無線電

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AM訊號在示波器丄
現代數位化電腦式無線電發報機
美國早期个收音機廣告

無線電,又稱無線電波射頻電波電波,或射頻,是指在自由空間(包括空氣搭真空)傳播个電磁波,在電磁波譜丄,其波長長於紅外線光(IR)。頻率範圍爲300 GHz以下[1] ,其對應个波長範圍爲1公釐以上。就像其他電磁波一樣,無線電波以光速前進。經由閃電或天文物體,可以產生自然个無線電波。由人工產生个無線電波,畀應用在無線通訊廣播雷達通訊衛星導航系統電腦網路等應用丄向。

無線電發射機,藉由交流電,經過振盪器,變成高頻率交流電,產生電磁場,而經由電磁場可產生無線電波[2]。無線電波像磁鐵,有同性相斥、異性相吸个現象。同類電子會互相排斥,葛咾當無線電波射出个辰光,會得擔前方電波往前推,當連續電波一直射出來个辰光嚜,電波就會得在空氣當中傳播[3]

無線電技術是通過無線電波傳播信號个技術,其原理垃拉,導體電流強弱个改變會產生無線電波。利用昰隻現象,通過調製可擔信息加載於無線電波之上。當電波通過空間傳播到達收信端,電波引起个電磁場變化又會得在導體中產生電流。通過解調擔訊息從電流變化中提取出來,就達到了資訊傳遞个目的。

麥克斯韋最早在佢遞交畀英國皇家學會个論文《電磁場个動力理論》中闡明了電磁波傳播个理論基礎。佢个昰些工作完成於1861年至1865年之間。

海因里希·魯道夫·赫茲在1886年至1888年間首先通過試驗驗證了麥克斯韋爾个理論。佢證明了無線電輻射具有波个所有特性,並發現電磁場方程可以用偏微分方程表達,通常稱爲波動方程

1906年聖誕前夜,范信達美國麻薩諸塞州採用外差法實現了歷史上首次無線電廣播。范信達廣播了佢自家用小提琴演奏「平安夜」搭朗誦《聖經》片段。垃拉英格蘭切爾姆斯福德个馬可尼研究中心在1922年開播世界丄第一個定期播出个無線電廣播娛樂節目。

发明[编辑]

關於誰人是無線電臺个發明人還存在爭議,乃朝普遍認爲是尼古拉·特斯拉

1893年,尼古拉•特斯拉在美國密蘇里州聖路易斯首次公開展示了無線電通信。在爲「費城佛蘭克林學院」以及全國電燈協會做个報告裏向,佢描述並演示了無線電通信个基本原理。佢所製作个儀器包含電子管發明之前無線電系統个所有基本要素[4]

亚历山大·波波夫垃1895年5月7日佢在彼得堡物理搭化学协会物理学部年会上演示了佢制成个一架无线电接收装置-雷电指示器,箇天後首來畀俄罗斯定为“无线电日”庆祝。俄罗斯人认为佢才是无线电个发明人。

古列爾莫·馬可尼擁有通常畀認爲是世界上第一個無線電技術个專利,英國專利12039號,「電脈衝及信號傳輸技術个改進以及所需設備」[5]

尼古拉•特斯拉1897年在美國獲得了無線電技術个專利。然而,美國專利局垃1904年擔其專利權撤銷,轉而授予馬可尼發明無線電个專利。昰隻舉動可能是受到馬可尼在美國个經濟後盾人物,包括湯瑪斯·愛迪生安德魯·卡耐基影響个結果。1909年,馬可尼和卡尔·费迪南德·布劳恩由於「發明無線電報个貢獻」獲得諾貝爾物理學獎。

1898年,馬可尼在英格蘭切爾姆斯福德个霍爾街開辦了世界丄首家無線電工廠,雇傭了大約50人。

1943年,在特斯拉去世后嘸沒幾許辰光,美国最高法院重新认定特斯拉个专利有效。昰隻决定承认佢个发明在马可尼个专利之前就已完成。有些人认为作出昰隻决定明显是出於经济原因。昰然[二战]]中个美国政府就可以避免付畀马可尼个公司专利使用费。

收發機制[编辑]

用於遠程通信个無線電系統通常包含以下个部件。無線電技術經過100多年个發展,昰些收發機制个實現方法已經變得多種多樣,而現代个工程師可以根據實際需求選擇最優个方法。

調製和發射器[编辑]

每個無線電系統儕具有發射器。發射器个功能藉由能夠製造出所需振盪頻率个交流電源所實現。發射器含有用於調製个系統。其功能是擔電源輸送來个信號加以修改,並藉此傳遞信息。最簡單个調製方法是歇歇較个切斷脫電源,像煞拍電報時發報員个工作。昰種簡單个調製,手工就好完成。而現代無線電通訊所需个複雜調製嚜涉及到交關交流電屬性个細微調整,像振幅頻率相位(而且往往同時調節个參數弗止一個)。隨後,發射器擔調製後个信號傳遞畀調諧過个共振天線。此舉能擔震盪電流轉化爲電磁波,並以無線个形式傳播(有辰光會受到偏振个影響)。

音頻訊號(最上方圖)可藉由調幅調頻射電傳送

載波調幅藉由調整信號振幅(即信號強度),使之與所要傳遞个訊號个變化相同步,而傳送訊息。譬如嚜,信號強弱可用於描述話筒傳出个聲震動情況,或者用於確定電視熒幕上某個畫素个熒光情況。世界上首部聲訊電臺採用个就是此種調製方式,而時至今日它仍畀廣泛使用。"AM"目前常用於指中波廣播電臺

調頻咾是通過調整載波頻率來達到送信个目的。昰種情況下頭,載波个瞬時頻率同步於所傳遞个訊號个瞬時頻率。數位訊號个傳遞可以藉由擔載波在一排離散个頻率間切換來實現。此技術畀稱爲頻率偏移調變

FM乃朝常指甚高頻高保真廣播。無線電視个音軌訊號也是通過超高頻信道傳送个。

天線[编辑]

主条目:天線
屋頂个電視天線,屬於八木天线

天線可以擔電流轉換成功無線電波,也可以擔無線電波轉換成功電流。常配合发送器接收器一淘使用。在傳輸个辰光,发送器會產生震盪个無線電頻率電流到天線上,而天線會產生電磁輻射。在接收个辰光,天線會拮取電磁波个部份能量,產生微小个電壓,再透過接收器放大。天線可以用來傳送及接收个用途。

传播[编辑]

電磁波產生後,可以在空間中直接傳播,但其路徑也可能畀反射折射繞射等影響。電磁波个強度會因幾何距離而變小(平方反比定律),有排情形下介質也會吸收能量。雜訊也會影響電磁波个訊號,電磁干擾个來源可能是自然个,也可是人造个(譬如其他電磁波傳送器或是非蓄意輻射)。雜訊也可能因爲設備本身个特性而產生,如果雜訊个強度忒大,就無法分辨電磁波中个訊號及雜訊,昰個也是無線電通訊个基本限制

諧振[编辑]

無線電中个諧振電路可以選擇接收特定頻段个信號。諧振電路可以衹針對特定頻率个信號有較大个響應,對其他特定頻率信號个響應會較小,因此無線電接收器可以區分弗同頻率下个信號。

接收器搭解調[编辑]

一臺矿石收音机,其中包括天线可變電阻線圈、貓鬚整流器、電容器耳機接地

電磁波可以用調諧過个天线接收其訊號。天線可以拮取一些電磁波个能量,變成電路中个諧振電流。接收器可以將電流解調,轉換成可用个訊號。接收器一般也會調諧到可以接收特定頻段个訊號,拒絕其他頻段个信號[6]

早期个無線電系統只靠天線拮取到个能量來產生訊號[7]。後來發明了像真空管電晶體等電子設備,可以擔微弱个訊號放大,因此無線電就更爲普及。無線電个應用包括無線對講機、兒童个玩具、到無人行星探測任務先鋒計劃个控制,也包括廣播及其他个應用[8]

无线电接收机天線中接收訊號,利用電子濾波器從天線接收到个訊號中分離出想要个訊號,再利用放大器擔訊號放大到適合後續處理个準位,最後擔訊號轉換爲使用者需要个形式,譬如聲音、影像、數位資料、量測值及導航个位置等[9]

無線電頻段[编辑]

弗同頻段電磁波个比較
名稱 波長 頻率 光子能量 (eV)
伽馬射線 小於 0.01 nm 大於 10 EHz 100 keV - 300+ GeV
X光 0.01 to 10 nm 30 PHz - 30 EHz 120 eV to 120 keV
紫外線 10 nm - 400 nm 30 EHz - 790 THz 3 eV to 124 eV
可見光 390 nm - 750 nm 790 THz - 405 THz 1.7 eV - 3.3 eV
紅外線 750 nm - 1 mm 405 THz - 300 GHz 1.24 meV - 1.7 eV
微波 1 mm - 1 meter 300 GHz - 300 MHz 1.24 meV - 1.24 µeV
无线电 1 mm - km 300 GHz - 3 Hz 1.24 meV - 12.4 feV

无线电个頻率範圍從數Hz到300GHz,弗過商業上重要个无线电頻段衹佔其中个一小部份[10]。其他頻率超過无线电个電磁波包括微波紅外線、可見光、紫外線X光伽馬射線。由於无线电頻率範圍內个光子能量忒小,無法游離原子中个電子,因此无线电歸類爲非游離輻射

无线电个用途[编辑]

七十年代超外差晶体管收音机线路

无线电个最早应用垃航海中,使用摩尔斯电报在船与陆地间传递信息。乃歇,无线电有著多种应用形式,包括无线数据网,各种移动通信以及无线电广播咾啥。

以下是一些无线电技术个主要应用:

通信[编辑]

声音[编辑]

軍用手持無線電通話器
  • 声音广播个最早形式是航海无线电报。佢采用开关控制连续波个发射与否,由此在接收机产生断续个声音信号,即摩尔斯电码
  • 调幅广播可以传播音乐搭声音。调幅广播采用幅度调制技术,即话筒处接受个音量越大则电臺发射个能量也越大。 昰然个信号容易受到诸如闪电或其他干扰源个干扰。
  • 調頻廣播可以比調幅廣播更高个保真度傳播音樂搭聲音。對頻率調製而言,話筒處接受个音量越大對應發射信號个頻率越高。調頻廣播工作於甚高頻段(Very High Frequency, VHF)。頻段越高,其所擁有个頻率帶寬也越大,因而可以容納更多个電臺。同時,波長越短个無線電波个傳播也越接近於光波直線傳播个特性。
  • 調頻廣播个邊帶可以用來傳播數位訊號像,電臺標識、節目名稱簡介、網址、股市信息咾啥。在有些國家,當畀移動至一個新个地區後,調頻收音機可以自動根據邊帶信息自動尋找原來个頻道。
  • 航海搭航空中使用个话音电臺应用VHF调幅技术。昰使得飞机搭船舶上可以使用轻型天线。
  • 政府、消防、警察搭商业使用个电臺通常在专用频段上应用窄带调频技术。昰些应用通常使用5KHz个带宽。相对於调频广播或电视伴音个16KHz带宽,保真度上弗得弗作出牺牲。
  • 民用或军用高频话音服务使用短波用於船舶,飞机或孤立地点间个通讯。大多数情况下,儕使用单边带技术,昰然相对於调幅技术可以节省一半个频带,并更有效地利用发射功率。
  • 地面中繼式無線電(Terrestial Trunked Radio, TETRA)是一種爲軍隊、警察、急救及交通等特殊部門設計个數字集群電話系統。

电话[编辑]

  • 蜂窝电话移动电话是当前頂頂普遍应用个无线通信方式。蜂窝电话覆盖区通常分为多個小区。每個小区由一個基站发射机覆盖。理论丄,小区个形状为蜂窝状六边形,昰個也是蜂窝电话搭蜂窝网络名称个来源。当前广泛使用个移动电话系统标准包括:GSMCDMALTE
  • 卫星电话存在两种形式:國際海事衞星組織铱星系统。两种系统儕提供全球覆盖服务。國際海事衞星組織使用地球同步卫星,需要定向个高增益天线。铱星嚜是低轨道卫星系统,直接使用手机天线。
  • TETRA系統具有無線電話个功能。

电视[编辑]

  • 通常个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。
  • 数位电视采用H.264图像压缩技术,由此大约仅需模拟电视信号1/16个带宽。

紧急服务[编辑]

警車用無線電

数据传输[编辑]

  • 数字微波传输设备、卫星等通常采用正交幅度调制。QAM调制方式同时利用信号个幅度和相位加载信息。昰然嚜,可以在同样个带宽上传递更大个数据量。
  • IEEE 802.11是當前無線區域網个標準,採用2GHz或5GHz頻段,數據傳輸速率爲11 Mbps或54 Mbps。
  • 蓝牙(Bluetooth)是一種短距離無線通訊个技術。
  • IEEE 802.15.4(ZigBee)是低功耗個域網協議。據此協議个技術是一種短距離、低功耗个無線通信技術。ZigBee主要適用於自動控制搭遠程控制領域,支持地理定位功能,是一種介於無線標記技術搭藍牙技術之間个技術提案。Zig-Bee主要特點是工作頻段免執照; 1個節點工作6~24個月;協議簡單且免費,成本低廉。

辨識[编辑]

  • 利用主動及畀動無線電裝置可以辨識以及表明物體身分。(參見射频识别

业余无线电[编辑]

  • 业余无线电是无线电爱好者参与个无线电臺通讯。业余无线电臺可以使用整個频谱上很多开放个频带。爱好者使用弗同形式个编码方式搭技术。有些後首來商用个技术,比方调频,单边带调幅,数字分组无线电搭卫星信号转发器,儕是由业余爱好者首先应用个。

导航[编辑]

  • 所有个卫星导航系统儕使用装备了精确时钟个卫星。导航卫星播发其位置搭定时信息。接收机同时接受多颗导航卫星个信号。接收机通过测量电波个传播时间得出佢到各個卫星个距离,然后计算得出其精确位置。
  • Loran系统也使用无线电波个传播时间进行定位,弗过其发射臺儕垃拉陆地上。
  • VOR系统通常用於飞行定位。佢使用两臺发射机,一臺指向性发射机始终发射并象灯塔个射灯一样按照固定个速率旋转。当指向型发射机朝向北方个辰光,另一全向发射机会发射脉冲。飞机可以接收两隻VOR臺个信号,从而通过推算两個波束个交点确定其位置。
  • 无线电定向是无线电导航个最早形式。无线电定向使用可移动个环形天线来寻找电臺个方向。

雷达[编辑]

  • 雷达通过测量反射无线电波个延迟来推算目标个距离。并通过反射波个偏振频率感应目标个表面类型。
  • 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。昰种技术通常应用在商船搭长距离商用飞机上。
  • 多用途雷达通常使用导航雷达个频段。不过,其所发射个脉冲经过调制搭偏振化以便确定反射体个表面类型。优良个多用途雷达可以辨别暴雨、陆地、车辆咾啥。
  • 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擔移动物体同背景中区分开来
  • 寻个雷达采用於搜索雷达类似个原理,弗过对较小个区域进行快速反复扫描,通常可达每秒钟几趟。
  • 气象雷达搭搜索雷达类似,但使用圆偏振波以及水滴易於反射个波长。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。

加热[编辑]

  • 微波炉利用高功率个微波对食物加热。(注:一种通常个误解认为微波炉使用个频率为水分子个共振频率。而实际上使用个频率大概是水分子共振频率个十分之一。)

动力[编辑]

  • 无线电波可以产生微弱个静电力和磁力。在微重力条件下,昰個可以畀用来固定物体个位置。
  • 宇航动力:有方案提出可以使用高强度微波辐射产生个压力作为星际探测器个动力。
射电天文望远镜

遙距操控[编辑]

  • 無線電畀應用在各種需要遙距控制个設備丄。操控者透過發射器發出指令而設備上个接收器則根據所收到來自發射器个指令對設備上个各部份進行操作。例子有得無人架駛偵察機、各種遙控模型、各種機械人等。

天文學[编辑]

相關主題[编辑]

參考[编辑]

  1. 電磁波知識-國內外防治現況 - 非屬原子能游離輻射管制網
  2. 第二章無線電廣播个理論與發展
  3. (中文)洪賢智(2008).廣播學新論,47. 
  4. Mittelstraß, Bettina. Geschichte des Radios (de).
  5. Guglielmo Marconi: British patent No. 12,039 (en). 访问日脚2010-05-30.
  6. 严君平(编者)(2012).业余无线电通信入门:火腿必读.化学工业出版社.ISBN 978-7-122-14373-0 
  7. Hartung, Andreas(2013).Selbst gebaute Röhrenradios: Experimente und Schaltungspraxis.Verlag f.Technik/Handwerk.ISBN 978-3-881-80886-6 
  8. 《无线电》编辑部(编者)(2013).无线电(2012年合订本).人民邮电出版社.ISBN 978-7-115-30494-0 
  9. Radio-Electronics, Radio Receiver Technology
  10. The Electromagnetic Spectrum, University of Tennessee, Dept. of Physics and Astronomy