电磁波与现代通信

电磁波与现代通信 主讲 李超 知识强化 一 知识概述 现在 我们哪一天都离不开信息 当然也离不开信息技术 例如你正享受着网络 带给千里之外的信息 本周学习信息与信息传播的原理和应用 二 重难点知识归纳及讲解 一 信息与信息传播 1 信息是各种事物发出的有意义的消息 消息中包含的内容越多 信息量越大 2 人类特有的信息有三种 语言 符号和图像 3 在人类历史上 信息和信息传播活动经历了五次巨大的变革 它们是 语言的诞 生 文字的诞生 印刷术的诞生 电磁波的应用 计算机技术的应用 4 早期的信息传播工具有很多 比如 万里长城上的烽火台 古代传递官文的驿 马 莫尔斯发明的电报机 贝尔制作的早期电话 5 莫尔斯电码与密码 二 电磁波及其传播 1 波的基本特征 所有的波都是在传播周期性变化的运动形态 这里的运动形态又可 分为 凹凸相间和疏密相间两种 2 振幅 我们把波源偏离平衡位置的最大距离叫做振幅 用字母 A 表示 单位是米 m 它反映了波源振动的强弱 周期 波源振动一次所需要的时间叫做周期 用字母 T 表示 单位是秒 s 频率 波源每秒内振动的次数叫做频率 用字母 f 表示 单位是赫兹 Hz 频 率与周期反映了振动的快慢 它们的关系是 T 波长 波在一个周期内传播的距离叫做波长 用 表示 单位是米 m 波速 波的传播速度 用字母 v 表示 单位是米 秒 m s 3 波长 波速 频率 周期的关系是 v f 4 电磁波 1 电磁波是在空间传播的周期性变化的电磁场 2 电磁波在真空中的传播速度 即光速 c 3 108m s 3 电磁波谱 从电磁波谱图可知 电磁波包括了 无线电波 微波 光 包括红外线 可见光 和紫外线 X 射线和 射线等 其中无线电波的波段表见下 4 人类应用电磁波传播信息的历史经历了以下变化 传播的信息形式从 文字 声音 图像 传播的信息量 由小到大 传播信息的速度 由慢到快 三 现代通信 走进信息时代 1 移动通信是指移动用户之间或移动用户与固定用户之间的通信方式 移动通信的基地台是按蜂窝结构布局的 这种布局可以增加电磁波覆盖的有效面 积 避免基地台的重复建设 因而移动电话也称为 蜂窝移动电话 2 光纤通信是以激光为光源 以光导纤维为传输介质进行的通信 光纤通信具有传输容量大 抗电磁干扰能力强等突出优点 是构成未来信息高速 公路骨干网的主要通信方式 光纤通信的过程是 电话 激光发射机 光纤 激光接收机 电话 3 卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站 转发无线电信号 在多个地球站之间进行 的通信 卫星通信具有传输距离远 覆盖区域大 灵活 可靠 不受地理环境条件限制等 独特优点 以覆盖面积来说 一颗通信卫星可覆盖地球面积的三分之一多 即三颗同 步通信卫星就可以覆盖整个地球 4 互联网络是全世界的计算机 计算机网络互相连接成的信息传送网络 包括有线网 络和无线网络 互联网络的用途非常广泛 如信息查询 电子邮件 远程登录 文件传送 远程 医疗 网上聊天 电子会议等 三 重 难点解析 1 认识信息 我们今天生活的时代是一个信息的时代 无论是工作中 学习中还是日常生活中 我们都要利用各种不同的渠道收集各个方面的信息 外交家注意国际关系的微妙变化 企业家注意商情的波动 金融家关注股市行情的涨跌 科学家关心学科前沿的动态 所有这一切 都与信息息息相关 信息现在已经成为现代科学技术中普遍使用的一个概念 作为日常用语 信息指 音信 消息 消息就是预先不知道的报道 一般来说 信息是指由信息源 如自然界 人类社会等 发出的各种信号 使使用者接受和理解 信息并非事物本身 而是表征事物 并由事物发出的消息 情报 指令 数据和 信号中包含的内容 一切事物 包括自然界 人类社会等 都在发出信息 在人类社 会中 信息往往以文字 图像 语言 声音等形式出现 信息是生活 工作中的常见现象 一切事物都会发出信息 信息无时不在 人们 要想有效地工作和生活 必须拥有足够的信息 借助于信息 人类才能获取并发展知识 通过获取信息 人们才能区别自然界和 社会中的不同的事物 才得以认识世界 认识自然 利用自然 2 认识卫星通信 通信卫星工作的基本原理如图所示 通信卫星的运行轨道有两种 一种是低或中 高轨道 另一种轨道是高达 36000km 的同步定点轨道 即在赤道平面内的圆形轨道 卫星的运行周期与地球自转一圈的时间相同 在地面上看这种卫星好似静止不动 称 为同步卫星 卫星通信系统由通信卫星 空间部分 和地面部分 通信地面站 两大 部分构成 在这一系统中 通信卫星实际上就是一个悬挂在空中的通信中继站 它居 高临下 视野开阔 它可以 看 到地球最大跨度达 18000km 以上 三颗卫星 如图 就可以覆盖地球的几乎全部面积 可进行 24 小时的全天候通信 只要在它的覆盖照射 区以内 不论距离远近都可以通信 通过它转发和反射电报 电视 广播和数据等无 线信号 通信卫星的种类也越来越多 按服务区域划分 有全球 区域和国内通信卫 星 按用途分 有一般通信卫星 广播卫星 海事卫星 跟踪和数据中继卫星以及各 种军用卫星等 3 认识电磁波 无线电波 的传播方式 电磁波 这里主要指无线电波 因波长不同具有不同的传播形式 主要有 地 波 天波和微波三种形式 地波 沿地球表面空间传播的无线电波叫做地波 由于地面上有高低不平的山坡 和房屋等障碍物 只有能绕过这些障碍物的无线电波 才能被各处的接收机收到 当 波长大于或相当于障碍物的尺寸时 就可以绕过障碍物到达它们的后面 地面上的障 碍物尺寸一般不大 长波可以相当容易地绕过它们 中波和中短波也能较好地绕过去 短波和微波由于波长较短 很难绕过它们 由于地球是一个大导体 地球表面会因地 波的传播引起感应电流 因此地波在传播过程中要损失能量 频率越高损失的能量也 越多 所以地波主要适用于长波 中波和中短波 天波 依靠电离层的反射来传播的无线电波叫做天波 地面上空的气体分子由于 受到太阳的照射而发生电离 大气中一部分中性的气体分子分解为带正电的离子和自 由电子 该层大气就是电离层 电离层对于不同波长的电磁波的反射和吸收表现不同 的特性 波长越长 吸收越强反射越弱 因此短波最适宜以天波的形式传播 微波 微波是由于频率高 波长短 它既不能以地波的形式传播 又不能依靠天 波的形式传播 和光一样 沿直线传播 由于地球表面是球形的 微波沿直线传播的 距离不大 一般只有几十千米 在进行远距离通信时 要有中继站 由某地发射出去 的微波 被中继站接收 并加以放大 处理 再传向下一站 像接力赛那样 一站传 一站 经过很多中继站可以把电信号传到远方 典型例题 例 1 下列说法中正确的是 A 频率越高的电磁波 传播速度越大 B 波长越短的电磁波 传播速度越大 C 频率越高的电磁波 波长越短 D 波长不同的电磁波 频率不同 因而速度亦不同 分析 电磁波的传播速度与波长和频率无关 仅由传播的介质决定 电磁波在同一物质 中的传播速度是不变的 在真空中的传播速度等于光速 在空气中的速度近似等于光 速 但电磁波的波长 频率及传播速度三者满足 传播速度 波长 频率 因此电磁波 的频率与波长成反比关系 解答 应选 C 例 2 关于同步卫星 以下说法中正确的是 A 同步卫星的转动周期和地球的自转周期相同 B 同步卫星和月球一样每天绕地球一周 C 同步卫星固定在空中一直不动 D 同步通信卫星做为传播微波的中继站 地球上只要有 2 颗就能覆盖全世界 分析 所谓地球同步卫星 即指卫星绕地球转动的周期与地球的自转周期相同 与地球 同步转动 且在赤道上空的某地 站在地球上观看 以地球本身为参照物 它在空中 的位置是固定不动的 所以它可以代替微波中继站来进行电磁波的中转作用 全世界 只要有三颗这样的卫星 当然位置要选定好 就可以满足全世界的需求 正确答案只 有 A 解答 应选 A 例 3 目前 中国教育电视台的两套卫星电视节目是通过国产 东方红二号甲 通信卫星 转发的 卫星转发下行频率为 3848MHz 和 3928MHz 这两个电磁波的波长分别是 和 分析 电磁波的传播速度 c 与波长 频率的关系是 c f 要求出波长 可以把公式变 形为 解答 因为 c f 所以 则 0 078m 0 076m 所以这两个电磁波的波长分别是 0 078m 和 0 076m