无线电通信系统与电磁波

无线通信系统与电磁波•基本通信系统：信源传输通道信宿无线通信系统•无线通信系统组成：信源（发送设备）、（传输通道）传输设备、（信宿）接收设备。信息变换器发射机电信号高频电振荡发射天线电磁波接收天线接收机变换器信息高频电振荡电信号发送设备传输设备接收设备无线通信系统•发送设备：1.变换器（换能器）：将被发送的信息变换为电信号。如话筒将声音变为电信号；2.发射机：将换能器输出的电信号变为强度足够的高频电震荡。3.天线：将高频电振荡变成电磁波向传输媒质辐射。无线通信系统•接收设备：1.接收天线，将空间传播到其上的电磁波转化为高频电振荡。2.接收机，将高频电振荡转化为电信号。3.变换器（换能器），将电信号转化为所传送信息。•传输媒质：电磁波。无线通信系统•无线通信是利用电磁波信号在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。无线通信系统•无线通信系统中使用的是波长从0.3毫米到3000米的电磁波，这个区间内的电磁波就叫做无线电波。•电磁波：是能量的一种。凡是高于绝对零度（-273.15℃）的物体，都会释放电磁波。正如人们生活在空气里却看不见空气一样，除光波外，人们也看不见无处不在的电磁波。电磁波•电磁波=电磁+波•波是什么：波是振动在物质中传播能量的一种形式，我们常见的波有机械波（如声波、水波）、电磁波（无线电波、宇宙射线、光波）等。电磁波•波的形式：正弦波正弦波是频率成分单一的一种信号。对于一个正弦量来说，如果幅值、频率、初相位确定了，那么这个正弦量就完全确定了。幅值、频率、相位称为正弦量的三要素。正弦波可表达为：Asin(ωt+φ)，其中：A为振幅；ω为角频率（ω=2πf,f为频率）；φ为初相位（描述波前状态的量）。电磁波•频率：波或交变电流电压在单位时间内完成周期性变化的次数，称为频率，单位:赫兹（Hz）。例如；交流市电的频率为50Hz；声音信号的频率范围为20Hz-20000Hz；我国所处地区中波广播发射信号的频率范围为526.5-1606.5kHz,我国调频广播发射信号的频率范围为87-108MHz。电磁波电磁波•波长：沿着波的传播方向，两个相邻的同相位质点间的距离叫做“波长”。它是指波动媒质中，任意两个相位差为2π的质点之间的距离。在质点振动的一个周期内，振动状态传播的距离恰是一个波长。波长最长的无线电从长波，到中波，短波，微波，然后是红外，可见光，紫外，X光，直到波长最短的伽玛射线电磁波•波速：单位时间内波形传播的距离，称波速。通常以V表示，单位是米/秒。声波在空气中传播的速度为340m/s。真空下的电磁波波速为299792458m/s，近似为30万千米每秒，而在任何介质中电磁波波速均小于这一数值。波速（V）与波长（λ）和频率（f）的关系：f=1/TV=距离/时间=一个波的长度/一个波的时间=λ/T=λ·f电磁波•电磁波二象性是指电磁波既有波动的性质又有粒子的性质。光的干涉和衍射实验显示光有波动性，光的偏振实验进一步显示光具有横波的性质。后来麦克斯韦的电磁理论和赫兹实验表明，光是电磁波。另一方面，其后黑体辐射、光电效应和康普顿效应等实验又表明，光具有微粒性。电磁波•光电效应：在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。横波的特点是质点的振动方向与波的传播方向相互垂直。电磁波就是横波。横波在传播过程中，横波凡是波传到的地方，每个质点都在自己的平衡位置附近振动。由于波以有限的速度向前传播，所以后开始振动的质点比先开始振动的质点在步调上要落后一段时间，即存在一个位相差。横波的传播，在外表上形成一种“波浪起伏”，纵波是质点的振动方向与传播方向同轴的波。如敲锣时，锣的振动方向与波的传播方向就是一致的，所以声波是纵波。亦称“疏密波”，纵波的传播过程是沿着波前进的方向出现疏密不同的部分。实质上，纵波的传播是由于介质中各体元发生压缩和拉伸的变形，并产生使体元回复原状的纵向弹性力而实现的。因此纵波只能在拉伸压缩的弹性的介质中传播，一般的固体、液体、气体都具有拉伸和压缩弹性，所以它们都能传递纵波。干涉（interference）是两列或两列以上的波在空间中重叠时发生叠加从而形成新的波形的现象。衍射（英语：diffraction）是指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。任何物体都具有不断辐射、吸收、反射电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。•直射：是无线电波在自由空间传播的方式。•反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，就会发生反射。反射常发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。•绕射（衍射）：波在传播时，若被一个大小接近于或小于波长的物体阻挡，就绕过这个物体，继续进行。•散射：就是由于介质中存在的微小粒子（异质体）或者分子对电磁波的作用，使电磁波偏离原来的传播方向而向四周传播的现象。当障碍物小于波长时且单位体积内这种障碍物数量非常多时发生。如粗糙表面、小物体、不规则物体树叶灯柱等。电磁波的传播电磁波电磁波的传播电磁波电磁波的传播电磁波的传播电磁波长波地波超远程无线电通信和导航中波地波和天波调幅无线电广播和电报通信中短波短波天波超短波近似直线传播调频无线电广播电视导航分米波微波直线传播电视雷达导航厘米波毫米波•地波：沿地面传播的无线电波叫地波，又叫表面波。•电波的波长越短，越容易被地面吸收，因此只有长波和中波能在地面传播。地波不受气候影响，传播比较稳定可靠。但在传播过程中，能量被大地不断吸收，因而传播距离不远。所以地波适宜在较小范围里的通信和广播业务使用。电磁波的传播•当电波沿地面传播时，在地面要产生感应电流。由于大地不是理想导电体，因此感应电流在地面流动要消耗能量，这个能量是由电磁波供给的。这样，电波在传播过程中，就有一部分能量被大地吸收。电磁波的传播•影响地波传播的因素：1、地面的导电性能越好，吸收越小，则电波传播的损耗越小。电波在海洋上的传播损耗最小，湿土和江河湖泊上的损耗次之，干土和岩石上的损耗最大。2、电波的频率越低，损耗越小。因为地电阻与电波频率有关，所以频率越高，感应电流更趋于表面流动，趋肤效应使流过电流的有效面积减小，损耗增大。3、垂直极化波较水平极化波衰减小。这是因为水平极化波的电场与地面平行，导致地面的感生电流增大，故产生较大的衰减。当天线架设较低，且其沿地面方向为最大辐射方向时，主要是地波传播。•天波：经过空中电离层的反射或折射后返回地面的无线电波叫天波。所谓电离层，是地面上空60～1000公里高度电离了的大气层包含有大量的自由电子和正离子。•一年四季和昼夜的不同时间，电离层都有变化，影响电波的反射，因此天波传播具有不稳定的特点。白天电离作用强，中波无线电波几乎全部被吸收掉，在收音机里难以收到远地中波电台播音；夜晚电离层对短波吸收的比较少，收听到的广播就比较多，声音也比较清晰。由于电离层总处在变化之中，反射到地面的电波有强有弱，所以用短波收音时会出现忽大忽小的衰落现象。电磁波的传播电磁波的传播•散射波传播：电波通过空间大气对流层或电离层中介质的不均匀性对电波的散射作用而传播到接收点•自由空间传播：电波由发射天线直接传播到接收点。电波的损耗只和传播距离和电波频率有关系。电磁波的传播•视距传播：电波在直视距离内进行的空间传播。在直视距离内才能稳定地接收信号。直视距离与发射天线和接收天线的高度有关，并受地球曲率和地形的影响。d为收发两点的距离，h1和h2分别为收发天线的高度•电离层能反射电波，也能吸收电波。对频率很高的电波吸收的很少。短波（即高频）是利用电离层反射传播的最佳波段，它可以借助电离层这面“镜子”反射传播；被电离层反射到地面后，地面又把它反射到电离层，然后再被电离层反射到地面，这样经过多次反射，电磁波可以传播10000km以上。电磁波的传播•电磁波的产生：电磁波是电磁场的一种运动形态，电与磁可以说是一体两面，电流会产生磁场，变动的磁场会产生电流。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场。电磁波的传播•通过电场、磁场之间不断的能量转换，电磁波得以从半波振子向外传播，电场和磁场的方向与传播方向保持垂直。电场电场电场振子电波传输方向磁场磁场电磁波的传播电磁波的传播•无线电信号的衰落：一般分为快衰落与慢衰落两种•慢衰落：是由接收点周围地形地物对信号反射，使得信号电平在几十米范围内有大幅度的变化，若MS在没有任何障碍物的环境下移动，则某点信号电平与该点和发射机的距离有关。•快衰落：是叠加在慢衰落的信号上的，这个衰落的速度很快，每秒钟可达到几十次，除与地形地物有关，还与MS的速度和信号的波长有关，并且幅度可达几十个dB，信号的变化呈瑞利分布，也叫瑞利衰落。电磁波的传播•阴影效应：当有大型建筑物和其他物体的阻挡而在传播接收区域上形成半盲区的现象。•电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。超短波的绕射能力较弱，在高大建筑物后面会形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关，还和频率有关。例如一个建筑物的高度为１０米，在距建筑物２００米处接收的信号质量几乎不受影响，但在距建筑物１００米处，接收信号场强将比无高搂时明显减弱。如果建筑物的高度增加到５０米时，则在距建筑物１０００米以内，接收信号有不同程度的减弱。也就是说，频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越低，建筑物越矮、越远，影响越小。电磁波的传播•多普勒效应:当一辆救护车迎面驶来的时候，听到声音越来越刺耳；而车离去的时候声音越来越低。波在波源移向观察者接近时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频。当观察者移动时也能得到同样的结论，所以便发生了频移。•多径效应:指电磁波经不同路径传播后，各分量场到达接收端时间不同，按各自相位相互叠加而造成干扰，使得原来的信号失真，或者产生错误。电磁波的传播