半导体器件外传之无线电通信

2019年8月4日 FireSu 1867  0  0
摘自《电子发烧友》。深入浅出的无线电通信的原理,检波器电路小实验!

早期无线电通信中,对检波电路的不断优化,催生了电子管、晶体管。所以讨论晶体管之前,我们有必要看看无线通信核心原理。本文摘自《电子发烧友》,内容深入浅出,通俗易懂,欢迎品鉴!

看不见的无线电波通常跨越数百万公里的距离在空中传送音乐、谈话、图片和数据,虽然无线电波对人而言是看不见且完全不被察觉的,但它们却完全改变了整个社会。无论是我们谈论的手机、婴儿监护器、无绳电话,还是成千上万种其他无线技术中的任何一种,它们都是通过无线电波进行通信的。

有趣的是作为核心技术的无线电却是一项简单得令人难以置信的技术。 使用几个最多价值一到两美元的电子元件,就可以制造出简单的无线电发射器和接收器。为什么如此简单的东西却能够成为当今世界的技术基石,探索这一过程是非常有趣的。

在本文中,我们将探索无线电技术,以便使你完全能够理解看不见的无线电波是如何使如此多的事情成为可能的。

无线电通信简易实验与核心原理

无线电简单得令人难以置信,大约在19世纪末20世纪初,正是因为这种简单使得几乎所有人都可以进行早期的实验。那么它到底有多简单呢?请看下面的示例:

 

拿一个新的9伏电池和一个硬币。 找出一台AM收音机,调到只能听到静音的刻度位置。然后拿着电池靠近天线,并用硬币迅速敲打电池两端(这样可在一瞬间将它们连接起来)。您会从收音机中听到噼啪声,这是由硬币的接通和断开而产生的。通过用硬币轻敲9伏电池的两端,就可以产生AM收音机可以接收的无线电波了。                           

电池与硬币的组合就构成了一个无线电发射器! 它不能传输很远的距离(仅仅是几厘米,因为没有针对距离作出优化)。但是如果使用这种方式敲出摩尔斯电码,事实上您就可以利用这种原始的装置和几厘米之外的人进行无线电通信!

如果想做得稍微精巧一些,可以使用一个金属锉刀和两段导线。将锉刀的柄和9伏电池的一端连接起来。将另外一根导线和电池的另一端相连,然后将导线的自由端在锉刀上来回刷动。如果是在黑暗中做这个实验,当导线的一端与锉刀连接和断开的时候就能够看到微弱的9伏电火花沿着锉刀延伸。拿着锉刀靠近AM收音机,还会听到大量的噪声。

早期的无线电学中,发射器称为火花线圈,在高压下(例如2万伏电压)可产生连续的电火花流。高压下产生大量的火花就像在火花塞中看到的一样,而它们能够传播更远的距离现在,像那样的发射器是非法的,因为它占用了整个无线电频谱,但是在早期,由于使用无线电波的人不多,这使得它得到普遍应用并工作得很好。

在前面我们看到,无线电波传输非常简单。然而,现代的所有无线电都使用连续正弦波来传输信息(音频、视频、数据)。 无线电装置都由两部分组成:发射器 、接收器。

发射器携带某种信息(可能是某人说话的声音、电视机图像、无线调制解调器的数据或其他内容),将其编码到正弦波上,通过无线电波传输

接收器接收无线电波,从接收到的正弦波上对信息进行解码。发射器和接收器都使用天线来发射和捕获无线电信号

用一个电池和一段导线,您就可以初步了解无线电发射器的工作原理。电流的变化产生电磁波,你会发现如果将电池的两极用导线连接起来,电池就通过导线传送突然增加的电流。会在导线周围产生磁场(电生磁效应),而且这个磁场强到能够影响罗盘。

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我们假设拿着另外一根导线并平行地放置在距离电池上那根导线5厘米的地方。 如果在这根导线上连接了一个非常敏感的电压计,那么会发生下面的情况:每次将第一根导线从电池上连接和断开的时候,可以发现第二根导线上电压和电流有微小的变化任何变化的磁场都能够在导体内产生电场(磁生电效应)。 

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因此:电池在第一根导线内产生电流,在导线的周围产生磁场,辐射出电磁波,是发射机磁场延伸出来到达第二根导线,磁场被第二根导线接受,感应出电流,是接收机

值得注意的是,仅仅在连接和断开电池的时候第二根导线中才有电流。因为只有变化的电流才能产生磁场

无线电发射机原理

要制作一个简单的无线电发射器,您需要做到的就是在导线中制造出快速变化的电流您可以通过迅速接通和断开电池而做到这一点,如下:

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 连接电池时,导线中的电压是1.5伏,断开时,电压是0伏。 通过迅速接通和断开电池,形成一个在0-1.5伏之间变化的方波。

更好的方法是在导线中形成连续平滑变化的电流。 也就是是正弦波,如下图所示:

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 正弦波在两个电压之间平滑振荡,例如,在10伏和-10伏之间。 

形成正弦波并使其在导线中流动,这就制造出了简单的无线电发射器。形成正弦波非常简单,只需要使用几个电子元件,1个电容和1个电感就能够制造出正弦波,通过几个晶体管将电波放大成强大的信号(有关详细信息,请参见LC振荡器工作原理)。通过把信号传送到天线上,就可以向空中发射正弦波。

如果有正弦波信号和通过天线向空间发射正弦波的发射器,那么就有了一个无线电台。 唯一的问题是此正弦波不包含任何信息。我们需要通过某种方法调制此电波,将信息编码到电波中。正弦波的调制有三种常用方法:

脉冲调制 (PM)——PM方式下,只需简单地开关正弦波。这是一种发送摩尔斯式电码的简易方式PM调制不太常见,但是有一个很好的实例就是美国的一种向无线电控制时钟发射信号的无线电系统。一台PM发射器就能够覆盖整个美国。

 

调幅 (AM)——AM无线电台和电视信号中的图像部分都是使用调幅来编码信息的。在调幅中,正弦波的幅度(峰谷到峰顶之间的电压)是变化的。例如,一个人的说话声音产生的正弦波叠加到发射器的正弦波上就使其幅度发生了变化。

 

 调频 (FM)——FM无线电台和数以百计的无线电技术(包括电视信号、无绳电话、手机等)都是使用调频的。调频的优点是很大程度上不受传输功率损耗的影响,因为调频无线电波的幅值总是一致的。在调频中,发射器正弦波的频率根据信息信号产生微小变化

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如果您能设计出LC正弦波震荡电路并能将声音信号调制正弦波上,说明您已经会设计无线电发射机了,可以发射无线电了。

如果使用连续的幅值变化进行AM调制,称为AM模拟调制。如果使用2种幅值变化进行AM调制,称为AM数字调制。同样地,如果使用连续的频率变化进行FM调制,称为FM模拟调制。如果使用2种频率变化进行FM调制,称为FM数字调制。

无线电接受机原理

您可以发射无线电后,我们聊聊接收机。以收音机为例,接收机的简易电路拓扑如下:

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除非你正好坐在发射器的旁边,否则收音机接收器都需要天线来接收发射器发射到空中的无线电波。AM天线只是简单的一根导线或金属棍,用于增加发射器的电波可以接触到的金属的面积

收音机接收器需要调谐器。天线可以收到很多种频率的正弦波。调谐器的任务就是从天线接收到的很多种无线电信号中分离出我们指定频率的正弦波。调谐器是利用电路谐振原理工作的。也就是说,调谐器只能允许通过固定频率的电信号。 

经过调谐器后,现在收音机需要从正弦波中提取声音。这通过收音机中称为检波器或解调器的部件来实现。检波器是由称为二极管的电子元件构成。二级管只允许一个方向的电流流过,而阻止另一个方向的电流,把方向变化的交流信号转化为大小变化的直流信号。因此截掉了电波的一半,如下所示:

 

然后放大器放大经过检波之后的信号,并发送到扬声器(或者是耳机)声音就可以放出来来了

FM收音机中,只有检波器是不同的,其他都是相同的FM收音机中,检波器将频率变化转变为声音,但天线、调谐器和放大器基本是相同的。

无线通信小实验

AM信号的情况下,只需要用两个部件和一些导线就能够制作一个无线电接收器。步骤非常简单——以下就是需要的元件:二极管x1,只需花几毛钱,就可以买一个二极管,或者在废旧电路板上拆一颗。导线x2,需要大约15-20米长的导线。小金属桩x1,用于接地(或者发射器附近有防护轨或金属栅栏也可以利用)。耳塞式小功率耳机x1

然后需要找到AM无线电发射塔并还要在其附近(即1.6公里范围内),这样才能使设备正常工作。您可按以下步骤去做:

金属桩接地或者找到金属栅栏。剥掉3米长导线末端的绝缘层,并将其缠绕10圈绑在桩/栏杆上以确保牢固连接。这是地线。将二极管连接在地线的另一端。再取另一根导线,3-6米长,将其一端接到二极管的另外一端上。这根导线是作为天线的要将其放在地上或挂在树上,但必须保证裸露的一端不能接触到地面。将耳塞的引线连接到二极管的任一端如上图所示。

此时,如果将耳塞放到耳朵里,就可以听到无线电台了——这可能就是最简单的无线电接收器了!如果距离电台很远,则这一超级简单的项目将无法工作,但是它至少说明了无线电接收器可以做到如此简单

用天线接收所有的无线电信号,但是由于距离某个发射器非常近,附近的信号以数百万倍的强度压制了任何其他信号。因为距离发射器足够近,天线同样也接收到大量的能量,这些能量足够驱动耳机 因此,不需要调谐器和放大器,您还是能够听到电台发射的声音!

您可能注意到几乎所有您知道的无线电设备(例如手机、汽车收音机等)都有一根天线。天线有不同的形状和尺寸,这取决于天线要接收到的频率。天线各式各样,从一根长、硬的导线(如大多数汽车上的AM/FM收音机的天线),到一些奇形怪状的东西如卫星圆盘天线。 无线电发射器也可使用极高的天线塔来发送信号。

无线电发射器中天线的作用就是将无线电波发射到空中去。在接收器中,天线的含义是尽可能地捕捉发射器的能量并提供给调谐器。 对于那些远在百万公里之外的卫星,美国航空航天局(NASA)就使用巨大的碟形天线,其直径达60米。

最合适的天线尺寸与天线要发送或接收的信号频率有关。这种关系又与光速以及电子由此可以移动的距离有关。光速是每秒30万公里。假设要为680AM的无线电台架设无线电塔。并且发送正弦波的频率是68万赫兹。在正弦波的一个周期中,发射器使天线中的电子沿一个方向运动,然后再将其拉回;再移出去,再移回来。换句话说,正弦波在一个周期中,电子运动的方向会改变四次。如果发射器工作在68万赫兹下,那就意味着要在 (1/680,000) 0.00000147秒钟内完成一个周期。 四分之一周期的时间就是0.0000003675 秒。电子是以光速传播的,在 0.0000003675秒内可以传播 0.11千米。 这就意味着工作在68万赫兹频率下的发射器,其最合适的天线长度大约是110 因此AM无线电台需要很高的塔对于工作在9亿 (900MHz) 频率下的手机,最合适的天线长度大约只是8.3厘米

这就是为什么从1G手机到5G手机,手机天线越来越短的原因。 

您也许注意到汽车内的AM收音机天线并没有90米那么长——仅仅只有几米长。如果加长,天线的接收性能将更好,但是在城市里AM电台足够强大,因此完全可以忽略天线长度是否最合适。

 

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