無線電廣播和收音機基本原理-hhj

1、無線電廣播和收音機原理簡介青島大學師范學院物理系韓會景2012.10.26初中物理教師培訓一、無線電和收音機簡史一、無線電和收音機簡史 無線電是誰發(fā)明的? 西方公認是馬可尼, 俄羅斯只 承認波波夫。這個問題爭論了一個多世紀, 至今還沒有完全統(tǒng)一。 西方國家認為發(fā)明把信號載在電波上進行電信傳輸?shù)娜耸且獯罄姎饧紟燅R可尼。第一次試驗是在1894年，這成為無線電技術(shù)的開端。 俄國人認為1894年，波波夫制成了一臺無線電接收機，他第一次在接收機上使用了天線。這也是世界上的第一根天線。 1902年，美國人史特波斐德使用自制的礦石收音機完成無線電廣播實驗；1904年英國物理學家發(fā)明了世界上第一只電子二極;

2、 1906年，美國發(fā)明家德福斯特組裝了第一個真空管放大器，這種放大器立即就被用來與馬可尼的無線電發(fā)明相結(jié)合，利用無線電傳送人的聲音，于是產(chǎn)生了收音機。加拿大人雷金納德奧布里費森登在馬薩諸塞州的布蘭特羅克建立試驗廣播臺，該臺在1906年圣誕節(jié)前夕播送了第一個廣播節(jié)目。 1910年，第一家每日無線電廣播臺創(chuàng)始于加利福尼亞州圣約瑟查爾斯赫羅爾德廣播學校。它是世界上最久的一直沒有中斷的廣播電臺。1920年，第一個現(xiàn)代商業(yè)無線電廣播臺在匹茲堡成立，它于1920年11月2日正式開播。 二十多年后，調(diào)頻廣播誕生，直到1962年才出現(xiàn)調(diào)頻立體聲廣播。二、無線電廣播和接收原理1.無線電波概述無線電波概述速度頻率

3、波長電磁波電磁波中波：中國10 kHz 美國 9 kHz 短波：10 kHz （數(shù)字式收音機按5 kHz調(diào)諧）調(diào)頻：200 kHz （數(shù)字式收音機按100 kHz調(diào)諧）波段名稱 波長范圍 頻率范圍 頻段名稱 主要用途超長波 108104 m 3Hz30kHz VLF(甚低頻) 音頻、電話、數(shù)據(jù)終端 長波 104103 m 30300kHz LF(低頻) 導航、信標、電力線通信 中波 103102m 300kHz3MHz MF(中頻) AM廣播、業(yè)余無線電 短波 10210 m 330MHz HF(高頻) 移動電話、短波廣播、業(yè)余無線電 米波(超短波) 101m 30300MHz VHF(甚高頻

4、) FM廣播、TV、導航移動通信 分米波 10010cm 300M3GHz UHF(超高頻) TV、遙控遙測、雷達、移動通信 厘米波 101cm 330GHz SHF(特高頻) 微波通信、衛(wèi)星通信、雷達 毫米波 101mm 30300GHz EHF(極高頻) 微波通信、雷達、射電天文學無線電波無線電波(頻頻)段的劃分及其用途段的劃分及其用途 名稱簡稱頻率長波SW150200 KHz中波中波MW5351605 KHZ短波 120 mSW 120 m23002490 KHz短波 90 mSW 90 m32003400 KHz短波 75 mSW 75 m39004000 KHz短波 60 mSW 6

5、0 m47505060 KHz短波 49 mSW 49 m59506200 KHz短波 41 mSW 41 m71007300 KHz短波 31 mSW 31 m95009775 KHz短波 25 mSW 25 m1170011975 KHz短波 19 mSW 19 m1510015450 KHz短波 16 mSW 16 m1770017900 KHz短波 13 mSW 13 m2145021750 KHz短波 11 mSW 11 m2560026100 KHz調(diào)頻廣播調(diào)頻廣播FM88108 MHz無無線線電電廣廣播播的的波波段段劃劃分分無線電波的傳播無線電波的傳播1 地面?zhèn)鞑?地波)2 電離

6、層反射(天波)3 直射傳播(直射波)4 散射傳播(散射波)5 衛(wèi)星轉(zhuǎn)播 長波長波傳播特點是：長波以天波或地波的形式傳播。地面對它吸收弱，白天和晚上傳播，變化較小，比鉸穩(wěn)定。但地波傳播的最大距離不超過三至四千公里，所以一般長波傳播方式仍以天波為主。 短波短波傳播特點是：地面對短波吸收極強，沿地球表面只能傳播幾十公里。它的傳播主要是依靠地球外的電離層與地面間的來回反射，因此可以傳得很遠。由于短波依靠電離層反射，所以受季節(jié)、日夜、氣候變化影響比較大，信號強弱變化顯著，聲音常常一會兒大，一會兒小。短波多用于遠距離廣播。 中波中波傳播特點和長波大體相似，但地面對中波吸收較強，所以沿地球表面?zhèn)鞑ヂ烦滩贿h。

7、一般夜里收聽效果比白天好，白天收聽不到的電臺，夜間可能聽到。中波適用于傳播距離不太遠的電臺，我國國內(nèi)廣播一般用中波。 超短波超短波一般只能在空間直線傳播，因此它的傳播距離較近，電視和調(diào)頻廣播都用超短波。調(diào)幅無線電廣播調(diào)幅無線電廣播調(diào)頻無線電廣播調(diào)頻無線電廣播三、三、收音機發(fā)展簡介收音機發(fā)展簡介 從器件上從器件上：電子管晶體管集成電路 從廣播制式上從廣播制式上： 直接放大式超外差式（AM/FM）調(diào)頻立體聲 從技術(shù)上：從技術(shù)上： 模擬式數(shù)字式（數(shù)字調(diào)頻收音機）礦石收音機電子管收音機晶體管收音機集成電路收音機DPS收音機未來收音機發(fā)展歷程發(fā)展歷程礦石收音機電子管收音機1904年，世界上第一只電子管在

8、英國物理學家弗萊明的手下誕生。人類第一只電子管的誕生，標志著世界從此進入了電子時代。電子管是一種在氣密性封閉容器（一般為玻璃管）中產(chǎn)生電流傳導，利用電場對真空中的電子流的作用以獲得信號放大或振蕩的電子器件。電子管是電子時代的鼻祖，電子管發(fā)明以后，使收音機的電路和接收性能發(fā)生了革命性的進步和完善。1930年以前，幾乎所有的電子管收音機都是采用兩組直流電源供電，一組作燈絲電源，一組作陽極電源，而且耗電較大，用不了多長時間就需要更換電池，因此收音機的使用成本較高。1930年前后，使用交流電源的收音機研制成功，電子管收音機才較大范圍地走進人們的家庭。但是由于電子管體積大、功耗大、發(fā)熱厲害、壽命短、電源

9、利用效率低、結(jié)構(gòu)脆弱而且需要高壓電源的缺點，現(xiàn)在它的絕大部分用途已經(jīng)基本被固體器件晶體管所取代。電子管收音機國貨！國貨！晶體管收音機晶體管是一種固體半導體器件，可以用于檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制和許多其它功能（金銀銅鐵等金屬，它們導電性能好，叫做導體。木材、玻璃、陶瓷、云母等不易導電，叫做絕緣體。導電性能介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)，就叫半導體。晶體管就是用半導體材料制成的，這類材料最常見的便是鍺和硅兩種）。1947年12月23日，第一塊晶體管在美國貝爾實驗室誕生，這是20世紀的一項重大發(fā)明，是微電子革命的先聲,從此人類步入了飛速發(fā)展的電子時代。晶體管收音是一種小型的基于晶體管的無線

10、電接收機。1954年10月18日，世界上第一臺晶體管收音機投入市場，僅包含4只鍺晶體管。在晶體管出現(xiàn)以后，收音機才開始真正普及。1958年，我國第一部國產(chǎn)半導體收音機研制成功。晶體管收音機以其耗電少，不需交流電源，小巧玲瓏，使用方便而贏得人民的喜愛，并逐漸在市場上占據(jù)了主導地位，并成為最普及和廉價的電子產(chǎn)品。晶體管是現(xiàn)代歷史中最偉大的發(fā)明之一，晶體管發(fā)明以后,電子學取得了突飛猛進的進步。尤其是PN結(jié)型晶體管的出現(xiàn)，開辟了電子器件的新紀元，引起了一場電子技術(shù)的革命。晶體管收音機集成電路收音機1958年9月12日，基爾比研制出世界上第一塊集成電路。從此，集成電路逐漸取代了晶體管，使微處理器的出現(xiàn)成

11、為了可能，奠定了現(xiàn)代微電子技術(shù)的基礎(chǔ)，也為現(xiàn)代信息技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，開創(chuàng)了電子技術(shù)歷史的新紀元，讓我們現(xiàn)在習以為常一切電子產(chǎn)品的出現(xiàn)成為可能。在一塊幾平方毫米的極其微小的半導體晶片上，將成千上萬的晶體管、電阻、電容、包括連接線做在一起，作為一個具有一定電路功能的器件來使用的電子元件，叫做集成電路。集成電路具有體積小，重量輕，引出線和焊接點少，壽命長，可靠性高，性能好等優(yōu)點，同時成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)。本質(zhì)上，集成電路是最先進的晶體管，集成電路使電子元件向著微小型化、低功耗和高可靠性方面邁進了一大步。用集成電路來裝配電子設(shè)備，其裝配密度比晶體管可提高幾十倍至幾千倍，設(shè)備的穩(wěn)定工作時間也可大大提高。

12、集成電路收音機DSP收音機DSP技術(shù)收音機就是無線電模擬信號由天線感應(yīng)接收后，在同一塊芯片里放大，然后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進行處理，然后還原成模擬音頻信號輸出的新型收音機。DSP技術(shù)的本質(zhì)是用軟件無線電代替硬件無線電，它大大降低了收音機制造業(yè)的門檻。2006年美國芯科實驗室首次研發(fā)出DSP技術(shù)收音機芯片，同年，全球規(guī)模最大的收音機制造商：深圳凱隆電子有限公司與美國芯科實驗室合作，開發(fā)出世界上第一臺DSP收音機：KK-D48L。2007年，深圳凱隆電子有限公司在深圳與上海組建DSP技術(shù)研發(fā)實驗室。2009年，完全具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中、低端性能國產(chǎn)DSP收音機芯片誕生，從此，DSP技術(shù)收音

13、機進入普及時代。深圳凱隆電子有限公司也因此顛覆性創(chuàng)新成果獲得了國家級高新技術(shù)企業(yè)殊榮。DSP技術(shù)收音機的問世，標志著傳統(tǒng)模擬收音機將逐漸退出歷史舞臺。收音機的數(shù)字時代已經(jīng)到來。DSP收音機最簡單最簡單DSP收音機收音機Designed byZHANGLEI收音機的主要質(zhì)量指標收音機的主要質(zhì)量指標1. 靈敏度靈敏度 靈敏度說明收音機接收微弱信號的能力靈敏度說明收音機接收微弱信號的能力。通常用毫伏/米( mV/ m)表示用磁性天線的收音機的靈敏度，用微伏(V)表示裝外接天線或拉桿天線的收音機的靈敏度。它們的數(shù)值越小，靈敏度越高。2. 選擇性選擇性 選擇性是表示收音機挑選電臺的能力。選擇性是表示收音

14、機挑選電臺的能力。選擇性用分貝(db)表示，在滿足頻帶寬度的前提下，分貝值越大，選擇性越好。 3. 保真度保真度(失真度失真度) 收音機輸出的信號波形，應(yīng)與原來傳送的信號一致，保真度表示了收音機保持原來信號波形的能力。保真度表示了收音機保持原來信號波形的能力。它主要用頻率失真和非線性失真的大小來表示。4. 頻率范圍頻率范圍(波段覆蓋波段覆蓋) 說明收音機能夠收聽波段的頻率范圍說明收音機能夠收聽波段的頻率范圍，而且在整個波段范圍內(nèi)應(yīng)能滿足主要指標。5. 額定輸出功率額定輸出功率(不失真輸出功率不失真輸出功率) 表示在一定非線性失真條件下，收音機輸出功率的大表示在一定非線性失真條件下，收音機輸出功

15、率的大小小，通常用毫瓦( mW)或瓦(W)表示，輸山功率越大，聲音越響。四、收音機工作原理四、收音機工作原理 從工作原理上講，收音機經(jīng)過了礦石檢波式礦石檢波式、直接直接放大式放大式和超外差式超外差式的轉(zhuǎn)變。 礦石式收音機是最簡單的收音機，它是由美國科學家鄧伍迪和皮卡爾德發(fā)明的。1910年，鄧伍迪和皮卡爾德發(fā)現(xiàn)方鉛礦石具有檢波作用，如果將其與幾種簡單的元件相連接，就可以接收到無線電臺放送的廣播節(jié)目。 1.礦石收音機礦石收音機 靠天線接收電波，機內(nèi)裝有簡單的調(diào)諧電路，可將接收到的電波按所需的波長選擇出來輸送給礦石檢波器，從電波中分檢出記載音頻信號的電流，然后通過耳機將電流轉(zhuǎn)換成聲音。礦石收音機無需

16、電池，結(jié)構(gòu)簡單，幾乎所有的無線電愛好者可自己裝配制做。但它需要良好的天線和地線，而且音量很小，只能供一人收聽，選擇性也很差。 檢波調(diào)諧回路礦礦石石收收音音機機2.直接放大式收音機直接放大式收音機 直接放大式直接放大式收音機收音機在礦石收音機的基礎(chǔ)上增加了高頻放大和低頻放大部分，性能較礦石式收音機有所改進。最簡單的有放大能力的收音機最簡單的有放大能力的收音機 直接放大式收音機通常在高頻放大器中加入正反饋正反饋，在電路不產(chǎn)生自激振蕩的前提下，使放大后的信號部分地返回到諧振回路進行再生放大再生放大。再生放大可以大幅度地提高諧振回路輸出信號的強度，提高靈敏度和選擇性，直接放大式收音機又常稱為再生式收音

17、機再生式收音機。 為節(jié)約成本，直接放大式收音機中也常將檢波后的低頻信號重新送到檢波前的高頻放大晶體管中再進行一次低頻放大(來復放大來復放大)，故直接放大式收音機又常稱為來復式收音機復式收音機 。 最簡單的再生來復式收音機是晶體管單管再生來復收音機，簡單廉價體積小，不需天線和地線，用耳機接收本地強臺的廣播。再生來復式單管收音機再生來復式單管收音機 比較成熟的晶體管再生來復式收音機采用4只晶體管，分別用作再生來復式高放、低放和推挽功放。四管再生來復式收音機四管再生來復式收音機 再生來復式收音機電路簡單，但高頻放大容易產(chǎn)生振蕩，放大倍數(shù)不能很大，使靈敏度受到限制靈敏度受到限制，且頻率低端與高端增益相

18、差較大，整個頻段內(nèi)靈敏度不靈敏度不均勻均勻；另一方面，由于諧振回路少，選擇性也普遍較選擇性也普遍較差差。但在中等房間里接收本地強臺仍可以獲得比較滿意的效果。 再生來復式收音機一般只能在城市中用于接收本地強臺。3. 超外差式收音機超外差式收音機 超外差式收音機最大的特點是通過變頻器把接收到超外差式收音機最大的特點是通過變頻器把接收到的高頻載波轉(zhuǎn)化為固定的較低頻率的中頻載波，再對中的高頻載波轉(zhuǎn)化為固定的較低頻率的中頻載波，再對中頻信號進行放大。頻信號進行放大。由于中頻信號的頻率較低且保持固定(我國為調(diào)幅收音機465 kHz，調(diào)頻收音機中頻為10.7 MHz)，可以采用多級中頻放大，提高收音機的靈敏

19、度提高收音機的靈敏度；在中頻放大器中采用諧振回路作為負載，可以大大提高提高收音機的選擇性。收音機的選擇性。 現(xiàn)在世界上99以上的收音機、電視機、無線電話機、衛(wèi)星地面站等都是超外差式的。 中頻 f1 f0 = 465 kHz變頻(混頻)檢波低頻放大功率放大中頻放大輸入調(diào)諧回路f0本機振蕩回路f1（1）輸入回路。）輸入回路。從天線接收進來的高頻信號首先進入輸入調(diào)諧回路。輸入回路的任務(wù)是： 1.） 通過天線收集電磁波，使之變?yōu)楦哳l電流；2）.選擇信號。在眾多的信號中，只有載波頻率與輸入調(diào)諧回路相同的信號才能進入收音機。（2）變頻和本機振蕩級。）變頻和本機振蕩級。從輸入回路送來的調(diào)幅信號和本機振蕩器產(chǎn)

20、生的等幅信號一起送到變頻級，經(jīng)過變頻級產(chǎn)生一個新的頻率，這一新的頻率恰好是輸入信號頻率和本振信號頻率的差值，稱為差頻。本機振蕩頻率輸入信號頻率中頻例如，輸入信號的頻率是535kHz，本振頻率是1000kHz ，那么它們的差頻就是1000 kHz 535 kHz 465kHz；當輸入信號是1605kHz時，本機振蕩頻率也跟著升高，變成2070kHz。也就是說，在超外差式收音機中，本機振蕩的頻率始終要比輸入信號的頻率高一個465kHz。這個在變頻過程中新產(chǎn)生的差頻比原來輸入信號的頻率要低，比音頻卻要高得多，因此我們把它叫做中頻。不論原來輸入信號的頻率是多少，經(jīng)過變頻以后都變成一個固定的中頻，然后再

21、送到中頻放大器繼續(xù)放大，這是超外差式收音機的一個重要特點。以上三種頻率之間的關(guān)系可以用下式表達： 本機振蕩頻率-輸入信號頻率=中頻“超外差式超外差式”名稱的由來：名稱的由來： 1. 本機振蕩頻率超超過外外來信號頻率，兩者之差差即為中頻。 2. 根據(jù)電路設(shè)計不同，在變頻器中，本機振蕩和混頻各用一只電子管或晶體管的稱為“外差外差”；共用一只電子管或晶體管的稱為“自差自差”。 在此基礎(chǔ)上，增加了中頻放大器（中頻放大器不是必須的）的則稱為“超超”。收音機的發(fā)展變化收音機的發(fā)展變化礦石收音機礦石收音機收音機的發(fā)展過程是新新科技取代收音機的發(fā)展過程是新新科技取代舊的技術(shù)的過程，也是一個舊的技術(shù)的過程，也是一個不斷創(chuàng)新的過程。不斷創(chuàng)新的過程。1910年由美國科學家鄧伍迪和皮卡爾德發(fā)明，主要利用礦石的檢波作用真空管收音