无线通信基础知识2:电磁波频谱的划分

电磁波频谱的划分:

1、甚低频(VLF)3 kHz~30 kHz,对应电磁波的波长为甚长波100 km~10 km;

2、低频(LF)30 kHz ~300 kHz,对应电磁波的波长为长波10 km~1 km;

3、中频(MF)300 kHz~3000 kHz,对应电磁波的波长为中波1000 m~100 m;

4、高频(HF)3 MHz~30 MHz,对应电磁波的波长为短波100 m~10 m;

5、甚高频(VHF)30 MHz~300 MHz,对应电磁波的波长为米波10 m~1 m;

6、特高频(UHF)300 MHz~3000 MHz,对应电磁波的波长为分米波100cm~10 cm;

7、超高频(SHF)3 GHz~30 GHz,对应电磁波的波长为厘米波10 cm~1 cm;

8、极高频(EHF)30 GHz~300 GHz,对应电磁波的波长为毫米波10 mm~1 mm;

9、至高频(ZHF)300 GHz~3000 GHz,,对应电磁波的波长为丝米波1 mm~0.1 mm。

 

长波通信:

长波通信的历史,可追溯到1901年意大利物理学家G.马可尼进行的跨越大西洋的越洋通信试验。1925年后,由于发现短波能靠电离层反射进行远距离传播,才逐步用短波通信取代一般的长波通信。第二次世界大战中,因对潜艇通信的需要,而又重视发展长波通信。随着导弹、核武器的发展,导致越来越多的军事设施转入地下,长波地下通信将是保障地下指挥所和坑道间应急通信的重要手段。

长波波段通信也称低频(LF)通信。长波指波长范围为10~1km(频率为30~300kHz)的电磁波。长波主要用地波形式传播。天波虽可由电离层反射,传播较远,但电离层吸收强,且低层参数变化大,极不稳定,只会导致干涉和衰落;地波传播主要与大地的导电率有关,传播比较稳定,在陆地一般传播距离为几十到几百公里,当天波、地波同时存在时会产生干涉现象。地波在海面上传播时,海水导电率高,衰减较小,传播距离比陆地要远的多,可达数百到数千公里。在频段高端(150~300kHz),大气噪声较小,天线效率较高,可通电话和电报,被广泛用于海上通信,有的国家也用于广播。长波具有穿透岩石和土壤的能力,也用于地下通信,在频段低端(30~60kHZ),电磁波能穿透一定深度的海水,可以用于对水下舰艇的通信;但因频带窄,只能通电报或低速数据,频率为100kHz的电磁波,被用于传播罗兰C导航信号、标准时间和标准频率的信号。

甚长波通信也称甚低频(VLF)通信。甚长波指波长范围为100km~l0km(频率为3~30kHz)的电磁波。甚长波通信通常使用10~30kHz频段。甚长波的波长比长波更长,传播衰减更小,在远距离通信时主要靠大地与低电离层间形成的波导进行传播,距离可达数千公里乃至覆盖全球。波导传播中也存在多摸干涉现象,虽带来幅度、相位等波动,但这一频段的电磁波传播比较稳定,受电离层骚扰和高空核爆炸的影响较小,通信可靠。甚长波穿透海水能力较强,适用于对水下舰艇的远距离通信、海面舰艇的通信、以及时间和频率标准的广播。10kHz左右的甚长波也被用于传播奥米加无线电导航信号。这一频段大气噪声干扰大、波长长、天线效率较低,发信机功率较大(一般从十几千瓦到数兆瓦),天线尺寸也很大。甚长波通信的特点是系统庞大、占地广、功率大、造价高、天线回路Q值高、天线电压高、通带较窄,只能通电报或低速数据,速率一般为数十波特。

 

中波通信:

中波通信利用波长为1000~100m(频率为300~3 000kHz)的电磁波进行的无线电通信,又称中频通信。在白天电离层D层对中波吸收强烈,难以利用天波传播,只能靠地波传播。夜间D层消失,E层的电子密度下降,高度上升,吸收减小,电磁波可由E层反射,此时中波除靠地波传播外,还靠天波传播。中波靠地面波和天空波两种方式进行传播。在传播过程中,地波和天波同时存在,有时会给接收造成困难,故传输距离不会很远,一般为几百公里。主要用作近距离本地无线电广播、海上通信,无线电导航以及飞机上的通信等。

(1)中波传播的日变化规律是:白天场强完全由地波分量决定,夜间则增加了天波分量。根据天波与地波场强的相对大小,可分为以下三个区域:离发信台较近的场稳定区。此区域接收点的场强取决于地波,基本不受天波影响,广泛用于无线电广播。离发信台较远的衰落区。此地区,白天只有地波到达,夜间则出现天波,且强度可与地波相比,接收点的场强是二者的合成。由于电离层的电子密度与高度随机变化,天波行程与强度也随之改变,从而造成合成场强的随机起伏,起伏间隔在数秒到数十秒范围内,场强变化可达几十倍,这种现象称为衰落。离发信台更远的跨越区。此地区地波已不能到达,白天收不到信号,夜间则可以收到较强的但也存在较小衰落的天波信号。

(2)中波信号场强的年变化很小。地波传播几乎不受季节变化的影响,反射天波的E层夜间年变化也很小。但在夏秋雷雨季节天电噪声电平增高,使得信噪比降低,通信效果变差。

 

短波通信:

短波频率在3~30兆赫之间,所以它主要利用电离层反射传播,传播距离环绕地球。短波通信发射电波要经电离层的反射才能到达接收设备,通信距离较远,是远程通信的主要手段。由于电离层的高度和密度容易受昼夜、季节、气候等因素的影响,所以短波通信的稳定性较差,噪声较大。但是,随着技术进步,特别是自适应技术、猝发传输技术、数字信号处理技术、差错控制技术、扩频技术,超大规模集成电路技术和微处理器的出现和应用,使短波通信进入了一个崭新的发展阶段,在1988年短波通信设备的销售额达到了其历史最高水平。同时短波通信设备使用方便,组网灵活,价格低廉,抗毁性强等固有优点,仍然是支撑短波通信战略地位的重要因素。

尽管新型无线电通信系统不断涌现,短波这一古老和传统的通信方式仍然受到全世界普遍重视,不仅没有淘汰,还在不断快速发展。因为它有着其它通信系统不具备的优点。首先,短波是是唯一不受网络枢钮和有源中继体制约的远程通信手段,如果发生战争或灾害,各种通信网络都会受到破坏,卫星也会受到攻击。无论哪种通信方式,其抗毁能力和自主通信能力与短波无法媲美。其次,在山区、戈壁、海洋等地区,超短波覆盖不到,主要依靠短波。另外,与卫星通信相比,短波通信不用支付话费,运行成本低。

 

微波通信:

VHF和UHF称为微波通信,VHF和UHF多数是用作电台及电视台广播,移动通信,同时又是航空和航海的沟通频道。VHF和UHF主要是作较短途的传送,和高频(HF)不同的是,电离层通常不会反射VHF和UHF的信号,而且甚高频常常会受环境因素(如:地形)影响其信号。

在不同频段内的频率传播特性不同,频率越小,传播损耗越小,覆盖距离越远,绕射能力越强,但低频频段频率资源紧张,系统容量有限,因此主要应用于广播、电视和寻呼等系统。高频段频率资源丰富,系统容量大;但频率越高,传播损耗越大,覆盖距离越小,绕射能力越弱,实现的技术难度越大,系统的成本也相应提高。VHF和UHF与其它频段相比,在覆盖效果和容量之间这种的比较好,被广泛应用于移动通信领域。

 

穿透与贯穿:

波长越长,绕射的能力越强(穿透),例如无限电波可以绕过高楼大厦传播、红灯的灯光比绿光和黄光更能穿透雾霭传播到远处以提醒司机;波长越短,波的能量越大,贯穿能力越强,例如X光可贯穿皮肤、骨骼,紫外线能杀死细菌、强的紫外线能引起皮肤癌、穿越电离层等。

根据:波速=波长*频率(频率和波长成反比例关系),则,

f=230MHz,  波长越长,绕射能力越强,穿透能力越强,信号损失衰减越小,传输距离越远,实现信号广覆盖。

 f=1800MHz,波长越短,直射能力越强,贯穿能力越强,信号损失衰减越大,传输距离越短,杀伤力越强,实现信号局域覆盖。

 

注意事项:

1、波的频率和波长满足关系式:波速=波长×频率,所以频率不同的电磁波在真空中具有不同的波长。

2、电磁波在空间是向各个方向传播的,所有这些电磁波仅在波长(或频率)上有所差别,而在本质上完全相同,且波长不同的电磁波在真空中的传播速度都是电磁波的传播速度,即等于光速,是3x10e8米/秒。在空气中和在真空中近似。

3、不同频率(或不同波长)的电磁波的传播速度都相同,电磁波的频率愈高,相应的波长就越短。所以频率较大的电磁波,波长较短。无线电波的波长最长(频率最低),而射线的波长最短(频率最高)。

4、无线电频谱:通常无线电波所指的是从极低频10KHz到极超高频的顶点30GHz(Giga Hertz),因为超出这个范围以外的无线电频谱,其特性便有很大不同了,例如光线、X射线等。

5、关于穿透性,波长越长,频率越低,穿透性越好(衍射,入和出不是同一个微波粒子)。

6、频率越高,波长越短,能量越大,贯穿能力越强(同物体内部穿过,入和出是同一个微波粒子,如X射线Y射线)。且频率高带宽大,传输速率高,传播距离近(衍射能力弱,能量在贯穿过程中消耗)。

 

 


 

 
 
 
 

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