业余无线电学习资料

0x00 无线电简史

  • 1837 年,摩斯发明电报,创造摩斯密码(Morse Code)
  • 1865 年,麦克斯韦提出电磁波学说
  • 1876 年,贝尔发明电话
  • 1887 年,德国科学家赫兹(Hertz)做出电磁波,历史上第一次直接验证电磁波存在
  • 1897 年,意大利科学家马可尼(Marconi)在赫兹实验的基础上,实现了远距离无线电信号的传送,这个距离在当时不过一百码,但一年后他就实现了船只与海岸的通信。
  • 1901 年,马可尼做了跨越大西洋传送无线电信号的表演。这一次他把信号从英国的 Cornwall 发送到加拿大的 Newfoundland。 马可尼因此获得 1909 年度诺贝尔奖。与他分享这一年度诺贝尔奖的是布劳恩(Braun),因为布氏发现金属硫化物具有单向导电性,这一成果可用于无线电接收装置。
  • 1904 年,英国科学家弗莱明(Fleming)获得了一项专利,在专利说明书中描述了一个高频交变电流整流用的两极真空管,标志着进入无线电电子学时代。
  • 1906 年,美国科学家弗雷斯特(Forest)发明了真空三极管,是电子技术发展史上第一个重要里程碑。同年,美国科学家费森登(Fessenden)在 Massachusetts 领导了第一次广播。
  • 1912 年,英国科学家埃克尔斯(Eccles)提出了无线电波通过电离层传播的理论,这一理论使得一群业余爱好者在 1921 年实现了短波试验性广播; 同年,美国的费森登(Fessenden)和阿姆斯特朗(Armstrong)改进了接收机的工作方式,发明了外差式接受系统,这种形式仍是目前许多无线电接收机的主要工作方式

0x01 电磁波与无线电

电磁波的特征参数

频率(f):电磁波 1s 振荡的次数,单位赫兹(Hz)
波长(λ):电磁波每振荡一次向前传播的距离,单位米(m)
波速(c):电磁波每1s向前传播的距离,单位米/秒(m/s)

相关公式: $ C = \lambda \times f (波速=波长\times频率) $

电磁波波段划分

通常在业余无线电的划分是:

名称 频率范围
极低频 波段 3~30Hz
超低频 波段 30~300Hz
特低频 波段 300~3000Hz
甚低频(VLF) 波段 3~30KHz
低频(LF) 波段 30~300KHz
中频(MF) 波段 300~3000KHz
高频(HF) 波段 3~30MHz
甚高频(VHF) 波段 30~300MHz
特高频(UHF) 波段 300~3000MHz
超高频(SHF) 波段 3~30GHz
极高频(EHF) 波段 30~300GHz
至高频 波段 300~3000GHz

电磁波的速度与分类

电磁波产生之后,传播时不需要任何介质,在真空中也能传播,其在真空中传播速度为固定值,是宇宙中物质运动的最快速度,与光速相同,数值为 $3\times10^{8}m/s$

电磁波根据波长的大小,分为短波、中波、长波、微波、红外线、可见光、紫外线、Χ 射线、γ 射线等。
常见波速与频率

无线电波传播途径

无线电波广泛地应用于无线电通讯、广播、电视等方面,无线电波的发射和接受通过天线实现,其传播分为三种途径:天波、地波、微波。

地波:沿地球表面空间传播的无线电波叫做地波。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。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。

各个频段无线电波的传播方式及特点

VU 段的特点——直达波,视距传播,距离 50 公里左右,有多径效应(接收时同时接收到山体、楼房等反射信号,波谷叠加抵消削弱,波峰叠加信号放大)

短波 HF的传播途径:

  • 直达波,与 VU 相同
  • 地波
  • 天波

越距:一般 300 公里左右,一般将该范围称为静区,短波频率越高越明显。

措施:更换频率 / 改变天线仰角

无线电与电磁波

频率在数百千赫兹到数百兆赫兹之间的电磁波叫做无线电波,它包括短波、中波、长波、微波,无线电波也仅仅是电磁波的一部分,但电磁波不仅仅只有无线电波,仅仅只有频率相对较低的一部分电磁波才叫无线电波。

0x02 无线电信号调制

什么叫调制,为什么要调制

声音的频率是 20Hz~20KHz,转变成电磁波后也是这个频率,属于低频。电磁波的频率越高越容易传送得更远。所以音频需搭载在高频信号上才能传输得更远,音频搭载上高频信号的过程就叫调制,说白了就是将需要发送的信号与作为载体信号的高频信号做加法,过程很简单,就是正余弦的加减(如图)

调频波波形演示
动态演示

无线电信号是原始信号和已调振荡信号的总称。声音、图像、文字、电码等欲传送的信息,通过转换设备后,转变成为相应变化的电压或电流,这种变化的电压或电流称为原始信号。在发射机中原始信号是用来调制高频振荡的,或者说是用来控制高频振荡的某一参数的,因此又称为调制信号或控制信号。经过调制的高频振荡,或者说参数按调制信号规律变化的高频振荡,称为已调振荡(已调波)

调制的目的是为了把音频传送到更远的地方。目前常用的方法有调幅(AM)和调频(FM)两种方法。

  • AM(Amplitude Modulation 调幅):调制幅度,高频信号的幅度随着音频信号幅度的改变而改变,当音频信号的幅度高时高频信号的幅度也跟着高,反之跟着变低,形成音频信号的幅度包络,但高频信号的频率保持不变;调幅的特点是频宽宽,距离短。频宽宽的意思是对阻碍物的穿透能力强,但是传输距离较短

  • FM(Frequency Modulation 调频):调制频率,高频信号的频率随着音频信号幅度的改变而改变,当音频信号的幅度高时高频信号的频率也跟着高,反之跟着变低,但高频信号的幅度保持不变。调频的特点是频宽窄,距离长。频宽窄的意思是对阻碍物的穿透能力弱,但是传输距离长

频率:波在一定时间内震动次数
幅度:波在震动时候上下的幅度大小
调制器:用于实现调制信号对高频载波信号的调制,产生已调波输出。
高频放大器:对产生的已调波进行功率及幅度的放大后送至天线发射出去。
电源:为电路各个部分提供电源。

常见数字信号波形

几种常见的数字信号波形

单极性不归零码(Unipolar NRZ)波形:正电平表示二进制信息代码 1,零电平表示二进制信息代码 0,脉冲之间无间隔,这就是上图中最简单、最常用数字基带信号。其特点是极性单一,有直流分量

双极性不归零码(Bipolar NRZ)波形:正电平表示二进制信息代码 1,负电平表示二进制信息代码 0,脉冲之间无间隔,波形如图所示。其特点是正、负电平幅度相等,当 0、1 等概率出现时无直流分量,这是双极性码与单极性码的最大不同

单极性归零码(Unipolar RZ)波形:在非零码元内,脉冲占空比小于1(不归零码脉冲占空比等于1),或者说脉冲宽度小于码元宽度,每个脉冲在码元长度内都回到零电平,因此被称为归零码

双极性归零码(Bipolar RZ)波形:它是双极性波形的归零形式,每个码元内的脉冲(正脉冲或负脉冲)都回到零电平,即相邻脉冲之间一定有零电平作间隔

归零码常应用于磁记录系统中
数字通信原理:数字基带信号及其功率谱

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