《通信与无线电》PPT课件.ppt

通信与无线电 一 通信发展与目标通信从广义上来说是双方或多方信息的交流并被相互了解 走马遣书信 晓气朔烟上 这两句古诗形象的叙述了我国古代以快马传递消息和烽火通知战事的通信手段 周幽王烽火戏诸侯是其中最典型的例子 通信手段的真正革命是从电信开始的 1844年 塞缪尔 莫尔斯第一次电报传输 1876年 亚历山大 格雷厄姆 贝尔发明了电话 1895年 古列尔 莫 马可尼发明了无线电报 1901年 马可尼发出了第一个跨越大西洋的无线电信号 并于1915年实现了跨大西洋的首次无线国际电话交谈 20世纪30年代 移动电话技术开始试验 1947年形成了蜂窝电话的概念 1962年试验成功 1962年 第一课广播通信试验卫星发射升空 现代通信以卫星通信 光纤通信 移动通信为特征 以微波 扩频跳频 时分码分多路复用 程序控制 智能控制等先进技术为手段 以网络为依托 以全球通信 个人通信 多媒体通信为目的 无论何人何处何时以何种形式都能完成双方或多方的交互 这就是通信的终极目标 二 信息 信号 信道消息是对某个事物的描述和反映 是表示事物内涵的一种形式 通信系统的根本目的是传递消息 消息的价值取决于其所包含的有意义的内容的多少 我们将消息所包含的有意义的内容称为信息 消息所含信息的多少称为消息的信息量 为了传递消息 必须借助于一定的运载工具 通常是把形形色色的消息转变成为电光等物理参数才能在信道上传输 这种物理参数的函数形式称为信号 按信号与消息的关系分 信号可分为数字信号 模拟信号 信道 信号传输的媒介 通信的通道 三 通信系统模型信源是指发出信息的信息源 可以是给出信息的人或机器设备 信宿是信息传送的目的地 也即信息的接收者 信道是指连接信源和信宿的传输设备和介质 有有线和无线之分 噪声源是实际通信系统中客观存在的干扰源 有内部噪声和外部干扰两方面 交换设备用于信息的转接 发送和接收变换器的目的是为了把信源发出的信息变换成适合于信道传输的信号类型 到达接收端后又由接收变换器还原成原来的信息 通信系统框图 接收发送变换器 一 无线电波什么叫无线电波 无线电波是一种能量传输形式 在传播过程中 电场和磁场在空间是相互垂直的 同时这两者又都垂直于传播方向 电磁波的传播 无线电波和光波一样 它的传播速度和传播媒质有关 无线电波在真空中的传播速度等于光速 我们用 公里 秒表示 在媒质中的传播速度为 式中 为传播媒质的相对介电常数 空气的相对介电常数与真空的相对介电常数很接近 略大于 无线电波有点象一个池塘上的波纹 在传播时波会减弱 因此 无线电波在空气中的传播速度略小于光速 通常我们就认为它等于光速 可用式 表示 式中 为速度 单位为米 秒 为频率 单位为赫兹 为波长 单位为米 由上述关系式不难看出 同一频率的无线电波在不同的媒质中传播时 速度是不同的 因此波长也不一样 我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介电常数 约为2 1 因此 1 44 1 44 无线电波的波长 频率和传播速度的关系 无线电波的极化 无线电波在空间传播时 其电场方向是按一定的规律而变化的 这种现象称为无线电波的极化 无线电波的电场方向称为电波的极化方向 如果电波的电场方向垂直于地面 我们就称它为垂直极化波 如果电波的电场方向与地面平行 则称它为水平极化波 二 无线电发射 声音及其传播 1 声音是由振动产生的 振动体周围产生声波 声波在空气中以340m s的速度传送 随着距离的增加 衰减是很快的 传送距离是有限的 音调的高低 就是声音的频率 20Hz 20KHz 叫做 音频 无论一个人怎样尽力大喊 靠声波都是传不远的 2 有线传输 3 无线电波 与声波有着本质的不同声波 是机械振动的结果无线电波 是电磁振荡的产物电磁波 无线电波 的产生 导线中流过交变的电流 产生交变的磁场 在其周围再产生变化的电场 又激起变化的磁场 形成不可分割的电场和磁场 像水波一样向外传播 形成电磁波 传输的是音频电流 离不开导线 传输不远 放大器 电磁波的传播速度是 3 108m s 在无线电广播中我们会经常听到 这里是 广播电台 千赫 这是在告诉我们这家电台的名称和发射的无线电波频率 交流电每秒发生50次改变方向和大小的周期性变化 在电学里 把电流强度随时间作周期性变化的电流叫作振荡电流 交流电就是一种振荡电流 振荡电流每秒周期性变化的次数叫作振荡频率 在无线电技术里 向外发射的是高辐射能量的高频 一般在几百千赫以上 振荡电流 而每秒振荡几十次的低频振荡电流的辐射能量很低 在无线电广播技术中是不适用的 4 有线传输中的音频能否产生电磁波传播出去原因 a 通过天线向外辐射 天线的长度与波长 相比拟 4 2 音频频率 f 20 20kHz c f 15x103 15x106mb 串台 都是音频频率 1 无线电通信系统是通过空间辐射方式传送信号 根据电磁波理论 对于语音信号来说 相应的辐射天线尺寸要在几十公里以上 实际上这是不可能制造出来的 而调制过程则将信号的频谱搬移到任何所需的较高频率范围 这样就容易以电磁波形式辐射出去 2 如果不进行调制而是把被传送的信号直接辐射出去 那么各电台所发出的信号频率就会相同 它们混在一起 收信者将无法选择所要接收的信号 而调制作用的实质是把各信号的频谱搬移 使它们互不重叠地占据不同的频率范围 也即信号分别托附于不同频率的载波上 接收机就可以分离出所需频率的信号 不致互相干扰 故 需要高频信号形成无线电波 无线电波的频率越高越容易传播5 无线电波特点 频率高 天线尺寸小 可以有效辐射 频率范围宽 分占 不重叠 6 无线电波划分 按波长 超长波 长波 中波 短波 微波等等 7 无线电波的传播方式 和光波一样 具有直射 绕射 反射 折射的传播能力 地波 天波 空间波 长波和中波 短波 超短波和微波 雷达 导航 卫星等 中波基本上是沿地表传播 受地面的吸收作用 使中波的传播距离受到限制 但中波的信号稳定 多用于省市以内较近距离的无线电广播 短波的传播主要靠地面和天空中电离层之间的反射 虽然信号没有中波稳定 但传播距离远 多用于国际间的无线电广播 超短波能够穿透电离层而不被其反射 与光线的传播性质相似 主要用于电视 雷达和近距离通讯 短波波段收听效果 波长 频率MHz白天收听11m25 6 26 1很少使用13m21 45 21 85冬天效果最好 其他季节也好16m17 48 17 90全年优秀 通常日落前三个多小时内效果很好 19m15 10 15 80全年白天最佳波段 通常日落前三个多小时内效果很好 22m13 57 13 87应该是一年好的波段 25m11 60 12 1 最佳时刻日出 日落两小时前后 夜晚收听19m夏季晚上经常效果较好22m13 57 13 87MHz夏季使用25m最佳时刻日出 日落两小时前后31m9 400 9 90MHz最佳全年夜晚波段 从日落两小时前直到深夜 41m7 100 7 60MHz天黑以后 全年晚上收听效果好49m5 80 6 20MHz天黑后 全年晚上最佳波段 8 既然无线电发射靠的是高频振荡电流 那高频电流又是怎样产生的呢 产生高频振荡电流的电路叫作高频振荡电路 它一般是由一个线圈 用字母L表示 和电容 用字母C表示 构成的回路组成 所以叫LC振荡电路 如图所示 在电路 a 中 电容C经由一个开关K和电池组并联 电池组向C充电 当C充满电荷时 两极板间的电场最强 其两端的电压也最大 等于电池组的电压 这时开关没有把线圈接入 LC回路呈开路状态 电路中的能量全部是电能 当开关K扳向线圈 把电池组和电容断开 LC就构成了闭合回路 这时电容C便通过线圈L放电 由于L的自感作用 放电电流i不能立刻达到最大值而只能逐渐增大 在放电过程中 电容极板上的电荷逐渐减少 电场逐渐减弱 但随着L中的电流增大 线圈中的磁场却逐渐加强 在C放电的过程中 LC回路中的电场能被逐渐转变为线圈中的磁场能 C放电完毕 极板上的电荷和电场全部消失 通过L中的电流达到最大值 电容C中的电场能全部转变为线圈L中的磁场能 如图 b 在此过程中形成了振荡电流i的OA段 随后 由于线圈L的自感作用 电流到达最大值后并不立即消失 而是逐渐减小 线圈L中的磁场也开始减弱 磁场的变化要产生感生电流 因此电容C又被感生电流反方向重新充电 这时 电容极板上的电荷极性和极板间的电场方向跟以前相反 在这个过程中 L中的磁场能又被逐渐转变成为电容器中的电场能 随着磁场的逐渐减弱 感生电流也逐渐减小 当L中的磁场减小到零时 全部能量返回电容C 此时C极板两端的电压和极板间的电场又达到最大值 但方向和原来相反 如图 c 所示 于是形成了振荡电流i的AB段 接着 电容器C又要通过线圈L进行放电 产生和前面放电电流方向相反的电流 放电完毕时 电路中的磁场又再一次的全部转变成磁场能 只是这时线圈中的磁场方向和图 b 相反 如图 d 所示 这个过程形成了振荡电流i的BC段 而后 在线圈L的自感作用下 感生电流再次使电容C充电 线圈中的磁场能又如图 e 所示 全部转化为电容器的电场能 形成了振荡电流的CD段 这样上述电场和磁场周期性转化的过程就会反复循环地进行下去 从而在LC回路中得到周期性变化的振荡电流 其实 在LC振荡回路中 由于线圈导线中有电阻的存在 必然要引起能量损失 所以振幅 振荡电流i的最大值 会逐渐减小 最终导致停振 这种振荡被称作减幅振荡或阻尼振荡 其振荡波形如 a 如果能在振荡过程中适时地给LC回路补充能量 来补偿电路上的能量损耗 那么振幅就会保持不变 这种振幅不变的振荡叫作等幅振荡 如图 b 所示 在无线电发射技术中 所需要的是等幅振荡 这就需要不断地给振荡回路补充能量 在实际电路中的做法是 从振荡回路取出一部分振荡电流送给放大器进行放大 然后把经放大器放大的振荡电流再补充给振荡回路 就使得振荡电路能够保持等幅振荡 这种放大器和LC回路被统称为振荡电路或振荡器 下图就是一个振荡电路的示意图 由振荡器产生的高频等幅振荡电流在LC回路中不断地使电容器C内的电场和线圈L内的磁场发生转变 由于电容器C极板间的距离很小 线圈L也绕成螺线管状 回路中的电场和磁场几乎完全集中在电容器和线圈的内部 这种振荡回路向外辐射的电磁能量极小 是不利于向外辐射电磁波的 通常把这种振荡电路叫作闭合振荡电路 为了有效地发送电磁波 就要使振荡电路中的电场和磁场尽可能地分布到周围空间 这就必须对闭合振荡电路加以变化 把电容器的极板尺寸加大 并把极板间的距离也相应变化和增大 就会使电容器内部电场向外辐射增多 如果继续变化 直至把两个极板变成两条导线 一条伸入高空成为天线 另一条埋入地下成为地线 就变成了如图所示的开放式振荡电路 9 怎样的振荡电路才能有效向外辐射电磁波呢 开放式电路的天线和地线之间形成的分布电容替代了原来的电容器C 大大地增加了电场分布的空间 电场的周围又产生磁场 磁场的周围又产生电场 于是有效地把电磁波向周围空间辐射出去 在无线电技术里 把载运音频信号 或其它低频信号 的高频无线电波称为载波 把音频信号 或其它低频信号 加载到高频无线电波的过程叫作调制 没有加载音频信号 或其它低频信号 的无线电波称为等幅波 加载音频信号以后的无线电波被叫作调制波 用来调制载波的音频信号也叫作调制信号 10 如何将音频信号加载到高频无线电波中去呢 调制 Modulate 调制 把音频信号 装载 到高频载波信号上去的过程载波信号 高频振荡信号 有三个要素 振幅Um角频