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我们经常听到广播里说:FM96.6兆赫,AM927千赫。FM和AM到底是什么意思呢?我们又是如何从发射器发射音乐给收音机的呢?
由于麦克斯韦和赫兹的研究,人们最初发明了无线电报:利用无线电发射装置可以将信号发射出去。但是,无线电报传输的是摩尔斯代码,而广播传输的是声音信号。由于无线电必须频率足够大才能够进行有效传输,比如广播频率多数是几百千赫兹到几百兆赫兹,中央人民广播电台经济之声,就是FM96.6MHz,它表示每秒钟电磁波会有九千六百六十万个周期。但是我们说话的声波频率低的多,只有几百赫兹。我们如何才能把我们说的话变为无线电信号呢?这就涉及到一个概念:调制。
信号调制
就好像寄快递,我们需要用一个盒子把货物装起来。低频信号是我们所需要传输的,就好像货物;我们再产生一个高频信号,他是我们的载体,就像盒子。我们让高频信号随着低频信号变化,就好像把货物装载在马车上一样,这个过程就称为调制。如果我们让高频信号的频率随着低频信号变化,这个过程就称为调频或者FM。
如果让高频信号的振幅随着低频信号变化,这个过程就称为调幅或者AM。
调制好的信号究可以进行发射了。
信号发射
一个电容和一个电感构成的电路称为LC回路,在LC回路中会产生振荡的电磁场,向外发射电磁波。人们研究发现:电路中的电容越小,发射的无线电频率越高,于是为了发射高频信号,我们把电容的两个板子面积减小。同时,为了让电磁波发射的范围足够大,我们可以把电容器的两个极板一个放置在顶端,一个放置在底端,这就构成了天线。
我们把调制好的电流信号通过电磁感应加载到天线上,天线就可以帮我们把无线电发射出去了。
信号传输
无线电在空中是如何传播的呢?大家注意,由于地球是圆的,如果无线电是沿着直线传播,就很难扩展到很大的范围。人们如何让无线电传输的更远呢?一共有三种方式。
波长比较长的无线电称为长波,长波容易绕过障碍物,这种现象称为衍射,所以长波主要靠地波传播。所谓地波,就是让无线电沿着地面运动,它会自己发生衍射而弯曲,到达接收装置。这种无线电一般用于远程无线通信。
波长短一些的无线电称为中波,中波衍射能力差,不能靠地波传播。但是,在大气中存在着一层特殊的部位,称为电离层,电离层可以反射中波,于是可以利用无线电在地面和电离层之间的反复反射传输无线电,这种方式称为天波。而电离层与天波传输的设想,最早也是特斯拉提出的。电报和广播一般都使用天波传输。
波长比中波短的无线电称为短波和微波。这种波波长很短,难以衍射,所以不能使用地波传输。 同时这种波容易穿透电离层,也不能靠天波传输。短波和微波的传输方式一般是直线传播,就是通过高架的铁塔上的中继器将信号一段段接收放大然后继续传输。
手机无线电信号传播的原理就是直线传播,最开始移动、联通、网通、电信等几大移动运营商每个人都要建设铁塔和基站,十分浪费。最后国家出面协调,由几大运营商共同出资组建了中国铁塔公司,专门用来建设基站塔,实现了资源共享。
由于人造地球卫星的出现,人们更多的把这种信号直接发射到卫星上,然后再通过卫星传输到地面上的另一个地点,这样就节约了基站。
信号接收
收音机上也有天线,天线是导体,无线电信号遇到导体就会在导体上激发起同样规律的感应电流,只是这个电流比较微弱。不过,接收天线也是LC回路,它也存在固有频率,如果接收天线的频率与空间中的无线电频率相同,就会产生电磁共振,此时天线上的感应电流最大。
比如,我们想收听FM96.6,就把接受装置的固有频率调整到96.6MHz,此时电路中受到经济之声引起的感应电流最大,而其他电台信号虽然也在电路中有感应电流,但是由于没有共振,所以电流很小。
调整接收装置固有频率的过程其实是调整收音机中的电容大小,这个过程称为调谐,也就是我们生活中所说的搜台或者换台。
信号解调
当我们接收到FM96.6MHz的经济之声频道之后,是不是就可以直接把电流通向喇叭了呢?答案是不可以。因为我们接收的信号是经过调制的高频信号,就好像接收了一个快递,首先要把快递拆开一样。我们需要把低频信号从高频信号中检出来,这个过程称为解调。
我们按照与调制相反的方法,把高频信号过滤掉,余下低频信号。再把这个信号经过放大,通入喇叭。喇叭中的线圈在磁铁对电流作用力下前后振动,带动发声的膜片,我们就可以接收到广播的声音了。
总结起来说,广播的过程就是:信号经过调制变为高频信号,通过天线发射出去,经过 各种方式到达接收端,经过调谐被接收装置接收,再经过解调就变为了原来的信号,我们就能听到优美的音乐啦。

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李永乐
李永乐老师:北京大学物理与经济双学士,清华大学电子工程硕士;北京市中学物理教师/物理竞赛教练。从教十年,培养清华北大学生200余人,国际奥赛、亚洲奥赛、国家奥赛金牌十余名。
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