．無線電應用的相關基本知識

Stone Age to Modern Age - Evolution Of Communication

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無線電，又稱無線電波、射頻電波、電波，或射頻，是指在自由空間（包括空氣和真空）傳播的電磁波，在電磁波譜上，其波長長於紅外線光（IR）。頻率範圍為300 GHz以下，其對應的波長範圍為1公釐以上。就像其他電磁波一樣，無線電波以光速前進。

AM訊號在頻譜儀（瀑布圖）

經由閃電或天文物體，可以產生自然的無線電波。由人工產生的無線電波，被應用在無線通訊、廣播、雷達、通訊衛星、導航系統、電腦網路等應用上。

無線電發射機，藉由交流電，經過振盪器，變成高頻率交流電，產生電磁場，而經由電磁場可產生無線電波。無線電波像磁鐵，有同性相斥、異性相吸的現象。同類電子會互相排斥，因此當無線電波射出時，會將前方電波往前推，當連續電波一直射出來時，電波就會在空氣中傳播。

一台水晶石收音機，其中包括天線、可變電阻、線圈、貓鬚整流器、電容器、耳機及接地

無線電技術是透過無線電波傳播信號的技術，其原理在於，導體中電流強弱的改變，會產生無線電波。利用這一現象，透過調製可將資訊加載於無線電波之上。

當電波透過空間傳播到達收信端，電波引起的電磁場變化，又會在導體中產生電流。透過解調將訊息從電流變化中提取出來，就達到了資訊傳遞的目的。

麥克斯韋最早在他遞交給英國皇家學會的論文《電磁場的動力理論》中，闡明了電磁波傳播的理論基礎。他的這些工作完成於1861年至1865年之間。

海因里希·魯道夫·赫茲在1886年至1888年間，首先透過試驗驗證了麥克斯韋爾的理論。他證明了無線電輻射具有波的所有特性，並發現電磁場方程，可以用偏微分方程表達，通常稱為波動方程。

1906年聖誕前夜，范信達在美國麻薩諸塞州採用外差法，實現了歷史上首次無線電廣播。范信達廣播了他自己用小提琴演奏「平安夜」和朗誦《聖經》片段。位於英格蘭切爾姆斯福德的馬可尼研究中心，在1922年開播世界上第一個定期播出的無線電廣播娛樂節目。

發明

關於誰是無線電台的發明人還存在爭議，現在普遍認為是尼古拉·特斯拉。

1893年，尼古拉·特斯拉在美國密蘇里州聖路易斯，首次公開展示了無線電通信。在為「費城佛蘭克林學院」以及全國電燈協會做的報告中，他描述並演示了無線電通信的基本原理。他所製作的儀器，包含電子管發明之前，無線電系統的所有基本要素。

亞歷山大·波波夫於1895年5月7日，他在彼得堡物理和化學協會物理學部年會上，演示了他製成的一架無線電接收裝置－雷電指示器，這一天後來被俄羅斯定為「無線電日」慶祝。俄羅斯人認為，他才是無線電的發明人。

古列爾莫·馬可尼擁有通常被認為，是世界上第一個無線電技術的專利，英國專利12039號，「電脈衝及信號傳輸技術的改進以及所需設備」。

尼古拉·特斯拉1897年，在美國獲得了無線電技術的專利。然而，美國專利局於1904年將其專利權撤銷，轉而授予馬可尼發明無線電的專利。

這一舉動可能是受到馬可尼在美國的經濟後盾人物，包括湯瑪斯·愛迪生，安德魯·卡耐基影響的結果。1909年，馬可尼和卡爾·費迪南德·布勞恩由於「發明無線電報的貢獻」獲得諾貝爾物理學獎。

1898年，馬可尼在英格蘭切爾姆斯福德的霍爾街，開辦了世界上首家無線電工廠，雇傭了大約50人。

1943年，在特斯拉去世後不久，美國最高法院重新認定，特斯拉的專利有效。這一決定承認他的發明，在馬可尼的專利之前就已完成。有些人認為作出這一決定，明顯是出於經濟原因。這樣二戰中的美國政府，就可以避免付給馬可尼的公司專利使用費。

收發機制

用於遠端通信的無線電系統，通常包含以下的部件。無線電技術經過100多年的發展，這些收發機制的實現方法，已經變得多種多樣，而現代的工程師可以根據實際需求，選擇最優的方法。

每個無線電系統都具有發射器。發射器的功能，藉由能夠製造出所需振盪頻率的交流電源所實現。發射器含有用於調製的系統。其功能是將電源輸送來的信號加以修改，並藉此傳遞信息。最簡單的調製方法，是不時地切斷電源，正如拍電報時發報員的工作。這種簡單的調製，手工就能完成。

而現代無線電通訊所需的複雜調製，則涉及到許多交流電屬性的細微調整，如振幅、頻率和相位（而且往往同時調節的參數不止一個）。隨後，發射器將調製後的信號，傳遞給調諧過的共振天線。此舉能將震盪電流轉化為電磁波，並以無線的形式傳播（有時會受到偏振的影響）。

載波調幅藉由調整信號振幅（即信號強度），使之與所要傳遞的訊號的變化相同步，而傳送訊息。例如，信號強弱可用於描述話筒傳出的聲震動情況，或者用於確定電視螢幕上，某個畫素的螢光情況。世界上首個聲訊電台，採用的便是此種調製方式，而時至今日它仍被廣泛使用。"AM"目前常用於指中波廣播電台。

如右圖所示，在調幅這種調諧方式下，所產生的電磁波頻率，並不隨時間推移而發生變化。

調頻則是透過調整載波的頻率，來達到送信的目的。這種情況下，載波的瞬時頻率，同步於所傳遞的訊號的瞬時頻率。數位訊號的傳遞，可以藉由將載波在數個離散的頻率間，切換來實現。此技術被稱為頻率偏移調變。

FM現時常指甚高頻高保真廣播。無線電視的音軌訊號，也是透過超高頻信道傳送的。

天線

屋頂的電視天線，屬於八木天線

天線可以將電流轉換為無線電波，也可以將無線電波轉換為電流。常配合發送器或接收器一起使用。在傳輸時，發送器會產生震盪的無線電頻率電流到天線上，而天線會產生電磁輻射。在接收時，天線會拮取電磁波的部份能量，產生微小的電壓，再透過接收器放大。天線可以用來傳送及接收的用途。

傳播

電磁波產生後，可以在空間中直接傳播，但其路徑也可能被反射、折射及繞射等影響。電磁波的強度會因幾何距離而變小（平方反比定律），有些情形下傳輸媒介也會吸收能量。

雜訊也會影響電磁波的訊號，電磁干擾的來源可能是自然的，也可是人造的（例如其他電磁波傳送器或是非蓄意輻射）。雜訊也可能因為設備本身的特性而產生，如果雜訊的強度太大，就無法分辨電磁波中的訊號及雜訊，這也是無線電通訊的基本限制

諧振

無線電中的諧振電路，可以選擇接收特定頻段的信號。諧振電路可以只針對特定頻率的信號，有較大的響應，對其他特定頻率信號的響應會較小，因此無線電接收器，可以區分不同頻率下的信號。

接收器和調解

電磁波可以用調諧過的天線接收其訊號。天線可以拮取一些電磁波的能量，變成電路中的諧振電流。接收器可以將電流解調，轉換成可用的的訊號。接收器一般也會調諧到，可以接收特定頻段的訊號，拒絕其他頻段的信號。

早期的無線電系統，只靠天線拮取到的能量來產生訊號。後來發明了像真空管及電晶體等電子設備，可以將微弱的訊號放大，因此無線電就更為普及。無線電的應用包括無線對講機、兒童的玩具、到無人行星探測任務先鋒計劃的控制，也包括廣播及其他的應用。

無線電接收機從天線中接收訊號，利用電子濾波器從天線接收到的訊號中分離出想要的訊號，再利用放大器將訊號，放大到適合後續處理的準位，最後將訊號轉換為使用者需要的形式，例如聲音、影像、數位資料、量測值及導航的位置等。

無線電頻段

無線電的頻率範圍，從數Hz到300GHz，不過商業上重要的無線電頻段，只佔其中的一小部份。其他頻率超過無線電的電磁波，包括微波、紅外線、可見光、紫外線、X光及伽馬射線。由於無線電頻率範圍內的光子能量太小，無法游離原子中的電子，因此無線電歸類為非游離輻射。

無線電的用途

無線電的最早應用於航海中，使用摩斯電報在船與陸地間傳遞信息。現在，無線電有著多種應用形式，包括無線數據網，各種行動通信以及無線電廣播等。

以下是一些無線電技術的主要應用:

通信聲音

美國早期的收音機廣告

聲音廣播的最早形式是航海無線電報。它採用開關控制連續波的發射與否，由此在接收機產生斷續的聲音信號，即摩爾斯電碼。
調幅廣播可以傳播音樂和聲音。調幅廣播採用幅度調製技術，即話筒處接受的音量越大，則電台發射的能量也越大。這樣的信號容易受到諸如閃電或其他干擾源的干擾。
調頻廣播可以比調幅廣播更高的保真度傳播音樂和聲音。對頻率調製而言，話筒處接受的音量越大，對應發射信號的頻率越高。調頻廣播工作於甚高頻段(Very High Frequency, VHF)。頻段越高，其所擁有的頻率頻寬也越大，因而可以容納更多的電台。同時，波長越短的無線電波的傳播也越接近於光波直線傳播的特性。
調頻廣播的邊帶可以用來傳播數位訊號如，電台標識、節目名稱簡介、網址、股市訊息等。在有些國家，當被移動至一個新的地區後，調頻收音機可以自動根據邊頻信息，自動尋找原來的頻道。
航海和航空中使用的話音電台，應用VHF調幅技術。這使得飛機和船舶上可以使用輕型天線。
政府、消防、警察和商業使用的電台，通常在專用頻段上應用窄頻調頻技術。這些應用通常使用5KHz的頻寬。相對於調頻廣播或電視伴音的16KHz頻寬，保真度上不得不作出犧牲。
民用或軍用高頻話音服務，使用短波用於船舶，飛機或孤立地點間的通訊。大多數情況下，都使用單邊帶技術，這樣相對於調幅技術，可以節省一半的頻段，並更有效地利用發射功率。
地面中繼式無線電(Terrestial Trunked Radio, TETRA)是一種為軍隊、警察、急救及交通等特殊部門，設計的數位集群電話系統。

七十年代超外差電晶體收音機線路

電話

蜂窩電話或行動電話，是當前最普遍應用的無線通信方式。蜂窩電話覆蓋區通常分為多個小區。每個小區由一個基地台發射機覆蓋。理論上，小區的形狀為蜂窩狀六邊形，這也是蜂窩電話和蜂窩網路名稱的來源。當前廣泛使用的行動電話系統標準包括：GSM、CDMA和LTE

衛星電話存在兩種形式：國際海事衞星組織和銥星系統。兩種系統都提供全球覆蓋服務。國際海事衞星組織使用地球同步衛星，需要定向的高增益天線。銥星則是低軌道衛星系統，直接使用手機天線。

TETRA系統具有無線電話的功能。

軍用手持無線電通話器

電視

蜂窩電話或行動電話，是當前最普遍應用的無線通信方式。蜂窩電話覆蓋區通常分為多個小區。每個小區由一個基地台發射機覆蓋。理論上，小區的形狀為蜂窩狀六邊形，這也是蜂窩電話和蜂窩電話名稱的來源。當前廣泛使用的行動電話系統標準包括：GSM、CDMA和LTE

TETRA系統具有無線電話的功能。

警車用無線電

緊急服務

無線電緊急定位信標(emergency position indicating radio beacons, EPIRBs)，緊急定位發射機或個人定位信標，是用來在緊急情況下，對人員或測量透過衛星，進行定位的小型無線電發射機。它的作用是提供給救援人員目標的精確位置，以便提供即時的救援。

數據傳輸

數位微波傳輸設備、衛星等通常採用正交幅度調製。QAM調製方式，是同時利用信號的幅度和相位加載資訊。這樣，可以在同樣的頻寬上，傳遞更大的數據量。

IEEE 802.11是當前無線區域網的標準，採用2GHz或5GHz頻段，數據傳輸速率為11 Mbps或54 Mbps。

藍牙(Bluetooth)是一種短距離無線通訊的技術。

IEEE 802.15.4(ZigBee)是低功耗個域網協議。據此協議的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。ZigBee主要適用於自動控制和遠端控制領域，支持地理定位功能，是一種介於無線標記技術和藍牙技術之間的技術提案。Zig-Bee主要特點是工作頻段免執照； 1個節點工作6～24個月；協議簡單且免費，成本低廉。

辨識

利用主動及被動無線電裝置，可以辨識以及表明物體身分。（參見射頻辨識）

業餘無線電

現代數位化電腦式無線電發報機

業餘無線電是無線電愛好者，參與的無線電台通訊。業餘無線電台，可以使用整個頻譜上很多開放的頻段。愛好者使用不同形式的編碼方式和技術。有些後來商用的技術，比如調頻，單邊帶調幅，數位分組無線電和衛星信號轉發器，都是由業餘愛好者首先應用的。

導航

所有的衛星導航系統，都使用裝備了精確時鐘的衛星。導航衛星播發其位置和定時信息。接收機同時接受多顆導航衛星的信號。接收機透過測量電波的傳播時間，得出它到各個衛星的距離，然後計算得出其精確位置。
Loran系統也使用無線電波的傳播時間進行定位，不過其發射台都位於陸地上。
VOR系統通常用于飛行定位。它使用兩台發射機，一台指向性發射機始終發射，並像燈塔的射燈一樣，按照固定的速率旋轉。當指向型發射機朝向北方時，另一全向發射機會發射脈衝。飛機可以接收兩個VOR台的信號，從而透過推算兩個波束的交點確定其位置。
無線電定向是無線電導航的最早形式。無線電定向使用可移動的環形天線，來尋找電台的方向。