无线电波

无线电波 无线电波 　 　无线电波是电磁辐射家族中的一员。电磁辐射包括 X 射线、紫外线、以及我们每天都要用到的可见光。就 像将一个石头扔进平静的湖水中会形成水波一样，无线电信号也是从发射天线向外辐射（传播）。但与水波不同 的是，无线电波以光速传播。 　 　人们以幅度、频率和波长来表示无线电波的特征。 　 　无线电波的 频率 是在某一给定时间内电波的重复次数（即周期）。频率以 Hz 为单位。 1Hz 等于每秒一 周，数千 Hz 表为 kHz （ kilohertz ），数百万 Hz 表为 MHz （ megahertz ）。例如可将 2 182 000Hz 可写 作 2 182 kHz 或 2.182 MHz 。 　 　波长 是无线电相邻波峰间的距离。波长与频率的乘积是等于传播速度，而速度是一个常数。因此，当频率 增高时，波长缩短，反之亦然。 　 　由于无线电波以光速（每秒 300 × 10 6 米）传播，对任何频率， 用 300 除以 MHz 为单位的频率 即可 得到以米为单位的波长。所以，用 300 除以 10 ，得 10MHz 电波的波长为 30 米。 　 　在无线电频谱中，可用的频率范围大约从 20kHz （正好高于声波）到 30 000MHz 以上。相应于 20kHz 的 波长为 15 公里，相应于 30 000MHz 的波长只有 1 厘米。 　 　高频段的频率范围是 3 到 30MHz 。大多数高频电台实际使用的频率范围是从 1.6 到 30 MHz 。多数高频 远距离通信使用频率为 4 到 18 MHz 。 频率分配和调制 　 　高频频谱范围内的若干频段已被分配给各种特定用途 —— 航空、海运、军事、政府、广播即业余。此外还 按照紧急救援、广播、语音、 Morse 电码、传真、数据等不同的传输类型作进一步管制。频率分配是按国际条约 ，由国家指定的权威机构来管理的。 　 　对于无线通信，分配一个频率只是一个起点，无线电波本身并不传达信息，它只不过是有节奏的连续波流而 已。 　 　对无线电波进行调制而使其携带信息，称之为 载波 。为了传送信息，必须以表示信息的信号去改变（即 调制 ）载波的幅度、频率或相位。 　 　最简单的调制载波的方法是用电报按键控制其通断。在无线电通信的早期，用 Morse 电码进行开 - 关 键 控 是传送无线信息的唯一方法。 　 　现在无线电通信的常用方法有 调幅 （ AM ），是按与信号（例如人的声音）的幅度变化成正比的关系改变 载波的幅度。换句话说，信息包含在幅度的变化中。 　 　调幅过程产生一个载频和一对在载频附近上下两边的完全相同的边带。 AM 是一种低效率调制方式，它必含 载波。只有边带才携带信息，而 AM 信号的大部分功率都被不携带信息的载波所消耗。 　 　单边带 （ SSB ）是效率较高的调幅方式之一，采用这种调制方式时，抑制掉了载波和一个边带，只发送剩 下的一个边带 USB 或 LSB 。由于 SSB 信号只需 AM 信号频带的一半，而且只当有信号时才产生，因此 SSB 系 统的频带利用率（这必适应于许多用户）和发射机的功率利用率都较高。全部发射功率都在携带信息的边带之中 。 　 　这种的一个变种是 等效调幅 （ AME ，常用于军事和商业通信），它将被削弱了的载波与边带一起发 送。 AME 系统可用结构较简单的接收机来检测信号。另一个变种是 独立边带 （ ISB ），它发送两个边带，但 每个边带携带的信息不同，如一个边带携带数据信号，而另一个边带携带语音信号。 　 　调频 （ FM ）技术中载波的频率随调制信号成正比变化。许多技术上的原因使常规 FM 产生的信号比 AM 的更清晰，但要占用较宽的频带。有时高频电台也窄带调频，其频带利用率较高，但信号质量较差。 无线电波传播 　 　传播 描述的是，无线电信号是如何从发射源向外辐射的。可简单地想象无线电波沿着直线行进（就像石头 扔进静止湖面产生的水波）。不过，无线电波传播的实际路径往往要复杂得多。 　 　有两种传播模式：地波和天波。地波沿着地球表面传播，而天波则是被“反射”回地球的。 　 　地波 由三部分组成：表面波、直达波和地面反射波。 　 　表面波 沿地球表面行进，达地平线以远。实际上，表面波的能量会被地球吸收。表面波的有效距离主要取 决于频率以及电波行进区域的地表电导率。吸收强度随频率的升高而增大。 　 　发射无线电信号利用表面波传播的传播距离与发射机功率、接收机的灵敏度、天线的特性以及传播路径的类 型有关。一台完好的设备，在全海面导电路径上的传播距离可达 200 到 250 英里。但使用同样的设备，在干旱 、多岩石、不导电的地形上的传播距离还不足 20 英里。 　 　直达波 沿着直线行进，强渡随距离增加而减弱。它也可能会被大气折射，使其传播距离略远于地平线。要 进行通信，发射天线和接收天线必须相互能“看得见”，所以天线的高度是决定通信距离的关键因数。因此直达 波有时又叫做 视距波 （ Line-of-Sight ， LOS ）。 　 　地面反射波 是从发射机发出，经地面反射到达接收机的电波。 　 　天波 使 超视距 （ Beyond Line-of-Sight ， BLOS ）通信成为可能。对于某些特定的频率，无线电波经 折射可返回到数百、甚至数千英里远的地球表面。随着频率、一天中的时间和大气条件的不同，信号可能经过多 次反射到达接收机。 电离层 — 天然卫星 　 　电离层 是地球大气中的带电粒子（带电气体）区域，其高度在地面上空 50 到 600 公里（ 30 到 375 英 里）之间。 电离作用 使电子从原子中剥离出来而产生带电粒子，这是由太阳辐射造成的。当电离层强电离时， 其气体甚至会发光，肉眼都能看见，这就是 北极光 和 南极光 。 　 　电离层在高频无线电中何以如此重要？那是由于这厚厚的一层气体就像是天然的卫星，使超视距无线电通信 成为可能。无线电波到达这些电离层时，随频率不同，有些会被完全吸收，有些会被散射回地球，还有一些会穿 透电离层进入外太空。在低频段吸收作用较强，电离作用越强，吸收也越强。 　 　无线电波的入射角大小至关重要。如果几乎是垂直入射，电波会穿入电离层而不会被折射回地球。如果入射 角太大，电波在到达电离密度较高的电离层之前就会被其低层吸收掉。因此，入射角的大小必须大到足以将电波 折射回来，又不能太大使电波被吸收。 电离层的分层 　 　电离层中有四个不断变化电离层， E 层、 D 层、 F 层……。 　 　D 层是影响高频无线电波的最低层。因电离只在白天发生，故当太阳位于天顶时 D 层的电离浓度最大，在 近日落时很快消散。 　 　E 层的电离浓度在中午最大，近日落时开始消散，午夜时最小。 E 层中偶尔会出现云状的电离气体。这些 叫做偶发 E 区的区域可以用于高频段高段及更高频段的天波传播。 　 　F 层的 电离浓度最大， 对远距离通信最重要 。在此高度上空气非常稀薄，离子和电子复合机会很少，即 使日落后该层的电离特性也会保持下去。白天， F 层由两个不同的层， F1 和 F2 层组成。 F1 层只在白天存在 ，且冬天可以忽略，它对于高频通信并不重要。 F2 层的电离浓度在中午达最大，一直维持到午夜，以后逐渐减 弱，直到日出前大最小值。 　 　白天，若要天波被电离层反射，则要求其波长短到足以穿透 D 层和 E 层，但还不足以穿透 F 层。一般说 来， 10 到 20MH Z 的频率满足此要求。但到晚上，这同一频段的无线电波又会穿透 F 层进入外太空。通常，远 距离夜间通信最有效的频率为 3 ～ 8MH Z 。 影响大气电离的因素 　 　太阳辐射的强度是周期性变化的，故电离层的电离浓度也是周期变化的。我们可以根据如每天时间的变化和 季节变化来预知太阳的辐射强度，并使设备适应此变化以便最佳利用电离作用。 　 　春夏白昼较长，电离较强。当天波穿越电离密度高的 D 层和 E 层时会被吸收衰减，致使多数高频段的通信 距离缩短。 　 　秋冬白昼较短， D 层和 E 层电离较弱。较低频率容易穿过这样的弱电离层。因此，到达 F 层的信号较强 ，经反射可达到较远距离。 　 　另一个长周期性变化源于 11 年一度的太阳黑子活动。太阳黑子爆发的辐射造成的电离密度更大。太阳黑子 越多，电离作用越强。在太阳黑子活动较弱的年份，由于 E 层和 F 层的电离密度太弱，不足以将信号反射回地 球，故一般不用 20MH Z 以上频率。不过，在太阳黑子活动的高峰期，可使用 30MH Z 以上频率实现全球通信 …… 高频无线电系统的组成 　 　对电波传播有了总的认识，再来看看电波是怎样产生的。高频无线电系统主要有发射机、接收机和天线三大 部分组成。许多现代无线电设备将发射机和接收机合并为一个单元，叫做无线电收发机 [1] 。大型固定系统 的发射台和接收台一般设在不同地点，通常是由另一个远地台控制。 1 发射机 　 　发射机的结构虽变化多端，但它们都是由激励器和功放组成。 激励器 中的载波的幅度、频率或相位受来自 信号源（例如麦克风）的较低频率信号的调制。已调信号再变换为发送频率。在经电缆将其送往发射天线之前， 功率放大器要将信号的输出功率提升到发射机所需的瓦特数。发射机可能还包含用于清理输出信号的滤波器。使 用带通滤波器可除去噪声、寄生信号和激励器产生的谐波，或源于功放输出的谐波。这样可降低对邻近信道的干 扰。 2 接收机 　 　所有现代高频接收系统都由射频输入滤波 / 放大器，一组频率变换器以及中频放大器，解调器，和本地振 荡频率合成器组成。工作时，接收机选择所需信号，将其放大到适当电平，经过解调恢复原来信息（解调是从已 调波恢复原始调制信号的过程）。在当代无线设备中，这些功能中多数都是数字化的。 　 　为了滤除噪声和无用信号，有时可在射频输入级加入一个可调预选器（一种带通滤波器）。然后将经过滤波 的信号放大并经频率变换后再进一步处理。 　 　滤波处理还不止此。典型情况下，接收信号会在几个不同的中频经过滤波和放大。中放级的放大倍数依接收 信号的强弱而变。例如，为了输出语音或数据，解调器输出音频（基带）信号送到相应设备。同时，因为输入信 号的强度大小不等，解调器可产生一个正比于射频输入信号电平的电压，将此电压作为自动增益控制信号反送到 射频放大器和中频放大器，以保证解调器的输入大小适当。 3 天线 　 　天线是无线通信中至关重要的组成部分之一。 　 　特性和参数 　 　描述天线特性的最常用术语是阻抗、增益、辐射模式、出射角 [2] 和偏振。 　 　每一个天线都有一个 输入阻抗 ，它表征接到发射机上的负载。输入阻抗值取决于许多因素，如天线、 工作频率以及天线相对于周边物体的位置。 　 　无线电通信的基本要求是要在所需的地点和时间，寻找尽可能多的动力产生并发射信号。大多数发射机都是 设计成能高效地向 50 欧姆（欧姆是电阻单位，其符号为 ）负载提供最大功率。有些天线，如 对数周期天线 [3] 可以在某个宽频带范围内对发射机呈 50 欧姆负载，这类天线一般可直接连接到发射机。但其他天线，例 如偶极子天线、鞭状天线、长线天线等，其阻抗随频率和周围环境的变化很大。在这些情况下，要使用天线调谐 器（天线耦合器），将其置于发射机和天线之间，以改变天线对发射机呈现的负载特性，才能将发射机的输出功 率尽可能多的传送给天线。 　 　天线 增益 是天线方向性（将辐射能量向某个特定方向聚焦）的计量单位。其大小是将该天线接收到的信号 电平与一个全向天线（其辐射在各方向均等）接收到的信号电平相比较而确定的。增益用 表示，增益越大，天线 的方向性就越好。发射天线增益还直接影响到对发射机功率的技术要求。例如，若用一付增益为 10 的定向天线 取代一付全向天线，用一台 100 瓦的发射机就可以产生和一台 1 千瓦发射机和一个全向天线同样的有效辐射功 率。 　 　除增益外，用户还必须懂得天线的 辐射方向图 才能实现最佳信号传输。辐射方向图与天线设计有关，天线 相对于地面的位置对其影响很大，此外还可能会受附近建筑物和树木等物体的影响。大多数天线的方向图都不是 均匀的，这种不均匀性可以用波瓣 lobe s （辐射最强区域）和 null s （辐射最弱区域）来表征。通常，以 垂直面和水平面的两个方向图来表示（图 3.5 ），以展现天线增益与仰角（垂直方向图）方位角（水平图）的关 系。辐射方向图与频率有关，所以要全面描述一个天线的辐射方向图，就要有一组不同频率下的方向图。 　 　在确定通信距离时， 出射角 是一个重要因素，它是发射天线水平面与天线方向图的主瓣间的夹角。远距离 通信时常用小出射角，短距离通信时多用大出射角。 　 　天线相对于地面的取向决定其 极化 方向。大多数高频天线要么采用垂直极化，要么采用水平极化。垂直极 化天线的出射角小，适用于发送地波和远距离天波。垂直天线的主要缺点是受地面的电导率和本地噪声影响大。 为获得最佳效果，需采用地面屏蔽。 　 　水平极化天线的出射角较大，适用于短距离通信，远至 400 英里。通过调节天线的离地高度，有可能提高 较小出射角时的天线增益，以实现较远距离的天波传播。 　 　极化方向 　 　对于地波传播，发射天线和接收天线应采用相同的极化方向才能得到最佳效果。而对于天波传播，却无需计 划方向一致，这时由于电离层散射会改变信号的极化方向。 　 　类型 　 　高频通信中使用的天线种类繁多，在此我们仅介绍几种最常用的类型。 　 　垂直鞭状天线 是全向天线，出射角小，垂直极化，多适用于发送地面波。图 3.6 是垂直鞭状天线的典型辐 射方向图。加装一个反射器，构成第二垂直鞭，可以为其方向图添加方向性。 　 　最通用的高频天线之一是 半波偶极振子 ，其天线长度大约等于发射波长的一半。改变偶极子的取向即可使 其水平极化或垂直（中心馈电）极化。图 3.7 是一个中心馈电的水平偶极子天线。其辐射方向图随离地高度变化很大。 　 　垂直偶极天线常用于舰船和地面交通工具上。 5 噪声和干扰 　 　当你在雷暴时听收音机，一定注意到曾 [4] 出现过中断。当你正在收听你所喜爱的 FM 台时，你可能也 同时听到过飞行员向塔台急促地 [5] 飞行数据。这些都是影响接收机性能的干扰。当你想要收听音乐时 ，这些干扰很是令人烦恼，高频通信任务的成败取决于是否听到并懂得所传送的信息，所以噪声和干扰十分有害 。 　 　接收机噪声和干扰源既有来自内部的，也来自外部的。在高频的大部分频段，外部噪声电平大大超过接收机 内部噪声。信号的品质以信噪比 SNR 表示，单位为分贝（ dB ）。信噪比越高，信号品质就越好。有些干扰是无 意的 [6] ，如飞行员对塔台的呼叫。有些干扰是敌方 [7] 为破坏我方通信而故意施放的。 　 　人们采用各种技术来抗击 [8] 噪声和干扰。其中有： ⑴ 提高有效辐射功率，⑵ 设法优化工作频率， ⑶ 选择适当的调制方案， ⑷ 选择适当的天线系统，⑸ 设计能抗干扰的接收机。下面我们先看看一些常见的噪 声源和干扰源。 天然噪声源 　 　闪电是主要的大气（天然）噪声源。 大气噪声 在夏天最为频繁，晚上最强，主要处于 1 到 5MHz 频段。 已有人测定了全球各地的大气噪声平均值与一天中不同时间和季节的关系，并将其用于预测高频无线电系统的性 能。另一个 天然噪声 源是来自太空的 宇宙噪声 。它对整个高频频段的影响是均匀的，但不影响 20MHz 以下接 收机的性能。 人为噪声 　 　电力线、计算机设备等都会产生人为噪声，它们是经辐射或通过电力电缆到达接收机的。人们将这类人为干 扰称为 电磁干扰 EMI [9] ，电磁干扰在城市区域最强。人们常用无线电设备接地和屏蔽技术和对电源输入线 路滤波的方法来抑制 EMI 。   无意干扰 　 　任何时刻都有成千上万的高频发射机都在空间争用本来就比较窄的频段中的射频频谱，相互间必然会形成干 扰。在夜晚以及在靠近 MUF 的频率低端干扰最为严重。 　 　无意干扰 的一个主要来源是发射机、接收机和天线的布局。例如，船舰上地方狭窄，不得不将若干无线电 系统放在一起。 30 余年来，有人设计了许多 RF 通信系统，实现了克服布局问题的高性能集成舰载通信系统。 减小布局干扰的方法有：使天线精确定向、采用对强无用信号不会过载的接收机、精心设计以便将互调降至最低 程度的发射机等。 故意干扰 　 　故意干扰，或叫 人为干扰 ，是有意破坏通信、在工作频率上发送的干扰信号。人为干扰可能直接针对某一 个频道，也可能是宽带的。可能是连续不断的干扰，也可能只在被干扰信号存在时才进行干扰。现代军用无线电 系统采用某些技术来克服人为干扰，降低被检测和被侦听的机率。其中的 扩频技术 是以比原始信息的频率分量 宽得多的频带发射已调信息的。我们将在第 7 章讨论这些技术。 　 　信号从发射机经由多条路径到达接收机，形成衰落，这是由于这些信号会随机地相互加减造成的。  . 教材的使用及建设       由于电子技术的发展，电子线路教材的发展变化很大。 80至90年代，采用我校与华中师范大学、湖南师范大学合编《电子线路基础》（上、下册），湖北科学技术出版社出版。理论学时85+68学时，实验学时17+8学时。      2000年代，采用谢嘉奎教授编写的《电子线路》（线性、非线性两部分），理论学时85+51学时，实验学时17+17学时。存在的问题是内容多学时较少。      目前，根据学科建设和专业需要，采用的是高等教育出版社出版的普通高等教育“十五”国家级规划教材《低频电子线路》（傅丰林主编）和《高频电子线路》（胡宴如、耿苏燕主编），都是高水平的教材。理论学时68+51学时，实验（践）学时34+17+17学时。完全能满足电子线路课程教学的需要，解决日趋明显的新的教学内容不断增加而单门课程的教学时数逐步减少的矛盾。      随着EDA（Electronic Design Automation）技术、大规模集成电路的高度发展和二十一世纪高等教育培养高素质人才的需要，从2003年开始课程组修改了原有的实验教材并增加了EDA实验内容，2004年，课程组完成了《模拟电子技术EDA实验指导》的编写工作。2006年完成自编实验教材《电子线路（含高、低频和低频EDA）实验指导书》。应用1年以来，取得了较好的教学效果。《高频电子线路EDA实验指导书》正在编写中。   2. 参考教材及资料 （1）童诗白、华成英. 模拟电子技术基础（第三版）（21世纪教材）. 北京：高等教育出版社, 2001 （2）孙肖子. 模拟电子技术基础（21世纪教材）.西安：西安电子科技大学出版社，2001 （3）康华光. 电子技术基础（模拟部分（第四版））（21世纪教材）.北京： 高等教育出版社， 1999 （4）清华大学 华成英.模拟电子技术基础（第三版）教师手册. 北京：高等教育出版社，2002 （5）孙肖子、张企民.《模拟电子技术基础》教学指导书.西安：西安电子科技大学出版社，2001 （6）陈大钦等.模拟电子技术基础学习与解题指南.武汉：华中科技大学出版社，2001 （7）高文焕.模拟电路的计算机与设计——PSPICE程序应用.北京：清华大学出版社，1999 （8） Adel S. Sedra and Kenneth.C. Smith. Microelectronic Circuits(Fourth Edition). Oxford University Press. Inc., 1998 （9）张肃文.高频电子线路（第三版）.北京：高等教育出版社，2002 （10）谢嘉奎.电子线路（第四版）. 北京：高等教育出版社，2001年 （11）胡宴如、耿苏燕.高频电子线路学习指导. 北京：高等教育出版社，2006 （12）Theodore S. Rappaport. Wireless Communications Principles and Practices. Prentice-Hall, Inc., 1996 （13）谢自美.电子线路设计、实验、测试.武汉：华中理工大学出版社，1994 （14）Microelectronic Circuits：Analysis and Design, Muhammad H. Rashid    3. 相关网站 （1）www.21ic.com（中国电子网） （2）down.51eda.com (中国EDA技术网下载站) （3）www.chinadz.com（中国电子资源网） （4）www.nuedc.com.cn（全国大学生电子设计竞赛网页） （5）www.eleworld.com（电子世界杂志——设有校园电子等栏目，刊登全国大学生电子设计竞赛优秀作品论文） （6）www.zlgmcu.com/home.asp（周立功单片机网站——介绍80C51单片机的开发与应用）  4. 扩充性资料    为扩大知识面，校、院图书资料系统为学生订购了《通信学报》《电子学报》《无线电》等多种杂志，我们还给学生指定了各种参考书，同时还经常把一些反映《电子线路》最新发展以及在现代科技中应用的有关资料介绍给学生。为学生的研究性学习和自主学习的开展，提供了有效的文献资料，使学生既有教材，又有丰富的参考资料用于扩大自己的知识面，了解学科前沿。 课程组备有电子教材、电子教案、多媒体课件、网络课程、自测题库、助学课件等学习资料。包含以下几个部分： （1）有关主要内容的复习讲解。研究内容丰富、广泛，覆盖“电子线路”所有章节，且每章都有基本教学要求、内容讲解、难点释疑、例题分析、测验及知识拓宽等多种教学方式，可满足不同的学生要求。 （2）虚拟电子工作平台。学生可以对该系统的链接功能在该平台上进行电子线路的仿真实验。被链接的子系统中包含有实验讲解、仿真程序及有关元件的资料库。 （3）自测题库类型丰富、包含的知识点全面，根据学生的要求，通过交互形式，教师可以给出习题、复习题的参考答案及有关内容的解答。充分调动学生的自主学习能力、加深和巩固学生对相关知识的掌握，并便于学生自我考核。 5. 实验教材    努力进行实验教学改革，开展创新实验，近几年来，实验内容更新了50%以上。以实践教学为突破口，强化对学生实践能力的培养和综合应用能力、设计能力和创新能力的培养。在设计性实验中让学生独立经历电子系统设计的全过程，为适应上述实验教学改革的需要，编写了《电子线路（含高、低频和低频EDA）实验指导书》，学生使用后普遍反映良好，能适合学生的具体实际。《高频电子线路EDA实验指导书》正在编写中。   6. 实践性教学环境    乘教育部教学水平评估的东风，目前广西师范大学正筹备理科实验教学中心，电子线路更新了大批实验设备，建设并完善了电子线路实验，使本课程实践环节的教学得到了大大的加强，能为学生提供了良好的实践环境。 和《电子线路》课程相关的实验室有三个，两个基础实验室（包含EDA实验）和一个综合实验室。实验室总面积接近300平方米，能同时容纳40人（“一人一组”），实验室仪器设备配套齐全，完全能满足课程实践性教学要求；同时在开放的实践基地中，学生不但可以完成教学实验，而且还可以大量进行各种电子设计、课程设计、毕业设计及电子设计竞赛等课外科技活动等。   7. 网络教学环境 （1）自2004年9月电子线路精品课程网站建设以来，保持每周七天，每天24小时开通，网络保持畅通。 （2）上网内容（包括模拟电子技术和高频电子线路两门课程）有：课程介绍；学习方法指导；教学大纲；实验大纲；电子教材；网络课程；CAI课件；与教材同步习题及解答；自测题库；动态演示实验；读图训练；EDA实验；电路设计等。 （3）从网站开通至今，本网站的总访问量达6000多人次（本院学生）。 （4）网络教学资源建设初具规模，结合教学情况课程的教学资源不断更新并新增内容，在教学中确实发挥了作用。2006年9月至今，已达100多次。 （5）师生网上互动情况（在线答疑、在线讨论等）：2004年9月至今，已接近800人次。 学生可利用课余时间，进行自学，补充课上的知识内容，增加学习兴趣。