第4章-无线电通信

1第4章无线电通信4.1无线电通信概述4.2短波通信4.3微波通信4.4卫星通信24.1无线电通信概述4.1.1无线电通信基本知识1.何谓无线电通信利用无线电波作载波传递各种消息的通信方式的总称。2.无线电通信的发明1902年，无线电广播之父——美国巴纳特.施特波斐德进行了第一次无线电广播。1920年，美国匹兹堡的KDKA电台进行了首次商业无线电广播。33.何谓无线电波（1）自然界中形形色色的波：水波光波地震波电磁波无线电波4.1无线电通信概述4电磁波的频谱范围很广，从30HZ～1019HZ的高频宇宙射线。从宽广频率范围的电磁波中取出对无线电技术特别有用的某一段频率范围的电磁波，就被称为无线电波。具体地说，无线电波频率范围一般为3kHz～300GHz。4.1无线电通信概述5（2）电磁波的家族老大——无线电波：担任通讯任务老二——红外线：加热器老三——可见光：给人类带来光明和色彩。老四——紫外线：保护人类健康的卫士。老五——X射线，也叫伦琴射线，能透视人体。老六——γ射线，能穿透厚厚的铅板，还能杀死癌细胞。4.1无线电通信概述6电磁波谱784.无线电波的发现与初步应用法拉第电磁感应定律：变化电场产生磁场，变化的磁场可以产生电场。预言：电与磁的传播是和光一样的一种波。麦克斯韦当电子移动时，它们就会在自由空间中释放出电磁波。—Maxwell在1865年首先预言，所有的现代通信都是依靠处理和控制电磁波频谱内的信号来实现的。光也是电磁波的一种，是一种看得见的电磁波。4.1无线电通信概述9赫兹：电磁波的首次被证实和观测则是由Herz在1887年实现的。世界上第一个人工产生电磁波的仪器—赫兹振子通过实验证实了麦氏理论的正确，证明了电磁波的存在.4.1无线电通信概述10马克尼与波波夫——无线电之父完成了电磁波的发送和接收实验在实验中发现，利用天线可使发射距离增加1895年，马可尼成功地进行了约3公里的无线电通信几乎同时，波波夫也研制成功了一台无线电收发报机4.1无线电通信概述115.无线电波的模样形状：正弦波波长:相邻的两圈电波之间的距离波速:与光的速度一样，即每秒30万公里频率：波速除以波长。例如，中央人民广播电台有中波639千赫兹、短波9800千赫兹和调频106.1兆赫兹三个发射频率，它们相对应的波长则分别为469.5米、30.6米和2.8米。4.1无线电通信概述124.1无线电通信概述136.无线电波的特性1.无线电波只能用仪器接收到：如半导体收音机2.无线电波的速度：30万公里/秒3.无线电波可以在真空中传播4.无线电波的频率很高汽笛声，频率达几千赫兹飞机的马达声，频率在几百赫兹以下人类嗓音的频率在几十～几千赫兹之间无线电波的频率可以达到几万赫兹、几十兆赫兹。一般为3kHz～300GHz。4.1无线电通信概述144.1.2无线电波频率范围及频段的划分频段和波段名称频率和波长甚低频(TLF)超长波3~30kHz1000~10km低频(LF)长波30~300kHz10~1km中频(MF)中波0.3~3MHz1000~100m高频(HF)短波3~30MHz100~10m甚高频(VHF)超短波30~300MHz10~1m微波特高频(UHF)分米波0.3~3GHz10~1dm超高频(SHF)厘米波3~30GHz10~1cm极高频(EHF)毫米波30~300GHz10~1mm4.1无线电通信概述15注意无线电波是全世界共同拥有的资源和财产，利用电波时必须遵守国际法规，对频率的使用，要经申请由上级主管部门和国家无线电管理委员会批准才行。164.1.3无线电波的传播方式1．无线电波的产生和发送自然界里，许多物体都无时无刻地在产生电磁波和无线电波如：太阳、人体、某些植物等等无线电通信，要按照人们的需要，产生出一定频率或波长的无线电波4.1无线电通信概述17要产生无线电波必须有波源和天线波源：发射天线上流动的高频电流。天线：将线路上流过的高频电流高效率地转换成电磁波辐射到空中去的装置，或者接收空中的电磁波并高效率地变换成高频电流的装置。天线长度：电磁波波长的1/2或1/4如信号载波频率为10kHz，则波长为30km，天线长度为？4.1无线电通信概述18无线电波的产生：若在发射天线上流过频率很高的电流，则天线的周围将产生一个变化的磁场，这个变化的磁场又会感应出一个变化的电场，这样互相感应的结果，就会形成一个辐射的电磁场，一层又一层地向外传播，即将高频电流转换成无线电波辐射到了空中。4.1无线电通信概述19反射：无线电波通过不同媒质的交界面时，会产生反射。例如：雷达通信4.1无线电通信概述2．无线电波传播过程中的反射、绕射、折射和散射20绕射：无线电波碰到障碍物时，能绕过去继续前进。波长越长则绕射能力越强4.1无线电通信概述21折射：当无线电波从一种媒质射入另一种媒质时，传播方向改变的现象。例如：潜艇通信4.1无线电通信概述22散射：媒质不均匀4.1无线电通信概述233．无线电波的传播方式是指无线电波从发射点到接收点的传播路径。（1）地波传播方式无线电波沿地球表面传播部分能量被大地吸收而受到严重的衰减土质的导电性愈好衰减愈小频率越高则衰减愈大传播距离不远传播特性很稳定适合波段：长波、中波和短波的低频段4.1无线电通信概述24（2）天波传播利用高空电离层对无线电波的反射进行传播的电离层是位于离地面60km~650km左右的充满带电离子和电子的高层大气区域可建立远距离通信适合波段：频率为3~30MHZ的短波4.1无线电通信概述25电离层：电离层中有各种分子、原子以及它们的离子和自由电子等，它们各自集中地聚在一起形成层状，致使天空中的电子浓度也相对集中，形成电子密度不均匀分布几层。一般按电子密度随高度的变化，电离层相应地分为4个导电层。4.1无线电通信概述26（1）D层位置：地球上空60km～90km的高度处，最大电子密度发生在80km处。特点：出现在太阳升起时，而消失在太阳降落后，电子密度低，短波将穿过D层，而不反射，但衰减很大（2）E层位置：地球上空1km～120km的高度处。最大电子密度发生在110km处4.1无线电通信概述特点：出现在太阳升起时，而在太阳降落后，基本不对短波通信产生影响。可以反射高于1.5MHz频率的电波。27特点：高度高，允许传输距离远F2层：高度在冬季的白天最低，而在夏天的白天最高。F2层和其它层不同，在日落以后并没有完全消失，仍保持有剩余的电离。4.1无线电通信概述（3）F层（对短波最重要）位置：F1层位于地球上空170km～220km高度处；F2层位于地球上空225km～450km高度处28（3）视距传播：直射波传播：从发射天线辐射的电波，直接传到接收点的传播方式大地反射波传播：以地面反射到达接收点的传播方式视距传播：以上两种的统称。4.1无线电通信概述29三种情况：地面视距传播收、发天线都设在地面上，天线离地面高度大于十倍波长以上传播的距离一般只有几十公里一般适宜超短波、微波通信地面—空间视距传播发端和收端，其中任一端在地面而另一端则在远离地面的空间适用于微波或超短波通信空间—空间视距传播发端和收端两个端点都是远离地面的4.1无线电通信概述30（4）散射传播电波在低空对流层或高空电离层下缘遇到不均匀的“介质团”时就会发生散射，散射波的一部分到达接收天线处的传播方式称为散射传播包括：对流层散射和电离层散射对流层是大气的最低层，通常是指从地面算起至高达13±5千米的区域容量大，可靠性高，保密性好适用于微波和超短波一般用于无法建立微波中继站的地区4.1无线电通信概述314．无线电波各波段的特点和应用（1）超长波：1000~10km主要传播方式：地波传播特点：绕射能力强、信号稳定天线体积大可利用频带窄应用：海上导航及海岸固定站与潜艇之间通信、标准频率和时间信号的广播等4.1无线电通信概述32（2）长波10~1km传播方式：地波、电离层下缘天波反射传播特点信号较稳定地面对信号能量的吸收比超长波大应用：远距离精密无线电导航、标准频率与时间信号的广播4.1无线电通信概述33（3）中波1000~100m传播方式：地波、天波特点：白天天波受电离层强烈吸收，主要靠地波传播，传播的距离短，信号比较稳定晚上天波受电离层吸收弱，有较远的传播距离，但信号传播不稳定利用地波传播时衰减比长波大，利用天波传播时损耗比短波大应用：中等距离广播与无线电导航535~1605千赫是国际规定的中波广播段4.1无线电通信概述34（4）短波100~10m传播方式：天波、地波特点：天波传播时距离远，可达500～2000公里地波传播时衰减大，传播距离一般小于几十公里应用：各种距离的定点通信、国际通信及广播、船岸间的航海移动通信，飞机地面间的航空移动通信等4.1无线电通信概述35（5）超短波和微波：10m以下传播方式：视距、散射、绕射特点天线的增益较高，有利于定向传播频率很高，信道容量很大应用：调频广播、电视广播、卫星通信、移动通信、雷达、天文学等方面4.1无线电通信概述364.1.4媒体空间对无线电波传播的影响1.主要影响（1）传输损耗电波在实际的媒质（信道）中传播时能量损耗的的现象主要原因：大气对电波的吸收或散射球形地面或障碍物对电波的绕射等4.1无线电通信概述37（2）电波传播方向的变化不同媒质的分界处将使电波折射、反射；媒质的不均匀体如对流层中的湍流团将使电波产生散射；球形地面和障碍物将使电波产生绕射；某些传输媒质的时变性使射线轨迹随机变化。4.1无线电通信概述38（3）多径效应多径传播：电波通过多条路径传播到接收端的现象称为多径传播。4.1无线电通信概述39多径传播对通信系统性能的影响引起的接收点场强的起伏变化—多径效应4.1无线电通信概述404.1.5无线电通信系统的基本组成及简单工作过程1、系统组成4.1无线电通信概述412.工作过程信源消息模拟或数字信号(调制器)中频调制成适合电波传播的信号(频率变换器)发射电波所需要的频率(功率放大)发射天线中继放大接收天线频率放大变频解调转换成合适的信号信宿地球站发射分系统地球站接收分系统4.1无线电通信概述423.系统分类依终端状态不同固定无线通信移动无线通信依所用电磁波频段短波通信微波通信卫星通信……4.1无线电通信概述434.2短波通信4.2.1概述1．短波通信的频率范围实际使用的频率范围约为1.5MHz～30MHz2.传播方式高空电离层与地面之间多次反射3.特点通信距离远，设备便宜灵活、方便444.2.2短波电离层传播特性1．短波在电离层中反射传播的条件天波传播时，电波频率与入射角和电波折回处的电子密度三者之间的关系4.2短波通信452．电离层对短波无线电信号传播的影响使接收的信号时强时弱的变化即存在衰落现象原因：电离层特性不稳定多径传播4.2短波通信464.2.3短波通信的应用广泛用于语音、电报和数据传输。长期以来，由于短波通信的固有特点，多年来一直被广泛地用于政府、外交、气象、商业等各个部门，用以传送语言、文字、图像、数据等信息；同时，它也是高空飞行和海上航行的必备通信方式；尤其在军事部门，它始终是军事指挥的重要手段之一。4.2短波通信474.3微波通信基本概念利用微波作为载波，并采用中继（接力）方式在地面上进行的无线电通信。微波中继通信系统微波波段：300MHz～300GHz最常用的通信频率：1GHz～40GHz4G首选484.3.1微波通信的发展世界上最早的模拟微波中继通信系统是二战后期美国贝尔研究所建立的一个4GHz频段的调频系统19世纪30年代中期第一个商用的模拟无线通信系统，工作在VHF频段，采用AM调制技术，传输12路频分复用的模拟话音信号。