《4. 無(wú)線電波的發(fā)射、傳播與接收》講義

《4.無(wú)線電波的發(fā)射、傳播與接收》講義第一講無(wú)線電波的發(fā)射、傳播與接收知識(shí)梳理一、無(wú)線電波的發(fā)射1、要發(fā)射無(wú)線電波得有個(gè)振蕩器-振蕩器就像一個(gè)能產(chǎn)生交流電的小工廠。咱們家里的電是交流電，不過(guò)這個(gè)振蕩器產(chǎn)生的交流電頻率可高多了。比如說(shuō)，咱們平常家里的交流電頻率是50Hz，而振蕩器產(chǎn)生的交流電頻率可能是幾百千赫茲（kHz）甚至更高。這就好比是小工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品，和咱們平常家用的不太一樣，它專門生產(chǎn)高頻交流電。-要產(chǎn)生高頻振蕩電流，需要用到LC振蕩電路。這個(gè)LC振蕩電路就像是一個(gè)小的能量循環(huán)系統(tǒng)。L是電感線圈，C是電容器。電感線圈就像一個(gè)小彈簧，能儲(chǔ)存磁能；電容器呢，就像一個(gè)小水庫(kù)，能儲(chǔ)存電能。它們倆配合起來(lái)，電能和磁能就來(lái)回轉(zhuǎn)換，就產(chǎn)生了高頻振蕩電流。就好比小彈簧和小水庫(kù)一起工作，一會(huì)兒是彈簧的能量起作用，一會(huì)兒是水庫(kù)的能量起作用，這樣就有了高頻振蕩的效果。-真實(shí)體驗(yàn)：我曾經(jīng)拆開過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的小收音機(jī)，里面有一些小零件，其中就有類似電感線圈和電容器的東西。當(dāng)時(shí)就想，這么小的東西怎么就能讓收音機(jī)收到廣播呢？后來(lái)才知道，就是靠它們產(chǎn)生高頻振蕩電流，這是發(fā)射無(wú)線電波的第一步呢。2、調(diào)制-調(diào)制是啥呢？就好比咱們要把貨物（信息）運(yùn)出去，得把貨物裝到車上（高頻振蕩電流上）。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是把要傳播的信號(hào)（比如聲音、圖像信號(hào)）加到高頻振蕩電流上。-有兩種調(diào)制方式，調(diào)幅（AM）和調(diào)頻（FM）。-調(diào)幅就像是給貨物（信息）在小車上（高頻振蕩電流）調(diào)整堆放的高度。如果信息強(qiáng)，這個(gè)高度就高；信息弱，高度就低。在調(diào)幅中，高頻振蕩電流的振幅隨著要傳輸?shù)男盘?hào)而變化。比如說(shuō)，咱們聽廣播的時(shí)候，有時(shí)候聲音大，對(duì)應(yīng)的就是調(diào)幅波的振幅大；聲音小，調(diào)幅波的振幅就小。-調(diào)頻就像是給貨物（信息）在小車上（高頻振蕩電流）調(diào)整擺放的位置。如果信息變化，這個(gè)位置就變。在調(diào)頻中，高頻振蕩電流的頻率隨著要傳輸?shù)男盘?hào)而變化。就像咱們聽調(diào)頻廣播，不同的電臺(tái)頻率不一樣，當(dāng)電臺(tái)播放不同的音樂(lè)或者節(jié)目時(shí)，這個(gè)頻率會(huì)根據(jù)信號(hào)的變化而微調(diào)。-舉個(gè)例子，假如咱們把聲音信號(hào)看成是一群小螞蟻，高頻振蕩電流看成是一列小火車。在調(diào)幅的時(shí)候，螞蟻的多少（聲音大?。Q定了小火車車廂的高低（高頻振蕩電流的振幅）；在調(diào)頻的時(shí)候，螞蟻的活動(dòng)情況（聲音的頻率變化等）決定了小火車跑的速度（高頻振蕩電流的頻率）。二、無(wú)線電波的傳播1、地波傳播-地波就像一個(gè)貼著地面爬行的小蟲子。低頻無(wú)線電波可以沿著地球表面?zhèn)鞑?，這就是地波傳播。它傳播的時(shí)候，會(huì)有一部分能量被地球吸收，就像小蟲子爬行的時(shí)候會(huì)留下一些痕跡一樣。-地波傳播比較適合長(zhǎng)波和中波。比如說(shuō)，一些長(zhǎng)波電臺(tái)的廣播，它可以傳播比較遠(yuǎn)的距離，像在海上的一些通信，有時(shí)候就會(huì)用到長(zhǎng)波的地波傳播。因?yàn)殚L(zhǎng)波的繞射能力比較強(qiáng)，就像一個(gè)柔軟的繩子，可以繞過(guò)一些障礙物。就好比在一個(gè)有很多石頭的小路上，長(zhǎng)波就像一根很軟的繩子，可以繞過(guò)這些石頭（障礙物）繼續(xù)傳播。2、天波傳播-天波傳播可就神奇了。它是靠電離層反射來(lái)傳播無(wú)線電波的。電離層在地球的大氣層上層，那里的氣體被太陽(yáng)輻射等因素電離了，就像有了一層特殊的鏡子。高頻無(wú)線電波發(fā)射到電離層，就會(huì)被反射回來(lái)，就像咱們把球扔到墻上，球會(huì)彈回來(lái)一樣。-短波比較適合天波傳播。比如說(shuō)，國(guó)際短波廣播電臺(tái)，它的信號(hào)可以通過(guò)天波傳播到很遠(yuǎn)的地方。不過(guò)天波傳播也有個(gè)小問(wèn)題，電離層的狀態(tài)不是一直穩(wěn)定的。白天和晚上，電離層的高度和密度會(huì)有變化，就像鏡子的性能不一樣了。所以短波電臺(tái)在白天和晚上接收的效果可能會(huì)不一樣。這就好比白天的鏡子反射效果和晚上的鏡子反射效果有差別，反射回來(lái)的信號(hào)也會(huì)有強(qiáng)弱的變化。3、直線傳播-微波是沿著直線傳播的，就像一束直直的光。它不會(huì)像地波那樣貼著地面爬，也不會(huì)像天波那樣靠電離層反射。因?yàn)槲⒉ǖ念l率很高，它的能量比較集中，就像一束很細(xì)很直的激光一樣。-不過(guò)直線傳播也有個(gè)麻煩事，就是它不能繞過(guò)障礙物。如果有個(gè)大樓在中間，微波就過(guò)不去了。這就好比咱們拿根直直的小棍，前面有個(gè)大石頭，小棍就過(guò)不去了。所以在使用微波通信的時(shí)候，需要建立很多中繼站，就像在這條直直的路上建了很多小亭子，微波信號(hào)到了一個(gè)中繼站就被放大然后再繼續(xù)傳下去。三、無(wú)線電波的接收1、調(diào)諧-調(diào)諧就像是在一個(gè)大市場(chǎng)里找咱們想要的東西。天空中有各種各樣的無(wú)線電波，就像市場(chǎng)里有各種各樣的商品。我們的收音機(jī)或者接收設(shè)備要從這些眾多的無(wú)線電波中找到我們想要接收的那個(gè)電臺(tái)的電波。-接收電路里面有個(gè)可變電容器，通過(guò)改變這個(gè)可變電容器的電容，就可以改變接收電路的固有頻率。當(dāng)這個(gè)固有頻率和我們要接收的電臺(tái)的頻率相等的時(shí)候，就像鑰匙和鎖對(duì)上了，就能接收到這個(gè)電臺(tái)的信號(hào)了。這就好比我們?cè)谑袌?chǎng)里找東西，只有找到那個(gè)和我們需求匹配的東西，才能把它拿回家。2、解調(diào)-解調(diào)就是把我們之前在發(fā)射的時(shí)候裝到車上（高頻振蕩電流）的貨物（信息）再取下來(lái)。如果是調(diào)幅信號(hào)，就用檢波器把信號(hào)的振幅變化還原成原來(lái)的聲音或者圖像信號(hào)。如果是調(diào)頻信號(hào)，就用專門的調(diào)頻解調(diào)器把頻率的變化還原成原來(lái)的信號(hào)。-舉個(gè)例子，就像我們把東西裝到箱子里運(yùn)過(guò)來(lái)了，現(xiàn)在要把箱子打開，把東西拿出來(lái)。這個(gè)過(guò)程就是解調(diào)，這樣我們才能真正聽到廣播里的聲音或者看到電視上的圖像。課程重點(diǎn)1、無(wú)線電波發(fā)射中的調(diào)制過(guò)程，尤其是調(diào)幅和調(diào)頻的原理。這是理解無(wú)線電波如何攜帶信息的關(guān)鍵，就像知道怎么把貨物裝到車上才能明白運(yùn)輸?shù)脑硪粯印?、無(wú)線電波傳播的三種方式，地波、天波和直線傳播的特點(diǎn)和適用的無(wú)線電波類型。這有助于我們理解不同頻率的無(wú)線電波為什么能傳播到不同的距離和范圍。3、無(wú)線電波接收中的調(diào)諧和解調(diào)原理。這是我們能夠從眾多無(wú)線電波中準(zhǔn)確接收到想要的信號(hào)并且還原出信息的重要環(huán)節(jié)，就像從市場(chǎng)眾多商品中準(zhǔn)確找到自己要的然后打開包裝拿出東西一樣。課程難點(diǎn)1、理解LC振蕩電路產(chǎn)生高頻振蕩電流的原理。電感和電容之間能量的轉(zhuǎn)換比較抽象，就像理解小彈簧和小水庫(kù)怎么配合起來(lái)工作一樣，需要多思考和類比。2、天波傳播中電離層對(duì)無(wú)線電波反射的原理。電離層是個(gè)比較復(fù)雜的環(huán)境，它的狀態(tài)變化對(duì)無(wú)線電波反射的影響不太好理解。這就像理解一個(gè)變化的鏡子對(duì)球的反射效果一樣，需要考慮很多因素。3、調(diào)諧和解調(diào)過(guò)程中的具體電路工作原理。這里涉及到一些電路元件的工作特性，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，就像要搞清楚一個(gè)復(fù)雜機(jī)器里每個(gè)小零件的功能一樣。經(jīng)典例題1、下列關(guān)于無(wú)線電波發(fā)射的說(shuō)法正確的是（）-A.只要有振蕩器就能發(fā)射無(wú)線電波-B.LC振蕩電路產(chǎn)生的高頻振蕩電流就是無(wú)線電波-C.調(diào)制后的高頻振蕩電流才可以用來(lái)發(fā)射無(wú)線電波-D.調(diào)幅和調(diào)頻是把無(wú)線電波變成聲音信號(hào)的過(guò)程-答案：C-解析：有振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩電流只是發(fā)射無(wú)線電波的第一步，還需要調(diào)制才能發(fā)射，A選項(xiàng)錯(cuò)誤；LC振蕩電路產(chǎn)生的高頻振蕩電流不是無(wú)線電波，只是無(wú)線電波發(fā)射的一個(gè)環(huán)節(jié)，B選項(xiàng)錯(cuò)誤；調(diào)制后的高頻振蕩電流才帶有要傳輸?shù)男畔ⅲ趴梢杂脕?lái)發(fā)射無(wú)線電波，C選項(xiàng)正確；調(diào)幅和調(diào)頻是把聲音等信號(hào)加到高頻振蕩電流上的過(guò)程，而不是把無(wú)線電波變成聲音信號(hào)，D選項(xiàng)錯(cuò)誤。2、關(guān)于無(wú)線電波的傳播，以下說(shuō)法正確的是（）-A.地波傳播只適合長(zhǎng)波，不適合中波-B.天波傳播中電離層在白天和晚上對(duì)短波的反射效果相同-C.微波直線傳播時(shí)不需要任何輔助就能傳播很遠(yuǎn)-D.地波傳播時(shí)會(huì)有能量損耗-答案：D-解析：地波傳播適合長(zhǎng)波和中波，A選項(xiàng)錯(cuò)誤；天波傳播中電離層在白天和晚上對(duì)短波的反射效果不同，B選項(xiàng)錯(cuò)誤；微波直線傳播不能繞過(guò)障礙物，需要中繼站輔助才能傳播很遠(yuǎn)，C選項(xiàng)錯(cuò)誤；地波傳播時(shí)會(huì)有能量被地球吸收，有能量損耗，D選項(xiàng)正確。3、在無(wú)線電波接收過(guò)程中，調(diào)諧的目的是（）-A.放大接收到的信號(hào)-B.把接收到的信號(hào)變成聲音或圖像信號(hào)-C.從眾多無(wú)線電波中選出要接收的電臺(tái)信號(hào)-D.改變接收電路的頻率以適應(yīng)不同的電臺(tái)-答案：C-解析：調(diào)諧的目的是從眾多無(wú)線電波中選出要接收的電臺(tái)信號(hào)，就像在市場(chǎng)里找到自己想要的商品，C選項(xiàng)正確；放大信號(hào)是放大器的功能，A選項(xiàng)錯(cuò)誤；把接收到的信號(hào)變成聲音或圖像信號(hào)是解調(diào)的功能，B選項(xiàng)錯(cuò)誤；改變接收電路的頻率以適應(yīng)不同的電臺(tái)是調(diào)諧的手段，而不是目的，D選項(xiàng)錯(cuò)誤。4、對(duì)于LC振蕩電路，下列說(shuō)法正確的是（）-A.電感L儲(chǔ)存電能，電容C儲(chǔ)存磁能-B.電感L和電容C儲(chǔ)存的能量之和是不變的-C.當(dāng)電容C放電完畢時(shí)，電感L中的電流為零-D.當(dāng)電感L中的電流最大時(shí)，電容C兩端的電壓最大-答案：B-解析：電感L儲(chǔ)存磁能，電容C儲(chǔ)存電能，A選項(xiàng)錯(cuò)誤；在LC振蕩電路中，電感L和電容C儲(chǔ)存的能量之和是不變的，電能和磁能相互轉(zhuǎn)換，B選項(xiàng)正確；當(dāng)電容C放電完畢時(shí)，電感L中的電流最大，C選項(xiàng)錯(cuò)誤；當(dāng)電感L中的電流最大時(shí)，電容C兩端的電壓為零，D選項(xiàng)錯(cuò)誤。5、某電臺(tái)發(fā)射的無(wú)線電波為調(diào)幅波，當(dāng)廣播聲音變大時(shí)，下列說(shuō)法正確的是（）-A.高頻振蕩電流的頻率變大-B.高頻振蕩電流的振幅變大-C.高頻振蕩電流的頻率和振幅都變大-D.高頻振蕩電流的頻率和振幅都不變-答案：B-解析：對(duì)于調(diào)幅波，廣播聲音變大時(shí)，高頻振蕩電流的振幅變大，而頻率不變，就像小火車車廂的高度變高了，但是跑的速度不變，B選項(xiàng)正確，A、C、D選項(xiàng)錯(cuò)誤。6、以下關(guān)于無(wú)線電波傳播的說(shuō)法，與實(shí)際情況相符的是（）-A.長(zhǎng)波通過(guò)天波傳播可以傳播到很遠(yuǎn)的地方-B.短波的地波傳播繞射能力很強(qiáng)-C.微波如果沒(méi)有中繼站輔助，傳播距離很短-D.電離層對(duì)所有頻率的無(wú)線電波都有良好的反射作用-答案：C-解析：長(zhǎng)波適合地波傳播，天波傳播不適合長(zhǎng)波，A選項(xiàng)錯(cuò)誤；短波適合天波傳播，長(zhǎng)波的地波傳播繞射能力強(qiáng)，B選項(xiàng)錯(cuò)誤；微波直線傳播不能繞過(guò)障礙物，如果沒(méi)有中繼站輔助，傳播距離很短，C選項(xiàng)正確；電離層只對(duì)高頻無(wú)線電波有反射作用，不是所有頻率，D選項(xiàng)錯(cuò)誤。7、在無(wú)線電波的接收中，對(duì)于解調(diào)過(guò)程，下列說(shuō)法正確的是（）-A.解調(diào)是把高頻振蕩電流變成低頻信號(hào)的過(guò)程-B.對(duì)于調(diào)幅信號(hào)和解調(diào)調(diào)頻信號(hào)的方法是一樣的-C.解調(diào)后的信號(hào)可以直接通過(guò)揚(yáng)聲器播放-D.解調(diào)是在調(diào)諧之前進(jìn)行的-答案：A-解析：解調(diào)是把高頻振蕩電流變成低頻信號(hào)（如聲音或圖像信號(hào)）的過(guò)程，A選項(xiàng)正確；調(diào)幅信號(hào)和解調(diào)調(diào)頻信號(hào)的方法不同，B選項(xiàng)錯(cuò)誤；解調(diào)后的信號(hào)可能還需要經(jīng)過(guò)放大等處理才能通過(guò)揚(yáng)聲器播放，C選項(xiàng)錯(cuò)誤；解調(diào)是在調(diào)諧之后進(jìn)行的，D選項(xiàng)錯(cuò)誤。8、一個(gè)LC振蕩電路中，電感L=1mH，電容C=100pF，這個(gè)電路產(chǎn)生的高頻振蕩電流的頻率是多少？-首先，根據(jù)公式f=1/(2πsqrt(LC))，把L=1mH=1×10?3H，C=100pF=100×10?12F代入公式。-計(jì)算可得f=1/(2πsqrt((1×10?3)×(100×10?12)))=1/(2πsqrt(1×10?13))≈1591549Hz≈1.59MHz。9、某調(diào)頻電臺(tái)發(fā)射的無(wú)線電波頻率為100MHz，當(dāng)播放一段音樂(lè)時(shí)，頻率在99.9MHz到100.1MHz之間變化，這種頻率的變化是（）-A.由于信號(hào)干擾造成的-B.正常的調(diào)頻現(xiàn)象，與音樂(lè)信號(hào)有關(guān)-C.表示電臺(tái)要更換頻率了-D.是接收設(shè)備故障導(dǎo)致的-答案：B-解析：這是正常的調(diào)頻現(xiàn)象，在調(diào)頻中，高頻振蕩電流的頻率隨著要傳輸?shù)男盘?hào)（這里是音樂(lè)信號(hào)）而變化，就像根據(jù)貨物（音樂(lè)）的情況調(diào)整小火車（高頻振蕩電流）的