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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:
①语言的诞生;②文字的诞生;③印刷术的诞生;④电磁波的应用;⑤计算机技术的应用。
4.早期的信息传播工具有很多,比如:
①万里长城上的烽火台;②古代传递官文的驿马;③莫尔斯发明的电报机;④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λ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=
=λf。
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γ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:
①传播的信息形式从“文字→声音→图像”;
②传播的信息量“由小到大”;
③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=λf,要求出波长,可以把公式变形为λ=
。
解答:
因为c=λf,所以λ=
,则:
=
=
=0.078m。
=
=
=0.076m。
所以这两个电磁波的波长分别是0.078m和0.076m。
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