电磁波和现代通信

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M （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M（m）。

波速：波的传播速度，用字母v表示，单位是M/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、难点解读：
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M。

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。