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無線電

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AM訊號在示波器上
現代數位化電腦式無線電發報機
美國早期的收音機廣告

無線電英語Radio)或射頻波是指在自由空間(包括空氣和真空)傳播的電磁波,其頻率 300GHz 以下(下限頻率較不統一,在各種射頻規範書, 常見的有三:3KHz~300GHz,9KHz~300GHz,10KHz~300GHz)。無線電技術是通過無線電傳播信號的技術。在天文學上,無線電波被稱為無線電波,簡稱無線電

無線電技術的原理在於,導體電流強弱的改變會產生無線電。利用這一現象,通過調製可將信息加載於無線電之上。當電波通過空間傳播到達收信端,電波引起的電磁場變化又會在導體中產生電流。通過解調將信息從電流變化中提取出來,就達到了信息傳遞的目的。

麥克斯韋最早在他遞交給英國皇家學會的論文《電磁場的動力理論》中闡明了電磁波傳播的理論基礎。他的這些工作完成於1861年至1865年之間。

海因里希·魯道夫·赫茲在1886年至1888年間首先通過試驗驗證了麥克斯韋爾的理論。他證明了無線電輻射具有波的所有特性,並發現電磁場方程可以用偏微分方程表達,通常稱為波動方程

1906年聖誕前夜,范信達美國麻薩諸塞州採用外差法實現了歷史上首次無線電廣播。范信達廣播了他自己用小提琴演奏「平安夜」和朗誦《聖經》片段。位於英格蘭切爾姆斯福德的馬可尼研究中心在1922年開播世界上第一個定期播出的無線電廣播娛樂節目。

發明[編輯]

關於誰是無線電臺的發明人還存在爭議。

1893年,尼古拉·特斯拉在美國密蘇里州聖路易斯首次公開展示了無線電通信。在為「費城佛蘭克林學院」以及全國電燈協會做的報告中,他描述並演示了無線電通信的基本原理。他所製作的儀器包含電子管發明之前無線電系統的所有基本要素。

亞歷山大·波波夫於1895年5月7日他在彼得堡物理和化學協會物理學部年會上演示了他製成的一架無線電接收裝置-雷電指示器,這一天後來被俄羅斯定為「無線電日」慶祝。俄羅斯人認為他才是無線電的發明人。

古列爾莫·馬可尼擁有通常被認為是世界上第一個無線電技術的專利,英國專利12039號,「電脈衝及信號傳輸技術的改進以及所需設備」[1]

尼古拉·特斯拉1897年在美國獲得了無線電技術的專利。然而,美國專利局於1904年將其專利權撤銷,轉而授予馬可尼發明無線電的專利。這一舉動可能是受到馬可尼在美國的經濟後盾人物,包括湯瑪斯·愛迪生安德魯·卡耐基影響的結果。1909年,馬可尼和卡爾·費迪南德·布勞恩由於「發明無線電報的貢獻」獲得諾貝爾物理學獎。

1943年,在特斯拉去世後不久,美國最高法院重新認定特斯拉的專利有效。這一決定承認他的發明在馬可尼的專利之前就已完成。有些人認為作出這一決定明顯是出於經濟原因。這樣二戰中的美國政府就可以避免付給馬可尼的公司專利使用費。

1898年,馬可尼在英格蘭切爾姆斯福德的霍爾街開辦了世界上首家無線電工廠,雇傭了大約50人。

收發機制[編輯]

用於遠程通信的無線電系統通常包含以下的部件。無線電技術經過100多年的發展,這些收發機制的實現方法已經變得多種多樣,而現代的工程師可以根據實際需求選擇最優的方法。

調製和發射器[編輯]

每個無線電系統都具有發射器。發射器的功能藉由能夠製造出所需振盪頻率的交流電源所實現。發射器含有用於調製的系統。其功能是將電源輸送來的信號加以修改,並藉此傳遞信息。最簡單的調製方法是不時地切斷電源,正如拍電報時發報員的工作。這種簡單的調製,手工就能完成。而現代無線電通訊所需的複雜調製則涉及到許多交流電屬性的細微調整,如振幅頻率相位(而且往往同時調節的參數不止一個)。隨後,發射器將調製後的信號傳遞給調諧過的共振天線。此舉能將震盪電流轉化為電磁波,並以無線的形式傳播(有時會受到偏振的影響)。

音頻訊號(最上方圖)可藉由調幅調頻射電傳送

載波調幅藉由調整信號振幅(即信號強度),使之與所要傳遞的訊號的變化相同步,而傳送訊息。例如,信號強弱可用於描述話筒傳出的聲震動情況,或者用於確定電視熒幕上某個畫素的熒光情況。世界上首個聲訊電台採用的便是此種調製方式,而時至今日它仍被廣泛使用。"AM"目前常用於指中波廣播電台

如右圖所示,在調幅這種調諧方式下,所產生的電磁波頻率並不隨時間推移而發生變化。

調頻則是通過調整載波頻率來達到送信的目的。這種情況下,載波的瞬時頻率同步於所傳遞的訊號的瞬時頻率。數位訊號的傳遞可以藉由將載波在數個離散的頻率間切換來實現。此技術被稱為頻率偏移調變

FM現時常指甚高頻高保真廣播。無線電視的音軌訊號也是通過超高頻信道傳送的。

天線[編輯]

屋頂的電視天線八木天線可用來接收VHFUHF頻率的訊號

天線可以將電流轉換為無線電,也可以將無線電轉換為電流。常配合發送器接收器一起使用。在傳輸時,發送器會產生震盪的無線電頻率英語Radio frequency電流到天線上,而天線會產生電磁輻射。在接收時,天線會拮取電磁波的部份能量,產生微小的電壓,再透過接收器放大。天線可以用來傳送及接收的用途。

傳播[編輯]

電磁波產生後,可以在空間中直接傳播,但其路徑也可能被反射折射繞射等影響。電磁波的強度會因幾何距離而變小(平方反比定律),有些情形下介質也會吸收能量。雜訊也會影響電磁波的訊號,電磁干擾的來源可能是自然的,也可是人造的(例如其他電磁波傳送器或是非蓄意輻射英語accidental radiator)。雜訊也可能因為設備本身的特性而產生,如果雜訊的強度太大,就無法分辨電磁波中的訊號及雜訊,這也是無線電通訊的基本限制

諧振[編輯]

無線電中的諧振電路可以選擇接收特定頻段的信號。諧振電路可以只針對特定頻率的信號有較大的響應,對其他特定頻率信號的響應會較小,因此無線電接收器可以區分不同頻率下的信號。

接收器和解調[編輯]

電磁波可以用調諧過的天線接收其訊號。天線可以拮取一些電磁波的能量,變成電路中的諧振電流。接收器可以將電流解調,轉換成可用的的訊號。接收器一般也會調諧英語tuner (radio)到可以接收特定頻段的訊號,拒絕其他頻段的信號。

早期的無線電系統只靠天線拮取到的能量來產生訊號。後來發明了像真空管電晶體等電子設備,可以將微弱的訊號放大,因此無線電就更為普及。無線電的應用包括無線對講機、兒童的玩具、到無人行星探測任務先鋒計劃的控制,也包括廣播及其他的應用。

無線電接收機天線中接收訊號,利用電子濾波器從天線接收到的訊號中分離出想要的訊號,再利用放大器將訊號放大到適合後續處理的準位,最後將訊號轉換為使用者需要的形式,例如聲音、影像、數位資料、量測值及導航的位置等[2]

無線電頻段[編輯]

不同頻段電磁波的比較
名稱 波長 頻率 光子能量 (eV)
伽馬射線 小於 0.01 nm 大於 10 EHz 100 keV - 300+ GeV
X光 0.01 to 10 nm 30 PHz - 30 EHz 120 eV to 120 keV
紫外線 10 nm - 400 nm 30 EHz - 790 THz 3 eV to 124 eV
可見光 390 nm - 750 nm 790 THz - 405 THz 1.7 eV - 3.3 eV
紅外線 750 nm - 1 mm 405 THz - 300 GHz 1.24 meV - 1.7 eV
微波 1 mm - 1 meter 300 GHz - 300 MHz 1.24 meV - 1.24 µeV
無線電 1 mm - km 300 GHz - 3 Hz 1.24 meV - 12.4 feV

無線電的頻率範圍從數Hz到300GHz,不過商業上重要的無線電頻段只佔其中的一小部份[3]。其他頻率超過無線電的電磁波包括紅外線、可見光、紫外線X光伽馬射線。由於無線電頻率範圍內的光子能量太小,無法游離原子中的電子,因此無線電歸類為非游離輻射

無線電的用途[編輯]

七十年代超外差電晶體收音機線路

無線電的最早應用於航海中,使用摩斯電報在船與陸地間傳遞信息。現在,無線電有著多種應用形式,包括無線數據網,各種移動通信以及無線電廣播等。

以下是一些無線電技術的主要應用:

通信[編輯]

聲音[編輯]

軍用手持無線電通話器
  • 聲音廣播的最早形式是航海無線電報。它採用開關控制連續波的發射與否,由此在接收機產生斷續的聲音信號,即摩爾斯電碼
  • 調幅廣播可以傳播音樂和聲音。調幅廣播採用幅度調製技術,即話筒處接受的音量越大則電台發射的能量也越大。 這樣的信號容易受到諸如閃電或其他干擾源的干擾。
  • 調頻廣播可以比調幅廣播更高的保真度傳播音樂和聲音。對頻率調製而言,話筒處接受的音量越大對應發射信號的頻率越高。調頻廣播工作於甚高頻段(Very High Frequency,VHF)。頻段越高,其所擁有的頻率頻寬也越大,因而可以容納更多的電台。同時,波長越短的無線電波的傳播也越接近於光波直線傳播的特性。
  • 調頻廣播的邊帶可以用來傳播數位訊號如,電台標識、節目名稱簡介、網址、股市信息等。在有些國家,當被移動至一個新的地區後,調頻收音機可以自動根據邊帶信息自動尋找原來的頻道。
  • 航海和航空中使用的話音電台應用VHF調幅技術。這使得飛機和船舶上可以使用輕型天線。
  • 政府、消防、警察和商業使用的電台通常在專用頻段上應用窄帶調頻技術。這些應用通常使用5KHz的頻寬。相對於調頻廣播或電視伴音的16KHz頻寬,保真度上不得不作出犧牲。
  • 民用或軍用高頻話音服務使用短波用於船舶,飛機或孤立地點間的通訊。大多數情況下,都使用單邊帶技術,這樣相對於調幅技術可以節省一半的頻帶,並更有效地利用發射功率。
  • 地面中繼式無線電(Terrestial Trunked Radio, TETRA)是一種為軍隊、警察、急救及交通等特殊部門設計的數字集群電話系統。

電話[編輯]

  • 蜂窩電話行動電話是當前最普遍應用的無線通信方式。蜂窩電話覆蓋區通常分為多個小區。每個小區由一個基站發射機覆蓋。理論上,小區的形狀為蜂窩狀六邊形,這也是蜂窩電話名稱的來源。當前廣泛使用的行動電話系統標準包括:GSMcdmaOneTDMA。運營商已經開始提供下一代的3G移動通信服務,其主導標準為CDMA2000UMTS
  • 衛星電話存在兩種形式:國際海事衛星組織銥星系統。兩種系統都提供全球覆蓋服務。國際海事衛星組織使用地球同步衛星,需要定向的高增益天線。銥星則是低軌道衛星系統,直接使用手機天線。
  • TETRA系統具有無線電話的功能。

電視[編輯]

  • 通常的模擬電視信號採用將圖像調幅,伴音調頻併合成在同一信號中傳播。
  • 數位電視採用H.264圖像壓縮技術,由此大約僅需模擬電視信號1/16的頻寬。

緊急服務[編輯]

警車用無線電

數據傳輸[編輯]

  • 數字微波傳輸設備、衛星等通常採用正交幅度調製。QAM調製方式同時利用信號的幅度和相位載入信息。這樣,可以在同樣的頻寬上傳遞更大的數據量。
  • IEEE 802.11是當前無線區域網的標準,採用2GHz或5GHz頻段,數據傳輸速率為11 Mbps或54 Mbps。
  • 藍芽(Bluetooth)是一種短距離無線通訊的技術。
  • IEEE 802.15.4ZigBee)是低功耗個域網協議。據此協議的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。ZigBee主要適用於自動控制和遠程控制領域,支持地理定位功能,是一種介於無線標記技術和藍芽技術之間的技術提案。Zig-Bee主要特點是工作頻段免執照; 1個節點工作6~24個月;協議簡單且免費,成本低廉

辨識[編輯]

  • 利用主動及被動無線電裝置可以辨識以及表明物體身分。(參見射頻識別

其它[編輯]

  • 業餘無線電是無線電愛好者參與的無線電台通訊。業餘無線電台可以使用整個頻譜上很多開放的頻帶。愛好者使用不同形式的編碼方式和技術。有些後來商用的技術,比如調頻,單邊帶調幅,數字分組無線電和衛星信號轉發器,都是由業餘愛好者首先應用的。

導航[編輯]

  • 所有的衛星導航系統都使用裝備了精確時鐘的衛星。導航衛星播發其位置和定時信息。接收機同時接受多顆導航衛星的信號。接收機通過測量電波的傳播時間得出它到各個衛星的距離,然後計算得出其精確位置。
  • Loran系統也使用無線電波的傳播時間進行定位,不過其發射台都位於陸地上。
  • VOR系統通常用于飛行定位。它使用兩台發射機,一台指向性發射機始終發射並象燈塔的射燈一樣按照固定的速率旋轉。當指向型發射機朝向北方時,另一全向發射機會發射脈衝。飛機可以接收兩個VOR台的信號,從而通過推算兩個波束的交點確定其位置。
  • 無線電定向是無線電導航的最早形式。無線電定向使用可移動的環形天線來尋找電台的方向。

雷達[編輯]

  • 雷達通過測量反射無線電波的延遲來推算目標的距離。並通過反射波的偏振頻率感應目標的表面類型。
  • 導航雷達使用超短波掃描目標區域。一般掃描頻率為每分鐘兩到四次,通過反射波確定地形。這種技術通常應用在商船和長距離商用飛機上。
  • 多用途雷達通常使用導航雷達的頻段。不過,其所發射的脈衝經過調製和偏振化以便確定反射體的表面類型。優良的多用途雷達可以辨別暴雨、陸地、車輛等等。
  • 搜索雷達運用短波脈衝掃描目標區域,通常每分鐘2-4次。有些搜索雷達應用都卜勒效應可以將移動物體同背景中區分開來
  • 尋的雷達採用於搜索雷達類似的原理,不過對較小的區域進行快速反覆掃描,通常可達每秒鐘幾次。
  • 氣象雷達與搜索雷達類似,但使用圓偏振波以及水滴易於反射的波長。風廓線雷達利用都卜勒效應測量風速,都卜勒雷達利用都卜勒效應檢測災害性天氣。

加熱[編輯]

  • 微波爐利用高功率的微波對食物加熱。(註:一種通常的誤解認為微波爐使用的頻率為水分子的共振頻率。而實際上使用的頻率大概是水分子共振頻率的十分之一。)

動力[編輯]

  • 無線電波可以產生微弱的靜電力和磁力。在微重力條件下,這可以被用來固定物體的位置。
  • 宇航動力: 有方案提出可以使用高強度微波輻射產生的壓力作為星際探測器的動力。
無線電天文望遠鏡

遙距操控[編輯]

  • 無線電被應用在各種需要遙距控制的設備上。操控者透過發射器發出指令而設備上的接收器則根據所收到來自發射器的指令對設備上的各部份進行操作。例子有無人架駛偵察機、各種遙控模型、各種機器人等。

天文學[編輯]

相關主題[編輯]

參考[編輯]

  1. ^ Guglielmo Marconi: British patent No. 12,039. [2010-05-30] (英文). 
  2. ^ Radio-Electronics, Radio Receiver Technology
  3. ^ The Electromagnetic Spectrum, University of Tennessee, Dept. of Physics and Astronomy