电磁频谱基础

信息（Information）：信息是要表示和传送的对象（内容）。 消息（Message）：消息是表示信息的媒体，象语言、文字、 图象、符号、声音等。 信号（Signal）：信号是消息的承载者，常常由消息变换而来， 它是与消息对应流）。 3 BY T. LUO
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无线电频谱分类及其名称
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无线电频谱分类及其名称
甚高频 VHF 30-300MHz 米波 10-1米（m）
微
波
特高频 超高频
极高频 至 高频
UHF SHF
EHF
300-3000MHz 3-30GHz
30-300GHz 300-3000 GHz
分米波 厘米波
毫米波 亚毫米波 或丝米波
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电磁频谱基础知识
动 画
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电磁频谱基础知识
平面电磁波向前传播时，电场和磁场 同步变化，电场方向发生改变时，磁 场方向同时发生改变，而波的传播方 向不改变。
某时刻平面电磁波的波形如图 所示。
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电磁波根据频率的不同可以划分为很多形 式， 如无线电波、红外线波、可见光波 、紫外线波、X射线等，这些电磁波分别 使用不同的频率范围。电磁频谱就是这 些不同频率范围的电磁波的总称。表1-1 列举了一些常见的电磁波形式及其对应 的频率范围。
这是二个波动方程
麦克斯韦Maxwell （－1879）
预言电磁波存在
奇妙的电磁波 无线电通信的奠基人
赫兹
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1888年,德国人赫兹用这个火花产生电磁波的装置， 证明了人们怀疑与期待已久的电磁波存在。
电磁波理论

麦克斯韦
1865年，麦克斯韦首次提出了他的关于 电磁场的理论。在1873 年，他发表了划时代的著作——《电磁学研究》。它总结了前人 所发现的的电磁现象，指出彼此之间的联系，创立了完整的电磁 场理论，特别是他用十个数学方程式归纳了所发现的电磁现象。 他从所得的方程式中发现（预见）到有一种特殊的波存在，这种 波是由电场和磁场的振动引起的，麦克斯韦把它称做“电磁波”。
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无线电频谱是一种特殊的自然资源。它的 特性是：


1）三维性 无线电频谱具有空间、时间和频率三维特性， 2）有限性：尽管在不同的空间或时间可以重 复使用同一频率，但就某一频段而言，它在一 定区域、一定时间内可能是非常有限和紧张的 ，必须进行科学的管理。
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300~ 30 kHz
30~ 3 kHz
3000~ 300Hz
300~ 30 Hz
30 Hz 以下
频 段 名
至 高 频
极 高 频
超 高 频
特 高 频
甚 高 频
高 频
中 频
低 频
甚 低 频
特 低 频
超 低 频
极 低 频
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中波和短波用于无线电广播和通信
10-1分米（dm） 10-1厘米（cm）
10-1毫米（mm） 1-0.1毫米（mm） 10-1丝米（dmm）
THF
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无线电频谱基本属性


无线电频谱作为一种自然资源，与土地 、水、矿山、森林等自然资源一样，属 国家所有。《中华人民共和国物权法》 第五章第五十条和《中华人民共和国无 线电管理条例》第四条明确规定：“无 线电频谱资源属于国家所有”。 环境污染：水、气、声、噪、电磁环境 。
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目前我国用频装备的使用频率主要集中 在300GHz以下，亦就是说用频装备主要 集中在无线电频谱内使用，因此在当前 及以后很长时间内，电磁频谱管理的主 体和重点仍然是无线电频谱管理。
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无线电波波长为1m —— 30000m左右，换算 成频率：（10KHz~300000KHz）10000Hz — — 300000000Hz。 公式： c（波速，单位： m/s） =λ（波长，单位：m） 【电磁波谱】在空间传播着的交变电磁场，（ 即电磁波）。它在真空中的传播速度约为每秒 30万公里。无线电波、红外线、可见光、紫外 线、X射线、γ射线都是电磁波，不过它们的产 生方式不尽相同，波长也不 同，把它们按波长 （或频率）顺序排列就构成了电磁波谱。
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几个基本概念1：信息与通信

通信（communication）：按照达成的协议，信息在人、 地点、进程和机器之间进行的传送。 通信（Telecommunication）：通信是以语言、图像、 数据为媒体，通过电(光)信号将信息由一方传输到另一 方，以实现信息的远距离传输与交换。通信技术是一 种产业，它生产的是一种信息在空间转移的效应。
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无线电频谱的特性

3）共享性：
无线电频谱是一种共享性资源，任何国家和单 位都不可能将其拥为己有。由于无线电波的传 播不受行政区域限制等特点，任何一个国家、 地区或部门若随意使用无线电频谱，都可能干 扰其他国家、地区或部门对频率的使用，或者 反过来受到来自其他国家、地区或部门的干扰 ，必须实施有规则管理。



电场（或磁场）的变化快慢直接影响到所产生的磁场（或 电场）的强弱。当电场（或磁场）是均匀变化时由此而产 生的磁场（或电场）的强度也是恒定不变的；当电场（或 磁场）不均匀变化时，由此而产生的磁场（或电场）的强 度也随之发生改变。这样就导致一个现象：电场生磁场， 磁场生电场，所产生的电场又生产出新的磁场 ，新磁场又 生产出新电场• • • • • •所以就有了“电磁场”的出现。
Y 电场强度 电磁波传播方向
电磁波的实质
X 磁场强度
Z
电磁频谱基础知识

电磁场理论告诉我们：交变电流在周围空间
会产生交变磁场，变化的电场和磁场是相互联 系着的；交变的电磁场能够脱离其产生的波源 向远处传播。这种在空间以一定速度传播的交 变电磁场，就称为电磁波。电磁波每秒钟内振 动（变化）的次数称为电磁波的频率，国际单 位制单位为Hz；每个周期内传播的距离，称为 电磁波的波长，国际单位制单位为m；每秒钟 传播的距离称为电磁波的速度，国际单位制单 位为m/s。
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播放电磁频谱歌

无线电波是电磁波的一部分，其频率小 于3000GHz，但目前我国用频装备的使 用频率主要集中在300GHz以下，公众通 信主要在6GHz以下。无线电频谱是全部 无线电波频率的总和，是电磁频谱的一 部分。
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无线电频谱的分类


根据无线电波不同的频率范围和特性， 将无线电频谱进行分类。表1-2给出了无 线电频谱的分类情况。 300~3000GHz频段目前还没有命名。
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各种电磁波的频率范围
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电磁频谱划分
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电磁频谱划分

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电磁波谱划分

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电磁波的整个实验证明，不仅无线电波是电磁 波，光、X射线、γ射线也都是电磁波。它们的 区别仅在于频率或波长有很大差别。光波的频 率比无线电波的频率要高很多，光波的波长比 无线电波的波长短很多；而X射线和γ射线的频 率则更高，波长则更短。为了对各种电磁波有 个全面的了解，人们按照波长或频率的顺序把 这些电磁波排列起来，这就是电磁频谱（波谱 ）。
信宿
广播 电台
信道
信宿
信宿
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多址接入通信系统
终端
终端
信道
基站
终端
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计算机通信系统/网络
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通信发展简史
贝尔 莫尔斯 马可尼 法拉第 麦克斯韦 赫兹 苏联发射第一颗人造卫星
英国首次试行无线电广播
佛莱铭发明真空管 马可尼发明无线电报 赫兹证实电磁波的存在 贝尔发明电话 麦克斯韦提出电磁波的存在 法拉第发现电磁感应现象
人们利用烽火台来传递敌人的信息 2000年前 1831年 1864年 1876年 1888年 1895年 1904年 1919年 1957年

声音通信：群居创造了语言，但传递距离 很有限。 烽火通信：为了使信息传得更远，利用光 和烟等，建造烽火台通报消息。
Hello ！
最古老的通信方式

第1阶段：电磁波的发现 电流 磁场
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无线电波频（波）段的划分
波 段 名 波 长
亚 毫 米 波
毫 米 波
厘 米 波
分 米 波
微波
1~ 10 mm 1~ 10 cm 10 ~ 100 cm
超 短 波 射频波段
短 波
中 波
长 波
基 长 波
特 长 波
超 长 波
极 长 波
0.1~ 1 mm
1~ 10 m
10~ 100 m
/view/15007.htm
无线广播
雷电
电视广播
生活中熟悉的通信系统
卫星广播
雷达辐射
通信系统 ？
微波炉
移动电视
移 动 通 信
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通信系统：邮政通“信”系统
发信人
邮政通“信”系统
收信人
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广播通信系统
电磁环境——电磁频谱
李书芳 Tel. (010)62282138 E-Mail: lisf@
几个基本概念1：物理

物理：事物的内在规律，事物的道理; 物理学（physics）：研究物质结构、物质相互作用和 运动规律的自然科学。是一门以实验为基础的自然科 学，物理学的一个永恒主题是寻找各种序（Orders）、 对称性（Symmetry）和对称破缺（Symmetrybreaking）、守恒律（Conservation laws）或不变性 （Invariance）。 力学：经典力学、理论力学、电动力学光 /view/2505.htm 电学：电磁学及电动力学
麦克斯韦的理论:在某一点上任何电场的变化（即电场强度发生变 化）都要在该点周围空间产生磁场，而且电场变化越快，所产生 的磁场强度也越大；同样，某一点磁场强度的改变也必定在该点 周围空间产生出电场，而且磁场变化越快，产生的电场强度也强。 1873年，德国物理学家赫兹用试验第一次证明了电磁波的存在。 他自制了一个能够产生电磁振荡的仪器，产生出电磁波，在离它 三公尺的地方，赫兹用一个简单的接受器接受到了这台仪器发出 的电磁波。于是全世界都相信电磁波的存在。
1820年 奥斯特 发现电流产生磁场
电场
安培
磁场
楞次
奇妙的电磁波 各自独立
1831年 法拉蒂 发现电磁感应现象
感应电流
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感应电动势
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动磁场
1864年
第2阶段：电磁波理论 涡旋电场、位移电流
电磁场不再独立
2E 2E 2E 2E 2H 2H 2H 2H 2 2 2 2 2 x y z t x2 y 2 z 2 t
微波用于电视和无线电定位技术（雷达）。
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公众无线通信频谱划分


GSM CDMA WCDMA TD-SCDMA TD-LTE 等
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公网频谱情况—移动通信频谱划分 情况
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无线电频谱的特性
4）非耗竭性 无线电频谱不同于土地、水、矿藏等非再 生或一类再生资源，它可以反复利用而 不被消耗。 5）易受污染性 无线电频谱易受到自然界噪声和人为噪声 的干扰，需要实施保护性管理。

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无线电频谱的特性

由于无线电频谱具有上述特性，因此用频单位 和个人必须按照国际电信联盟《无线电规则》 、《中华人民共和国无线电管理条例》及国家 、军队无线电管理的相关规定依法使用无线电 频谱。各种用频装备都有其指定的工作频段和 具体工作频率，如果擅自改变工作频率、工作 参数，不按照规定在非许可工作时间和工作空 域进行发射，就可能会对其他军用或民用设备 造成无线电干扰。
100~ 1000 m
1~ 10 km
10~ 100 km
100~ 1000 km
λ
10^3 ~ 10^4 km
10^4 km 以上
频 率
f
3000 ~ 300 GHz
300 ~ 30 GH z
30 ~ 3 GHz
300 0~ 300 MH z
300~ 30 MHz
30~ 3 MHz
3000~ 300 kHz