無線電通信系統(tǒng)與電磁波.ppt

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1、無線通信系統(tǒng)與電磁波 基 本 通 信 系 統(tǒng) ：信源傳 輸 通 道信宿無 線 通 信 系 統(tǒng) 無 線 通 信 系 統(tǒng) 組 成 ： 信 源 （ 發(fā) 送 設 備 ） 、 （ 傳 輸通 道 ） 傳 輸 設 備 、 （ 信 宿 ） 接 收 設 備 。信息變換器發(fā)射機電信號高頻電振蕩發(fā)射天線電磁波接收天線接收機變換器信息高頻電振蕩電信號發(fā)送設備傳輸設備 接收設備 無 線 通 信 系 統(tǒng) 發(fā) 送 設 備 ：1. 變 換 器 （ 換 能 器 ） ： 將 被 發(fā) 送 的 信 息 變 換為 電 信 號 。 如 話 筒 將 聲 音 變 為 電 信 號 ；2. 發(fā) 射 機 ： 將 換 能 器 輸 出 的 電 信 號

2、 變 為 強 度足 夠 的 高 頻 電 震 蕩 。3. 天 線 ： 將 高 頻 電 振 蕩 變 成 電 磁 波 向 傳 輸 媒質 輻 射 。無 線 通 信 系 統(tǒng) 接 收 設 備 ：1. 接 收 天 線 ， 將 空 間 傳 播 到 其 上 的 電 磁 波 轉 化為 高 頻 電 振 蕩 。2. 接 收 機 ， 將 高 頻 電 振 蕩 轉 化 為 電 信 號 。3. 變 換 器 （ 換 能 器 ） ， 將 電 信 號 轉 化 為 所 傳 送信 息 。 傳 輸 媒 質 ： 電 磁 波 。無 線 通 信 系 統(tǒng) 無 線 通 信 是 利 用 電 磁 波 信 號 在 自 由 空 間 中 傳 播 的 特性

3、進 行 信 息 交 換 的 一 種 通 信 方 式 。無 線 通 信 系 統(tǒng) 無 線 通 信 系 統(tǒng) 中 使 用 的 是 波 長 從 0.3毫 米 到 3000米 的電 磁 波 ， 這 個 區(qū) 間 內 的 電 磁 波 就 叫 做 無 線 電 波 。 電 磁 波 ： 是 能 量 的 一 種 。 凡 是 高 于 絕 對 零 度 （ -273.15 ） 的 物 體 ， 都 會 釋 放 電 磁 波 。 正 如 人 們生 活 在 空 氣 里 卻 看 不 見 空 氣 一 樣 ， 除 光 波 外 ， 人們 也 看 不 見 無 處 不 在 的 電 磁 波 。電 磁 波 電 磁 波 =電 磁 +波 波 是 什

4、么 ： 波 是 振 動 在 物 質 中 傳 播 能 量 的 一 種 形 式 ，我 們 常 見 的 波 有 機 械 波 （ 如 聲 波 、 水 波 ） 、 電 磁 波（ 無 線 電 波 、 宇 宙 射 線 、 光 波 ） 等 。 電 磁 波波 的 形 式 ： 正 弦 波正 弦 波 是 頻 率 成 分 單 一 的 一 種 信 號 。 對 于 一 個 正 弦量 來 說 ， 如 果 幅 值 、 頻 率 、 初 相 位 確 定 了 ， 那 么 這個 正 弦 量 就 完 全 確 定 了 。 幅 值 、 頻 率 、 相 位 稱 為 正弦 量 的 三 要 素 。 正 弦 波 可 表 達 為 ： Asin( t

5、+ )，其 中 ： A為 振 幅 ； 為 角 頻 率 （ =2 f,f為 頻 率 ） ； 為 初 相 位 （ 描 述 波 前 狀 態(tài) 的 量 ） 。 電 磁 波 頻 率 ： 波 或 交 變 電 流 電 壓 在 單 位 時 間 內 完 成周 期 性 變 化 的 次 數(shù) ， 稱 為 頻 率 ， 單 位 :赫 茲（ Hz） 。 例 如 ； 交 流 市 電 的 頻 率 為 50 Hz； 聲音 信 號 的 頻 率 范 圍 為 20Hz-20000Hz； 我 國 所 處地 區(qū) 中 波 廣 播 發(fā) 射 信 號 的 頻 率 范 圍 為 526.5-1606.5kHz,我 國 調 頻 廣 播 發(fā) 射 信 號 的

6、 頻 率 范 圍為 87-108MHz。電 磁 波 電 磁 波 波 長 ： 沿 著 波 的 傳 播 方 向 ， 兩 個 相 鄰 的 同 相 位 質 點間 的 距 離 叫 做 “ 波 長 ” 。 它 是 指 波 動 媒 質 中 ， 任 意兩 個 相 位 差 為 2 的 質 點 之 間 的 距 離 。 在 質 點 振 動 的一 個 周 期 內 ， 振 動 狀 態(tài) 傳 播 的 距 離 恰 是 一 個 波 長 。波 長 最 長 的 無 線 電 從 長 波 ， 到 中 波 ， 短 波 ， 微 波 ，然 后 是 紅 外 ， 可 見 光 ， 紫 外 ， X光 ， 直 到 波 長 最 短 的伽 瑪 射 線 電

7、 磁 波 波 速 ： 單 位 時 間 內 波 形 傳 播 的 距 離 ， 稱 波 速 。 通 常以 V表 示 ， 單 位 是 米 /秒 。 聲 波 在 空 氣 中 傳 播 的 速 度 為340m/s。 真 空 下 的 電 磁 波 波 速 為 299792458m/s， 近 似為 30萬 千 米 每 秒 ， 而 在 任 何 介 質 中 電 磁 波 波 速 均 小 于這 一 數(shù) 值 。 波 速 （ V ） 與 波 長 （ ） 和 頻 率 （ f） 的 關 系 ： f=1/TV =距 離 /時 間 =一 個 波 的 長 度 /一 個 波 的 時 間 = / T= f電 磁 波 電 磁 波 二 象 性

8、 是 指 電 磁 波 既 有 波 動 的 性 質 又 有粒 子 的 性 質 。 光 的 干 涉 和 衍 射 實 驗 顯 示 光 有 波 動性 ， 光 的 偏 振 實 驗 進 一 步 顯 示 光 具 有 橫 波 的 性 質 。后 來 麥 克 斯 韋 的 電 磁 理 論 和 赫 茲 實 驗 表 明 ， 光 是電 磁 波 。 另 一 方 面 ， 其 后 黑 體 輻 射 、 光 電 效 應 和康 普 頓 效 應 等 實 驗 又 表 明 ， 光 具 有 微 粒 性 。電 磁 波 光 電 效 應 ： 在 高 于 某 特 定 頻 率 的 電 磁 波 照 射下 ， 某 些 物 質 內 部 的 電 子 會 被

9、光 子 激 發(fā) 出 來 而形 成 電 流 ， 即 光 生 電 。 橫波的特點是質點的振動方向與波的傳播方向相互垂直。電磁波就是橫波。橫波在傳播過程中，橫波凡是波傳到的地方，每個質點都在自己的平衡位置附近振動。由于波以有限的速度向前傳播，所以后開始振動的質點比先開始振動的質點在步調上要落后一段時間，即存在一個位相差。橫波的傳播，在外表上形成一種“波浪起伏”，縱波是質點的振動方向與傳播方向同軸的波。如敲鑼時，鑼的振動方向與波的傳播方向就是一致的，所以聲波是縱波。亦稱“疏密波”，縱波的傳播過程是沿著波前進的方向出現(xiàn)疏密不同的部分。實質上，縱波的傳播是由于介質中各體元發(fā)生壓縮和拉伸的變形，并產生使體元

10、回復原狀的縱向彈性力而實現(xiàn)的。因此縱波只能在拉伸壓縮的彈性的介質中傳播，一般的固體、液體、氣體都具有拉伸和壓縮彈性，所以它們都能傳遞縱波。干涉（interference）是兩列或兩列以上的波在空間中重疊時發(fā)生疊加從而形成新的波形的現(xiàn)象。衍射（英語：diffraction）是指波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現(xiàn)象。 任何物體都具有不斷輻射、吸收、反射電磁波的本領。輻射出去的電磁波在各個波段是不同的，也就是具有一定的譜分布。這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關，因而被稱之為熱輻射。 直 射 ： 是 無 線 電 波 在 自 由 空 間 傳 播 的 方 式 。 反 射 ： 當 電 磁 波 遇 到

11、 比 波 長 大 得 多 的 物 體 時 ， 就 會發(fā) 生 反 射 。 反 射 常 發(fā) 生 在 地 球 表 面 、 建 筑 物 和 墻 壁 表面 。 繞 射 （ 衍 射 ） ： 波 在 傳 播 時 ， 若 被 一 個 大 小 接 近 于或 小 于 波 長 的 物 體 阻 擋 ， 就 繞 過 這 個 物 體 ， 繼 續(xù) 進 行 。 散 射 ： 就 是 由 于 介 質 中 存 在 的 微 小 粒 子 （ 異 質 體 ）或 者 分 子 對 電 磁 波 的 作 用 ， 使 電 磁 波 偏 離 原 來 的 傳 播方 向 而 向 四 周 傳 播 的 現(xiàn) 象 。 當 障 礙 物 小 于 波 長 時 且 單位

12、 體 積 內 這 種 障 礙 物 數(shù) 量 非 常 多 時 發(fā) 生 。 如 粗 糙 表 面 、小 物 體 、 不 規(guī) 則 物 體 樹 葉 燈 柱 等 。電 磁 波 的 傳 播 電 磁 波電 磁 波 的 傳 播 電 磁 波電 磁 波 的 傳 播 電 磁 波 的 傳 播 電 磁 波長 波 地 波 超 遠 程 無 線 電通 信 和 導 航中 波 地 波 和 天 波 調 幅 無 線 電 廣播 和 電 報 通 信中 短 波短 波 天 波超 短 波 近 似 直 線 傳 播 調 頻 無 線 電 廣播 電 視 導 航分 米 波 微波 直 線 傳 播 電 視雷 達導 航厘 米 波毫 米 波 地 波 ： 沿 地 面

13、 傳 播 的 無 線 電 波 叫 地 波 ， 又 叫 表 面 波 。 電 波 的 波 長 越 短 ， 越 容 易 被 地 面 吸 收 ， 因 此 只 有 長波 和 中 波 能 在 地 面 傳 播 。 地 波 不 受 氣 候 影 響 ， 傳 播 比較 穩(wěn) 定 可 靠 。 但 在 傳 播 過 程 中 ， 能 量 被 大 地 不 斷 吸 收 ，因 而 傳 播 距 離 不 遠 。 所 以 地 波 適 宜 在 較 小 范 圍 里 的 通信 和 廣 播 業(yè) 務 使 用 。電 磁 波 的 傳 播 當 電 波 沿 地 面 傳 播 時 ， 在 地 面 要 產 生 感 應 電 流 。 由于 大 地 不 是 理 想

14、 導 電 體 ， 因 此 感 應 電 流 在 地 面 流 動 要消 耗 能 量 ， 這 個 能 量 是 由 電 磁 波 供 給 的 。 這 樣 ， 電 波在 傳 播 過 程 中 ， 就 有 一 部 分 能 量 被 大 地 吸 收 。 電 磁 波 的 傳 播 影 響 地 波 傳 播 的 因 素 ：1、 地 面 的 導 電 性 能 越 好 ， 吸 收 越 小 ， 則 電 波 傳 播 的損 耗 越 小 。 電 波 在 海 洋 上 的 傳 播 損 耗 最 小 ， 濕 土 和 江河 湖 泊 上 的 損 耗 次 之 ， 干 土 和 巖 石 上 的 損 耗 最 大 。2、 電 波 的 頻 率 越 低 ， 損

15、 耗 越 小 。 因 為 地 電 阻 與 電 波頻 率 有 關 ， 所 以 頻 率 越 高 ， 感 應 電 流 更 趨 于 表 面 流 動 ，趨 膚 效 應 使 流 過 電 流 的 有 效 面 積 減 小 ， 損 耗 增 大 。3、 垂 直 極 化 波 較 水 平 極 化 波 衰 減 小 。 這 是 因 為 水 平極 化 波 的 電 場 與 地 面 平 行 ， 導 致 地 面 的 感 生 電 流 增 大 ，故 產 生 較 大 的 衰 減 。當 天 線 架 設 較 低 ， 且 其 沿 地 面 方 向 為 最 大 輻 射 方 向 時 ，主 要 是 地 波 傳 播 。 天 波 ： 經 過 空 中 電

16、 離 層 的 反 射 或 折 射 后 返 回 地 面 的無 線 電 波 叫 天 波 。 所 謂 電 離 層 ， 是 地 面 上 空 60 1000公 里 高 度 電 離 了 的 大 氣 層 包 含 有 大 量 的 自 由 電 子 和 正離 子 。 一 年 四 季 和 晝 夜 的 不 同 時 間 ， 電 離 層 都 有 變 化 ， 影響 電 波 的 反 射 ， 因 此 天 波 傳 播 具 有 不 穩(wěn) 定 的 特 點 。 白天 電 離 作 用 強 ， 中 波 無 線 電 波 幾 乎 全 部 被 吸 收 掉 ， 在收 音 機 里 難 以 收 到 遠 地 中 波 電 臺 播 音 ； 夜 晚 電 離 層

17、 對短 波 吸 收 的 比 較 少 ， 收 聽 到 的 廣 播 就 比 較 多 ， 聲 音 也比 較 清 晰 。 由 于 電 離 層 總 處 在 變 化 之 中 ， 反 射 到 地 面的 電 波 有 強 有 弱 ， 所 以 用 短 波 收 音 時 會 出 現(xiàn) 忽 大 忽 小的 衰 落 現(xiàn) 象 。電 磁 波 的 傳 播 電 磁 波 的 傳 播 散 射 波 傳 播 ： 電 波 通 過 空 間 大 氣 對 流 層 或 電離 層 中 介 質 的 不 均 勻 性 對 電 波 的 散 射 作 用 而 傳播 到 接 收 點 自 由 空 間 傳 播 ： 電 波 由 發(fā) 射 天 線 直 接 傳 播 到接 收 點

18、 。 電 波 的 損 耗 只 和 傳 播 距 離 和 電 波 頻 率有 關 系 。 電 磁 波 的 傳 播 視 距 傳 播 ： 電 波 在 直 視 距 離 內 進 行 的 空 間 傳播 。 在 直 視 距 離 內 才 能 穩(wěn) 定 地 接 收 信 號 。 直 視距 離 與 發(fā) 射 天 線 和 接 收 天 線 的 高 度 有 關 ， 并 受地 球 曲 率 和 地 形 的 影 響 。d為 收 發(fā) 兩 點 的 距 離 ， h1和 h2分 別 為 收 發(fā) 天 線 的 高 度 電 離 層 能 反 射 電 波 ， 也 能 吸 收 電 波 。 對 頻 率 很 高的 電 波 吸 收 的 很 少 。 短 波 （

19、即 高 頻 ） 是 利 用 電 離 層反 射 傳 播 的 最 佳 波 段 ， 它 可 以 借 助 電 離 層 這 面 “ 鏡子 ” 反 射 傳 播 ； 被 電 離 層 反 射 到 地 面 后 ， 地 面 又 把它 反 射 到 電 離 層 ， 然 后 再 被 電 離 層 反 射 到 地 面 ， 這樣 經 過 多 次 反 射 ， 電 磁 波 可 以 傳 播 10000km以 上 。電 磁 波 的 傳 播 電 磁 波 的 產 生 ： 電 磁 波 是 電 磁 場 的 一 種 運 動 形 態(tài) ，電 與 磁 可 以 說 是 一 體 兩 面 ， 電 流 會 產 生 磁 場 ， 變動 的 磁 場 會 產 生

20、電 流 。 變 化 的 電 場 和 變 化 的 磁 場構 成 了 一 個 不 可 分 離 的 統(tǒng) 一 的 場 ， 這 就 是 電 磁 場 。 電 磁 波 的 傳 播 通 過 電 場 、 磁 場 之 間 不 斷 的 能 量 轉 換 ， 電 磁 波 得以 從 半 波 振 子 向 外 傳 播 ， 電 場 和 磁 場 的 方 向 與 傳播 方 向 保 持 垂 直 。 電場電場電場振子電波傳輸方向磁場磁場 電 磁 波 的 傳 播 電 磁 波 的 傳 播 無線電信號的衰落：一般分為快衰落與慢衰落兩種 慢衰落：是由接收點周圍地形地物對信號反射，使得信號電平在幾十米范圍內有大幅度的變化，若MS在沒有任何障礙物

21、的環(huán)境下移動，則某點信號電平與該點和發(fā)射機的距離有關。 快衰落：是疊加在慢衰落的信號上的，這個衰落的速度很快，每秒鐘可達到幾十次，除與地形地物有關，還與MS的速度和信號的波長有關，并且幅度可達幾十個dB，信號的變化呈瑞利分布，也叫瑞利衰落。電 磁 波 的 傳 播 陰 影 效 應 ： 當 有 大 型 建 筑 物 和 其 他 物 體 的 阻 擋 而 在 傳 播接 收 區(qū) 域 上 形 成 半 盲 區(qū) 的 現(xiàn) 象 。 電 波 在 傳 播 途 徑 上 遇 到 障 礙 物 時 ， 總 是 力 圖 繞 過 障 礙 物 ，再 向 前 傳 播 。 超 短 波 的 繞 射 能 力 較 弱 ， 在 高 大 建 筑

22、物 后 面會 形 成 所 謂 的 “ 陰 影 區(qū) ” 。 信 號 質 量 受 到 影 響 的 程 度 不 僅和 接 收 天 線 距 建 筑 物 的 距 離 及 建 筑 物 的 高 度 有 關 ， 還 和 頻率 有 關 。 例 如 一 個 建 筑 物 的 高 度 為 米 ， 在 距 建 筑 物 米 處 接 收 的 信 號 質 量 幾 乎 不 受 影 響 ， 但 在 距 建 筑 物 米 處 ， 接 收 信 號 場 強 將 比 無 高 摟 時 明 顯 減 弱 。 如 果 建筑 物 的 高 度 增 加 到 米 時 ， 則 在 距 建 筑 物 米 以內 ， 接 收 信 號 有 不 同 程 度 的 減 弱

23、 。 也 就 是 說 ， 頻 率 越 高 ，建 筑 物 越 高 、 越 近 ， 影 響 越 大 。 相 反 ， 頻 率 越 低 ， 建 筑 物越 矮 、 越 遠 ， 影 響 越 小 。電 磁 波 的 傳 播 多 普 勒 效 應 :當 一 輛 救 護 車 迎 面 駛 來 的 時 候 ， 聽到 聲 音 越 來 越 刺 耳 ； 而 車 離 去 的 時 候 聲 音 越 來 越低 。 波 在 波 源 移 向 觀 察 者 接 近 時 接 收 頻 率 變 高 ，而 在 波 源 遠 離 觀 察 者 時 接 收 頻 。 當 觀 察 者 移 動 時也 能 得 到 同 樣 的 結 論 ， 所 以 便 發(fā) 生 了 頻 移 。 多 徑 效 應 :指 電 磁 波 經 不 同 路 徑 傳 播 后 ， 各 分 量 場到 達 接 收 端 時 間 不 同 ， 按 各 自 相 位 相 互 疊 加 而 造 成干 擾 ， 使 得 原 來 的 信 號 失 真 ， 或 者 產 生 錯 誤 。電 磁 波 的 傳 播