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无线电

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AM讯号在频谱仪(瀑布图)上
AM讯号在频谱仪(瀑布图)上
现代数位化电脑式无线电发报机
现代数位化电脑式无线电发报机
美国早期的收音机广告
美国早期的收音机广告

无线电,又称无线电波射频电波电波,或射频,是指在自由空间(包括空气和真空)传播的电磁波,在电磁波谱上,其波长长于红外线光(IR)。频率范围为300GHz以下[1] ,其对应的波长范围为1毫米以上。就像其他电磁波一样,无线电波以光速前进。经由闪电或天文物体,可以产生自然的无线电波。由人工产生的无线电波,被应用在无线通讯广播雷达通讯卫星导航系统电脑网路等应用上。

无线电发射机,借由交流电,经过振荡器,变成高频率交流电,产生电磁场,而经由电磁场可产生无线电波[2]。无线电波像磁铁,有同性相斥、异性相吸的现象。同类电子会互相排斥,因此当无线电波射出时,会将前方电波往前推,当连续电波一直射出来时,电波就会在空气中传播[3]

无线电技术是通过无线电波传播信号的技术,其原理在于,导体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。通过解调将讯息从电流变化中提取出来,就达到了资讯传递的目的。

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。

海因里希·鲁道夫·赫兹在1886年至1888年间首先通过试验验证了麦克斯韦尔的理论。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

1906年圣诞前夜,范信达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。范信达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。

发明

关于谁是无线电台的发明人还存在争议,现在普遍认为是尼古拉·特斯拉

1893年,尼古拉·特斯拉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“费城佛兰克林学院”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[4]

亚历山大·波波夫于1895年5月7日他在彼得堡物理和化学协会物理学部年会上演示了他制成的一架无线电接收装置-雷电指示器,这一天后来被俄罗斯定为“无线电日”庆祝。俄罗斯人认为他才是无线电的发明人。

古列尔莫·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”[5]

尼古拉·特斯拉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,包括汤玛斯·爱迪生安德鲁·卡耐基影响的结果。1909年,马可尼和卡尔·费迪南德·布劳恩由于“发明无线电报的贡献”获得诺贝尔物理学奖。

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。

1943年,在特斯拉去世后不久,美国最高法院重新认定特斯拉的专利有效。这一决定承认他的发明在马可尼的专利之前就已完成。有些人认为作出这一决定明显是出于经济原因。这样二战中的美国政府就可以避免付给马可尼的公司专利使用费。

收发机制

用于远程通信的无线电系统通常包含以下的部件。无线电技术经过100多年的发展,这些收发机制的实现方法已经变得多种多样,而现代的工程师可以根据实际需求选择最优的方法。

调制和发射器

每个无线电系统都具有发射器。发射器的功能借由能够制造出所需振荡频率的交流电源所实现。发射器含有用于调制的系统。其功能是将电源输送来的信号加以修改,并借此传递信息。最简单的调制方法是不时地切断电源,正如拍电报时发报员的工作。这种简单的调制,手工就能完成。而现代无线电通讯所需的复杂调制则涉及到许多交流电属性的细微调整,如振幅频率相位(而且往往同时调节的参数不止一个)。随后,发射器将调制后的信号传递给调谐过的共振天线。此举能将震荡电流转化为电磁波,并以无线的形式传播(有时会受到偏振的影响)。

音频讯号(最上方图)可借由调幅或调频射电传送
音频讯号(最上方图)可借由调幅调频射电传送

载波调幅借由调整信号振幅(即信号强度),使之与所要传递的讯号的变化相同步,而传送讯息。例如,信号强弱可用于描述话筒传出的声震动情况,或者用于确定电视荧幕上某个画素的荧光情况。世界上首个声讯电台采用的便是此种调制方式,而时至今日它仍被广泛使用。"AM"目前常用于指中波广播电台

如右图所示,在调幅这种调谐方式下,所产生的电磁波频率并不随时间推移而发生变化。

调频则是通过调整载波频率来达到送信的目的。这种情况下,载波的瞬时频率同步于所传递的讯号的瞬时频率。数位讯号的传递可以借由将载波在数个离散的频率间切换来实现。此技术被称为频率偏移调变

FM现时常指甚高频高保真广播。无线电视的音轨讯号也是通过超高频信道传送的。

天线

屋顶的电视天线,属于八木天线。
屋顶的电视天线,属于八木天线

天线可以将电流转换为无线电波,也可以将无线电波转换为电流。常配合发送器接收器一起使用。在传输时,发送器会产生震荡的无线电频率电流到天线上,而天线会产生电磁辐射。在接收时,天线会拮取电磁波的部份能量,产生微小的电压,再透过接收器放大。天线可以用来传送及接收的用途。

传播

电磁波产生后,可以在空间中直接传播,但其路径也可能被反射折射绕射等影响。电磁波的强度会因几何距离而变小(平方反比定律),有些情形下介质也会吸收能量。杂讯也会影响电磁波的讯号,电磁干扰的来源可能是自然的,也可是人造的(例如其他电磁波传送器或是非蓄意辐射英语accidental radiator)。杂讯也可能因为设备本身的特性而产生,如果杂讯的强度太大,就无法分辨电磁波中的讯号及杂讯,这也是无线电通讯的基本限制

谐振

无线电中的谐振电路可以选择接收特定频段的信号。谐振电路可以只针对特定频率的信号有较大的响应,对其他特定频率信号的响应会较小,因此无线电接收器可以区分不同频率下的信号。

接收器和解调

一台矿石收音机,其中包括天线、可变电阻、线圈、猫须整流器(英语:cat's whisker)、电容器、耳机及接地
一台矿石收音机,其中包括天线可变电阻线圈猫须整流器英语cat's whisker电容器耳机接地

电磁波可以用调谐过的天线接收其讯号。天线可以拮取一些电磁波的能量,变成电路中的谐振电流。接收器可以将电流解调,转换成可用的的讯号。接收器一般也会调谐英语tuner (radio)到可以接收特定频段的讯号,拒绝其他频段的信号[6]

早期的无线电系统只靠天线拮取到的能量来产生讯号[7]。后来发明了像真空管电晶体等电子设备,可以将微弱的讯号放大,因此无线电就更为普及。无线电的应用包括无线对讲机、儿童的玩具、到无人行星探测任务先锋计划的控制,也包括广播及其他的应用[8]

无线电接收机天线中接收讯号,利用电子滤波器从天线接收到的讯号中分离出想要的讯号,再利用放大器将讯号放大到适合后续处理的准位,最后将讯号转换为使用者需要的形式,例如声音、影像、数位资料、量测值及导航的位置等[9]

无线电频段

不同频段电磁波的比较
名称 波长 频率 光子能量 (eV)
伽马射线 小于 0.01 nm 大于 10 EHz 100 keV - 300+ GeV
X光 0.01 to 10 nm 30 PHz - 30 EHz 120 eV to 120 keV
紫外线 10 nm - 400 nm 30 EHz - 790 THz 3 eV to 124 eV
可见光 390 nm - 750 nm 790 THz - 405 THz 1.7 eV - 3.3 eV
红外线 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 meter - km 300 MHz - 3 Hz 1.24 meV - 12.4 feV

无线电的频率范围从数Hz到300GHz,不过商业上重要的无线电频段只占其中的一小部份[10]。其他频率超过无线电的电磁波包括微波红外线、可见光、紫外线X光伽马射线。由于无线电频率范围内的光子能量太小,无法游离原子中的电子,因此无线电归类为非游离辐射

无线电的用途

七十年代超外差晶体管收音机线路
七十年代超外差晶体管收音机线路

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。现在,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:

通信

声音

军用手持无线电通话器
军用手持无线电通话器
  • 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位讯号如,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。
  • 地面中继式无线电(Terrestial Trunked Radio, TETRA)是一种为军队、警察、急救及交通等特殊部门设计的数字集群电话系统。

电话

  • 蜂窝电话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,这也是蜂窝电话和蜂窝网络名称的来源。当前广泛使用的移动电话系统标准包括:GSMCDMALTE
  • 卫星电话存在两种形式:国际海事卫星组织和铱星系统。两种系统都提供全球覆盖服务。国际海事卫星组织使用地球同步卫星,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。
  • TETRA系统具有无线电话的功能。

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的带宽。

紧急服务

警车用无线电
警车用无线电
  • 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。

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。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是当前无线区域网的标准,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。
  • IEEE 802.15.4(ZigBee)是低功耗个域网协议。据此协议的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。ZigBee主要适用于自动控制和远程控制领域,支持地理定位功能,是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术提案。Zig-Bee主要特点是工作频段免执照; 1个节点工作6~24个月;协议简单且免费,成本低廉。

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分。(参见射频识别

业余无线电

  • 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,单边带调幅,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。

导航

  • 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

  • 雷达通过测量反射无线电波的延迟来推算目标的距离。并通过反射波的偏振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偏振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,但使用圆偏振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。

加热

  • 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。)

动力

  • 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。
射电天文望远镜
射电天文望远镜

遥距操控

  • 无线电被应用在各种需要遥距控制的设备上。操控者透过发射器发出指令而设备上的接收器则根据所收到来自发射器的指令对设备上的各部份进行操作。例子有无人架驶侦察机、各种遥控模型、各种机械人等。

天文学

相关主题

参考

  1. ^ 电磁波知识-国内外防治现况 - 非属原子能游离辐射管制网
  2. ^ 第二章无线电广播的理论与发展
  3. ^ 洪贤智. 广播学新论. 2008: 47 (中文). 
  4. ^ Mittelstraß, Bettina. Geschichte des Radios (德语). 
  5. ^ Guglielmo Marconi: British patent No. 12,039. [2010-05-30] (英语). 
  6. ^ 严君平(编者). 业余无线电通信入门:火腿必读. 化学工业出版社. 2012. ISBN 978-7-122-14373-0. 
  7. ^ Hartung, Andreas. Selbst gebaute Röhrenradios: Experimente und Schaltungspraxis. Verlag f.Technik/Handwerk. 2013. ISBN 978-3-881-80886-6. 
  8. ^ 《无线电》编辑部(编者). 无线电(2012年合订本). 人民邮电出版社. 2013. ISBN 978-7-115-30494-0. 
  9. ^ Radio-Electronics, Radio Receiver Technology
  10. ^ The Electromagnetic Spectrum, University of Tennessee, Dept. of Physics and Astronomy
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