问世 无线电报 1894年 无线电广播 1906年 无线电导航 1911年 无线电话 1916年 短波通讯 1921年 无线电传真 1923年 电视 1929年 微波通讯 1933年 雷达 1935年 以及遥控 遥感 卫星通讯 射电天文学 它们使整个世界面貌发生了深刻的变化 14 赫兹关于电磁波的实验 为无线电技术的发展开拓了新的道路 构成了现代文明的骨架 后人为了纪念他 把频率的单位定为赫兹 1HZ 1周 S 15 第二节无线电波的产生 一 无线电波的产生 高频电流在天线流动会在其周围产生交变的磁场 在空间中交变磁场再产生交变的电场 交变的电场再产生交变的磁场 这样在空间中交变的电磁场不断交替变化 波动传播 从而形成了无线电波 二 无线电传播的速度 近似光速 x10 m s 16 二 频率 周期 波长的定义 频率 Frequency 定义 电波在单位时间 内幅值大小与方向周期性变化的次数 符号 单位 赫兹 Hz 千赫兹 KHz 兆赫兹 MHz G赫兹 GHz 换算关系 1000Hz 1KHz 1000KHz 1MHz 1000MHz 1GHz 17 二 频率 周期 波长的定义 周期 电波幅值大小与方向变化一次所用的时间 符号 T单位 秒 s 毫秒ms 微秒 s 换算关系 1秒 s 1000毫秒 ms 1毫秒 ms 1000微秒 s 波长 定义 电波在一个周期内传播的距离 符号 单位 米 m 分米 dm 厘米 cm 毫米 mm 换算关系 1米 m 10分米 dm 1分米 dm 10厘米 cm 1厘米 cm 10毫米 mm 18 三 两个关系式 T 1 F V F 3x108 F 19 第二节频率的划分 20 地面通信使用的频段 中频 MF 415 4000KHz其中 中频I MFI 415 530KHz中频II MFII 2MHz高频 HF 4000 27500KHz海上高频分波段 CCIR指定4 6 8 12 16 18 22 25MHz 为海上移动通信使用的频段 甚高频 VHF 156 174MHz 21 地面通信使用的频段 信道与频率 CHANNEL岸台的接收频率 即船发射频率 是8390 0KHz 22 第三节无线电波的传播途径和特点 一 无线电波的传播路径地波传播空间传播电离层波传播 23 地面波 地面波是指沿地球表面传播的电波 24 空间波 以空气为媒介直线传播的电波 25 空间波传播 26 27 电离层 大气层由于太阳紫外线的辐射 气体分子被电离 形成正负离子和自由电子组成的电离层 距地面高度为50到300km 随高度不同电离层电离程度不同 形成不同的浓度 大致分为D E F1 F2层 电波在穿越电离层时 会受到吸收和衰减 吸收和衰减大小与频率和电离层的浓度有关 D层和E层变化最有规律中午浓度最强 晚上D层消逝 F层在白天分为两层 F1和F2 F1层在晚上消逝 晚上只剩E层和F2层 28 电离层波 天波 指靠电离层波传播的电波 29 二 各波段电波传播特点 1 长波和超长波传播特点超长波 波长为100km 10km 频率为3 30kHz 长波 波长为10km 1km 频率为30 300kHz 传播特点 超长波和长波由于波长长 地形对传播影响很小 在300Km以内传播基本上是地波传播 远距离靠天波 30 二 各波段电波传播特点 长波和超长波传播主要缺点地波对其它收信台干扰大 易受天电干扰 尤其是在雷雨的夏季 收发设备笨重 需要庞大的天线 应用 台卡 欧美伽等无线导航系统 31 二 各波段电波传播特点 2 中波的传播特点波长 1km 100m 频率 300 3000kHz 传播特点 白天靠地波 因为中波穿过D层时 受到强烈的吸收 夜间靠地波和天波 吸收中波的D层消失 由E层反射 白天传播200海里 晚上传播400海里 有衰落现象 接收机须加AGC控制线路 32 二 各波段电波传播特点 3 短波传播特点波长为100 10m 频率为3 30MHz 传播特点 主要靠天波来传播 地波传播距离一般不超过100Km 白天频率越高 传输距离越远 频率越高 衰减越小 晚上通信要选用低一些的频率通信 天波传播时可借助于电离层进行一次或多次反射 实现远距离通信 多路径传播的原因 可引起衰落性干扰 电离层波动 信号传输不稳 33 地波传播范围 天波传播范围 寂静区无信号 寂静区 哑区 34 二 各波段电波传播特点 4 超短波和微波的传播特点频率 30MHz以上 波长 10M以下 传播特点 主要靠空间波传播 原因 地波 天波 传播距离一般仅有几十海里 天线绝对高度 距海平面的高度 为几十米时 VHF通信距离30 50海里 35 三 在主要航线上不同海区和国内主要海岸电台通信使用的频段 所在海区白天最佳频段夜间最佳频段印度洋16MHz 22MHz8MHz 12MHz红海16MHz 22MHz8MHz 12MHz地中海西部16MHz 1530LT左右 8MHz 12MHz12MHz 1630LT左右 大西洋东部12MHz 1630LT左右 8MHz 12MHz 36 第四节调制与解调 为什么要使用调制 声波在空气中传播慢 约为340m s 衰减快 不会传播很远 交流信号要有效辐射 天线的尺寸应和波长相比拟 天线长度 音频 300 3000Hz 1000 100KM 37 调制与解调的基本概念 调制信号 要经过调制传送的原始信号 如 语音信号 从TELEX和DSCMODEM送出的信号等都为调制信号 调制 调制信号加载到高频信号的技术 载波 该高频信号称为载波 已调信号 经过调制后的高频信号 解调或者检波 在接收端从已调信号中检取出原始信号的技术 常用的调制方法有 调幅 调频 调相等 38 调幅波频谱图 调幅波波形图 39 FMIN FMAX fc fc FMAX fc FMAX 40 调幅制原理 载频本身和调制信号无关 所要传递的声音信号只包含在两个边带之中 而且两个边带中包含着完全同样的信息 调幅波的频带宽度是调制信号中最高频率的两倍 即 BAM 2 max真正有用的是边带功率 当M 1时 两上边带的功率之和仅是载频功率的一半 41 调幅制原理 uc t Uccos ct c 1 4 1 其中 uc t 是瞬时值 Uc是振幅 ct是角频率 c是初相位 u t U cos t 1 4 2 用音频u 去调制Uc 调幅波的瞬时值表达式为 u t Uc u t cos ct c Uc 1 mcos t ct c 1 4 3 式中 m为小于1的常数 m u Uc 叫做调幅系数 调幅波的振幅应为 Uc 1 mcos t 1 4 4 42 调幅制原理 将式 1 4 3 展开可得 u t Uccos ct c Uc m 2cos c t c Uc m 2cos c t c 1 4 5 载频 c 上边频 c 下边频 c 两个边频分量的振幅相等 当m 1时 边频振幅等于边频振幅的一半 43 单边带调制 调幅制通信的功率利用率不高 占有的频带宽 选择性衰落现象严重 信号易失真 理想的调制方式应当是 1 没有载频 2 只有一个边带 单边带 SSB 通信 采用只传送一个边带 而抑制另一个边带和载频 或部分抑制载频 的通信称为单边带通信 USSB t Uc m 2cos c t c 高频振荡 角频率 上边带 振幅 初相位 c 44 单边带通信优点 节约频谱 带宽仅是调幅制的一半BW FMAX节省功率 是调幅发射机峰包功率的1 8 抗干扰能力强 45 工作种类 发射类型 表示方法 工作类型可用5个字符表示 其中前3个字符是必须遵循的基本特征 后2个字符是可以选用的附加特征 一般只表示基本特征 基本特征由两个字母和中间夹一位数字组成 其中 第一位字符是字母 表示主载波的调制方式 A 表示双边带调制 F 表示频率调制 G 表示相位调制 H 单边带全载波 J 表示单边带全抑制载波 K 表示用幅度调制的脉冲系列 P 表示末调制的脉冲系列 R 表示单边带减幅或变幅载波 46 工作种类 发射类型 表示方法 第二位是数字 表示调制信号的性质 1 表示单路的 不用调制副载波 但包括量化或数字的信息 2 单路 采用副载波调制 包括量化或数字的信息 3 单路 包含模拟信息 7 双信道或多