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无线电(自由空间传播的电磁波)

无线电是指在所有自由空间(包括空气和真空)传播的电磁波,是其中的一个有限频带,上限频率在300GHz(吉赫兹),下限频率较不统一, 在各种射频规范书, 常见的有3KHz~300GHz(ITU-国际电信联盟规定),9KHz~300GHz,10KHz~300GHz。

麦克斯韦最早在他递交给英国皇家学会的论文《电磁场的动力理论》中阐明了电磁波传播的理论基础。他的这些工作完成于1861年至1865年之间。

1864年,英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上,建立了完整的电磁波理论。他断定电磁波的存在,推导出电磁波与光具有同样的传播速度。1887年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。之后,人们又进行了许多实验,不仅证明光是一种电磁波,而且发现了更多形式的电磁波,它们的本质完全相同,只是波长和频率有很大的差别。

海因里希鲁道夫赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)在1886年至1888年间首先通过试验验证了麦克斯韦的理论。他证明了无线电辐射具有波的所有特性,并发现电磁场方程可以用偏微分方程表达,通常称为波动方程。

无线电的发明人是美籍塞尔维亚裔科学家尼古拉特斯拉 [1]

1893年,尼古拉特斯拉(Nikola Tesla)在美国密苏里州圣路易斯首次公开展示了无线电通信。在为“费城富兰克林学院”以及全国电灯协会做的报告中,他描述并演示了无线电通信的基本原理。他所制作的仪器包含电子管发明之前无线电系统的所有基本要素。尼古拉特斯拉于1897年在美国获得了无线电技术的专利。然而,美国专利局于1904年将其专利权撤销,转而授予马可尼发明无线电的专利。这一举动可能是受到马可尼在美国的经济后盾人物,包括托马斯爱迪生,安德鲁卡耐基影响的结果。

1906年圣诞前夜,雷吉纳德菲森登(Reginald Fessenden)在美国麻萨诸塞州采用外差法实现了历史上首次无线电广播。菲森登广播了他自己用小提琴演奏“平安夜”和朗诵《圣经》片段。位于英格兰切尔姆斯福德的马可尼研究中心在1922年开播世界上第一个定期播出的无线电广播娱乐节目。

古列尔莫马可尼(Guglielmo Marconi)(又译伽利尔摩马可尼)拥有通常被认为是世界上第一个无线电技术的专利,英国专利12039号,“电脉冲及信号传输技术的改进以及所需设备”,实际上马可尼只是改进了无线电。

1909年,马可尼和卡尔费迪南德布劳恩(Karl Ferdinand Braun)由于“发明无线电报的贡献”获得诺贝尔物理学奖。1943年,在尼古拉特斯拉去世后不久,美国最高法院重新认定尼古拉特斯拉的专利有效,宣布马可尼的无线电专利无效。美国最高法院承认了尼古拉特斯拉的发明在马可尼的专利之前就已完成,认可他对无线电关键技术的专利优先权。有些人认为作出这一决定是出于经济原因,这样二战中的美国政府就可以避免付给马可尼公司专利使用费。

1898年,马可尼在英格兰切尔姆斯福德的霍尔街开办了世界上首家无线电工厂,雇佣了大约50人。

无线电经历了从电子管到晶体管,再到集成电路,从短波到超短波,再到微波,从模拟方式到数字方式,从固定使用到移动使用等各个发展阶段,无线电技术已成为现代信息社会的重要支柱。

还有俄国发明家波波夫,俄罗斯人认为他在1895年也发明了无线电。

无线电的诞生九十几年前,“嘀、嘀、嘀”三声微弱而短促的讯号,通过电波传过2500公里的大西洋对岸,从此向世界宣布了无线电的诞生。那是1901年12月12日,扎营守候。

在位于加拿大东南角的纽芬兰(Newfoundland)讯号山(SignalHill)的马可尼,用气球和风筝架设接收天线,终于接收到从英国西南角的宝窦(Poldhu),用大功率发射电台发送“S”字符的国际莫尔斯电码。这是有史以来第一次人类跨过大西洋的无线电通讯,这个实验向世人说明了无线电再也不是仅限于实验室的新奇东西,而是一种实用的通讯媒介。这一消息轰动了全球,激发了广大无线电爱好者浓厚兴趣,推动了业余无线电运动蓬勃发展。

虽然马可尼的试验结果令人相当振奋,可是当时一般人认为无线电行径类似光波,发射之后,绝对是呈直线前进,从英国到加拿大,再怎么说一定是无法完成直线的无线电通讯(因为地球表面是弧形的),当时的科学理论更证明,从英国发射后的无线电波一定直驱太空,怎么可能达加拿大?可是从马可尼用简陋的无线电设备征服长距离通讯的试验记录看来,白天,讯号可以远达700英哩,晚间更远达2,000英哩以上,这些试验数据,使得以往的理论所推展出来的必然结果,开始发生动摇了。

与此同时KENNELLY君及HEAVISIDE君不约而同地分别提出了同样的看法:就是在地球大气层中有电子层的存在,它可以像镜子般,把无线电折射回地球,而不致于直奔太空,由于这种折射回返的讯号,使得远方的电台才得以互相通讯,这种对无线电波有如镜子般作用的电子层称做KENNELLYHEAVISIDE层,但现今一般称之为电离层(lonosphre),而短波之所以如此发达就是受了电离层之赐。

从一九二五年开始,许多科学家便开始进行电离层的探堪工作,经由向电离层发射无线电脉冲讯号,然后从电离层折反的回声(Echo)中,可以了解到电离层的自然现象,所得到的结果就是:地球上空的电离层就像是一把大伞涵盖了地球,而且随着白天或夜晚或季节的变化而变动,同时发现某些频率可以穿过电离层,而有些频率则以不同角度折返地表,虽然对电离层已经掀开了面纱而有了某种程度的了解,使得短波的国际通讯有了很大的发展,但是这六十多年来,科学家均不放过任何继续研究电离层的机会,甚至火箭发射、人造卫星试验及最近的太空梭飞行,均设计有某些实验,以期能更进一步了解电离层,借超高速电脑的帮助,透过假设的模型最后希望能够像气象般,可以预测未来几天的电离层状况。

无线电的发展史,在很大程度上就是人们对各波段进行研究、运用的历史。首先被运用的是长波段,因为长波在地表激起的感生电流小、电波能量损失小,而且能够绕过障碍物。但长波的天线设备庞大、昂贵,通讯容量小,这促使人们寻求新的通讯波段。二十世纪20年代,业余无线电爱好者发现短波能传播到很远的距离。1931年出现了电离层理论,电离层正象赫兹所说的镜子。它最适于反射短波。短波电台既经济又轻便,它在电讯和广播中得到了普遍应用。但是电离层受气象、太阳活动及人类活动的影响,使通信质量和可靠性下降,此外短波段容量也满足不了日益增长的需要。短波段为3MHz~30MHz,按每个短波台占4KHz频带计算,仅能容纳几千个电台,每个国家只能分得很有限的电台数,电视台(8MHz)就更挤不下了。从二十世纪40年代开始,世界上发展了微波技术。微波已接近光频,它沿直线传播,而且能穿过电离层不被反射,所以微波需经中继站或通讯卫星将它反射后传播到预定的远方。

光绪二十三年四月一日(1897年5月2日)《时务报》第25册刊出译文《无线电报》,这是无线电报一词在中国的最早出现。自此,拉开了无线电报经由期刊传播的序幕。早期的无线电报技术传播主要以综合类期刊为主,多为介绍新鲜事物的文章,随后才出现了介绍原理的科技类论文,其中不乏最新的技术及发明的篇目。随着无线电报技术的发展,在期刊中传播的内容也有所变化,出现了诸多法令性的文章。从晚清后期期刊中传播的文章来看,已自成体系,为其今后专业期刊的出现以及学科建制的形成奠定了理论基础。

无线电技术是通过无线电波传播信号的技术。无线电技术的原理在于,导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象,通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端,电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化中提取出来,就达到了信息传递的目的。

无线电的最早应用于航海中,使用摩尔斯电报在船与陆地间传递信息。无线电有着多种应用形式,包括无线数据网,各种移动通信以及无线电广播等。

以下是一些无线电技术的主要应用:

无线通信在现代通信中占据着极其重要的位置,几乎任何领域都使用无线通信,包括有商业、气象、金融、军事、工业、民用等。我们可从通信系统、调制方式、多址方式等几方面可看到无线通信系统种类的繁多。 类 别 种 类 通信系统 卫星通信系统、蜂窝移动通信系统、无线寻呼系统、短波通信系统、微波通信系统等 调制方式 AM、FM、LSB、USB、ISB、FSK、PSK、MSK、GMSK、QAM等 多址方式 时分多址(TDMA)、频分多址( FDMA)和码分多址(CDMA)等。

1.声音

* 声音广播的最早形式是航海无线电报。它采用开关控制连续波的发射与否,由此在接收机产生断续的声音信号,即摩尔斯电码。

* 调幅广播可以传播音乐和声音。调幅广播采用幅度调制技术,即话筒处接受的音量越大则电台发射的能量也越大。这样的信号容易受到诸如闪电或其他干扰源的干扰。

* 调频广播可以比调幅广播更高的保真度传播音乐和声音。对频率调制而言,话筒处接受的音量越大对应发射信号的频率越高。调频广播工作于甚高频段(Very High Frequency,VHF)。频段越高,其所拥有的频率带宽也越大,因而可以容纳更多的电台。同时,波长越短的无线电波的传播也越接近于光波直线传播的特性。

* 调频广播的边带可以用来传播数字信号如,电台标识、节目名称简介、网址、股市信息等。在有些国家,当被移动至一个新的地区后,调频收音机可以自动根据边带信息自动寻找原来的频道。

* 航海和航空中使用的话音电台应用VHF调幅技术。这使得飞机和船舶上可以使用轻型天线。

* 政府、消防、警察和商业使用的电台通常在专用频段上应用窄带调频技术。这些应用通常使用5KHz的带宽。相对于调频广播或电视伴音的16KHz带宽,保真度上不得不作出牺牲。

* 民用或军用高频话音服务使用短波用于船舶,飞机或孤立地点间的通讯。大多数情况下,都使用单边带技术,这样相对于调幅技术可以节省一半的频带,并更有效地利用发射功率。

* 陆地中继无线电(Terrestial Trunked Radio, TETRA)是一种为军队、警察、急救等特殊部门设计的数字集群电话系统。

2.电话

* 蜂窝电话或移动电话是当前最普遍应用的无线通信方式。蜂窝电话覆盖区通常分为多个小区。每个小区由一个基站发射机覆盖。理论上,小区的形状为蜂窝状六边形,这也是蜂窝电话名称的来源。当前广泛使用的移动电话系统标准包括:GSM,CDMA和TDMA以及LTE。运营商提供的3G移动通信服务,其主导标准为UMTS和CDMA2000,运营商提供的4G移动通信服务TD-LTE和FDD-LTE。

* 卫星电话存在两种形式:INMARSAT 和铱星系统。两种系统都提供全球覆盖服务。 INMARSAT使用地球同步卫星,需要定向的高增益天线。铱星则是低轨道卫星系统,直接使用手机天线

3.电视

* 通常的模拟电视信号采用将图像调幅,伴音调频并合成在同一信号中传播。

* 数字电视采用MPEG-2图像压缩技术,由此大约仅需模拟电视信号一半的带宽。

4.紧急服务

* 无线电紧急定位信标(emergency position indicating radio beacons,EPIRBs),紧急定位发射机或 个人定位信标是用来在紧急情况下对人员或测量通过卫星进行定位的小型无线电发射机。它的作用是提供给救援人员目标的精确位置,以便提供及时的救援。

5.数据传输

* 数字微波传输设备、卫星等通常采用正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)。QAM调制方式同时利用信号的幅度和相位加载信息。这样,可以在同样的带宽上传递更大的数据量。

* IEEE 802.11是当前无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN)的标准。它采用2GHz或5GHz频段,数据传输速率为11 Mbps或54 Mbps。

* 蓝牙(Bluetooth)是一种短距离无线通讯的技术。

6.辨识

* 利用主动及被动无线电装置可以辨识以及表明物体身份。(参见射频识别)

7.其它

* 业余无线电是无线电爱好者参与的无线电台通讯。业余无线电台可以使用整个频谱上很多开放的频带。爱好者使用不同形式的编码方式和技术。有些后来商用的技术,比如调频,上边带调幅,数字分组无线电和卫星信号转发器,都是由业余爱好者首先应用的。

所有的卫星导航系统都使用装备了精确时钟的卫星。导航卫星播发其位置和定时信息。接收机同时接受多颗导航卫星的信号。接收机通过测量电波的传播时间得出它到各个卫星的距离,然后计算得出其精确位置。

Loran系统也使用无线电波的传播时间进行定位,不过其发射台都位于陆地上。

VOR系统通常用于飞行定位。它使用两台发射机,一台指向性发射机始终发射并象灯塔的射灯一样按照固定的速率旋转。当指向型发射机朝向北方时,另一全向发射机会发射脉冲。飞机可以接收两个VOR台的信号,从而通过推算两个波束的交点确定其位置。

无线电定向是无线电导航的最早形式。无线电定向使用可移动的环形天线来寻找电台的方向。

雷达通过测量反射无线电波的延迟来推算目标的距离。并通过反射波的极化和频率感应目标的表面类型。

导航雷达使用超短波扫描目标区域。一般扫描频率为每分钟两到四次,通过反射波确定地形。这种技术通常应用在商船和长距离商用飞机上。

多用途雷达通常使用导航雷达的频段。不过,其所发射的脉冲经过调制和极化以便确定反射体的表面类型。优良的多用途雷达可以辨别暴雨、陆地、车辆等等。

搜索雷达运用短波脉冲扫描目标区域,通常每分钟2-4次。有些搜索雷达应用多普勒效应可以将移动物体同背景中区分开来

寻的雷达采用于搜索雷达类似的原理,不过对较小的区域进行快速反复扫描,通常可达每秒钟几次。

气象雷达与搜索雷达类似,但使用圆极化波以及水滴易于反射的波长。风廓线雷达利用多普勒效应测量风速,多普勒雷达利用多普勒效应检测灾害性天气。

微波炉利用高功率的微波对食物加热。(注:一种通常的误解认为微波炉使用的频率为水分子的共振频率,而实际上使用的频率大概是水分子共振频率的十分之一。)

日本科学家提出了在太空中建立大型的太阳能电站,将电能转化为微波送回地球。

2007年06月08日新浪科技新浪科技讯北京时间6月8日消息,据英国《泰晤士报》报道,美国麻省理工学院的科学家们完成了一项实验,他们使用两个相距2米的铜线圈,成功地通过无线电力传输点亮了一个功率为60瓦的电灯泡。

无线电波可以产生微弱的静电力和磁力。在微重力条件下,这可以被用来固定物体的位置。

宇航动力: 有方案提出可以使用高强度微波辐射产生的压力作为星际探测器的动力。

是通过射电天文望远镜接收到的宇宙天体发射的无线电波信号可以研究天体的物理、化学性质。这门学科叫射电天文学。

电磁波

(1)产生:当导体中通过迅速变化的电流时,导体就会向它周围的空间发射电磁波。

(2)传播:电磁波的传播不需要介质,可以在真空中传播,也可在介质中传播。无线电通信中使用的电磁波叫无线电波,是频率在一定范围内的电磁波。(3)频率、波长、波速间的关系:电磁波在真空中传播的速度与光速相同,在空气中传播的速度和在真空中近似。频率、波长、波速三者间的关系为波速=波长x频率(或波速=波长/周期),用字母表示为v=λf(或v=λ/t)。

波段应用

海岸:潜艇通信

海上导航

大气层内中等距离通信

地下岩层通信

海上导航

广播

海上导航

远距离短波通信

短波广播

电离层散射通信(30-60MHz)

流星余迹通信(30-100MHz)

人造电离层通信(30-144MHz)

对大气层内、外空间飞行体(飞机、导弹、卫星)的通信

对大气层内电视、雷达、导航、移动通信

对流层工散射通信(700-1000MHz)

小容量(8-12路)微波接力通信(352-420MHz)

中容量(120路)微波接力通信(1700-2400MHz)

大容量(2500路、6000路)微波接力通信(3600-4200MHz,5850-8500MHz)

数字通信

卫星通信

波导通信

无线电广播和电视

(1)无线电波是一种信息运载工具,利用它来传递声音信号和图像信号。

(2)发射过程(电台和电视台完成)。

(3)接收过程(收音机和电视机完成)。

无线电波含有迅速振动的磁场。振动的速度就是波的频率,以赫兹(Hz)为单位。1赫兹等于每秒振动一下。一千赫(kHz)等于1000赫兹。不同频率的波段用来发射各种不同的信息。

无线电按波长和频率分

长波:波长>1000,频率300KHz-30KHz

中波:波长100M-1000M,频率300KHz-3000KHz

短波:波长100M-10M,频率3MHz~30MHz

超短波:波长1M-10M,频率30MHz-300MHz,亦称甚高频(VHF)波、米波

微波:波长1M-1MM,频率300MHz-300KMHz,

无线电按用途分:民用、商用、军用。

民用:一般指我们听得无线广播,一般没有这样高的波段

商用:机场、通讯运营商使用的无线电

军用:军事用途。

软件无线电(SoftwareRadio)是无线电通信方面的一种新的变革。它的核心技术是用宽频带无线接收机来代替原来的窄带接收机,将宽带的模拟/数字和数字/模拟变换器尽可能地靠近天线,而将电台的功能尽可能多地采用软件来实现。

最初提出“软件无线电”概念的是JeoMitola,1992年5月在美国通信系统会议上首次提出了这种概念。很快就在世界各国引起了注意,特别是军方的注意。这是因为现代军事通信对无线电通信系统的可靠性、兼容性、互通性、灵活性以及抗干扰、抗毁性、保密、安全等都有更高的要求。

美国军方与Hazeltine公司研制了一种名为“Speakeasy”(易通话)软件无线电台,实现了美军通用的多频段、多功能的无线电平台,能兼容军队现有的各种电台,能同时处理4种以上不同的调制波形。这种电台可以称得上是一种带有天线的、能进行话音和数据传输的“掌上电脑”。通信的业务包括话音、数据和视频图像等,因此被认为是未来发展的趋势。

软件无线电的出现,是无线电通信从模拟到数字、从固定到移动后,由硬件到软件的第三次变革。被认为是继模拟通信技术、数字通信技术之后的第三代无线通信技术。

从已经研制出来的软件无线电台来看,其结构和功能具有良好的可扩展性,是未来无线电通信的发展方向。


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