中波广播理论基础概述

中波广播理论基础概述

无线电波

一、无线电波的定义

无线电波是指在自由空间传播的射频频段的电磁波。无线电波是电磁频谱的一部分，它像水池中的波纹一样向个各方向传播。

电磁波：磁场的任何变化会产生电场，电场的任何变化也会产生磁场。交变的电磁场不仅可能存在于电荷、电流或导体的周围，而且能够脱离其产生的波源向远处传播，传播速度与光的传播速度一样，这种在空间内以—定速度传播的交变电磁场，称为电磁波。无线电技术中使用的这一段电磁波通常称为无线电波。

图2.1.1 电磁波传播示意图

二、无线电波的传播方式及传播特点

无线电波主要的传播方式有：地波、天波和沿直线传播的空间波。无线电波和光波的传播速度一样（3×108米／秒），具有直射、绕射、反射、折射的传播能力。

地波：地波是沿地球表面空间向外传播的无线电波。地波的传播特点：频率越高，地面吸收越多，损耗越大。因此只有长波和中波能在地面传播。地波不受气候影响，传播比较稳定可靠。但在传播过程中，能量被大地不断吸收，因而传播距离不远。所以地波适宜在较小范围里的通信和广播业务使用。

天波：天波也即电离层波。地球大气层的高层约100Km处存在着“电离层”。无线电波进入电离层时其方向会发生改变，出现“反射”。因为电离层折射效应的积累，电波的入射方向会连续改变，最终会“拐”回地面，电离层如同一面镜子会反射无线电波。我们把这种经电离层反射而折回地面的无线电波称为“天

波”。天波的传播特点：电离层能反射电波，也能吸收电波。对频率很高的电波吸收的很少。短波和中波是利用电离层反射传播的最佳波段，它可以借助电离层这面“镜子”反射传播，被电离层反射到地面后，地面又把它反射到电离层，然后再被电离层反射到地面，经过几次反射，可以传播很远。

空间波：空间波是沿直线传播的无线电波。它包括由发射点直接到达接收点的直射波和经地面反射到接收点的反射波。空间波的传播特点：空间波传播距离一般限于视距范围，因此又叫视距传播。超短波和微波不能被电离层反射，主要是在空间直接传播。其传播距离很近，易受高山和高大建筑物阻挡，为了加大传输距离，必须架高天线，尽管这样，一般的传输距离也不过50公里左右。超短波的电视和雷达多采用空间波方式传播。

散射波：当大气层或电离层出现不均匀团块时（12～16Km），无线电波有可能被这些不均匀媒质向四面八方折射和散射，使一部分能量到达接收点，这就是散射波（波长较短的波段）。

图2.1.2 地波、天波、空间波传播示意图

外球层传播：离开地面1000Km以外的宇宙间通信称为外球层传播。卫星通讯和卫星直播电视就是利用这种传播方式。

电离层：电离层是地球大气的一个电离区域。60千米以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，电离层是部分电离的大气区域，完全电离的大气区域称磁层。也有人把整个电离的大气称为电离层，这样就把电磁层看作电离层的一部分。除地球外，金星、火星和木星都有电离层。电离层从离地面约50公里开始一直伸展到约1000公里高度的地球高层大气空域，其中存在相当多的自由电子和离子，能使无线电波改变传播速度，发生折射、反射和散射，产生极化面的旋转并受到不同程度的吸收。根据密度不同，电离层可分为D、E、F1和F2层。

图2.1.3 电离层组成示意图

三、无线电波在电磁频谱中的频率范围

物理学家在17至19世纪首先认识到白色光实际上是由红色到紫色各种不同颜色的光组成的。因此，白色光是不同颜色的频谱，光也具有波长和频率特征。电磁频谱可以从可见光向两个方向扩展，更高频率的‘光’包括紫外线、X射线以及宇宙射线，而更长的波长、更低频率的‘光’则首先包括有红外线光，随着频率降低和波长越来越长即是无线电波。可见，无线电波是电磁波的一种表现形式，是频率在3000吉赫兹以下的电磁波。

四、无线电波频段的划分

表2.1.1 无线电频段划分表

五、无线电各频段的用途

甚低频（VLF3～30KHz）超长波（1Km～100Km ），空间波用于主海岸潜艇通信、远距离通信、超远距离导航；

低频（LF30～300KHz）长波（10Km～1Km ），地波用于越洋通信、中距离通信、地下岩层通信、远距离导航；

中频（MF0.3～3MHz）中波（1Km～100m），地波与天波多用于船用通信、业余无线通信、移动通信、中距离导航；

高频（HF3～30MHz）短波（100m～10m），天波与地波用于远距离短波通信、国际定点通信；

甚高频（VHF30～300MHz）米波（10m～1m ），空间波电离层散射（30～60MHz）多用于流星余迹通信、人造电离层通信（30～144MHz）、对空间飞行体通信、移动通信；

超高频（UHF0.3～3GHz）分米波（1m～0.1m），空间波多用于小容量微波中继通信（352～420MHz）、对流层散射通信（700～10000MHz）、中容量微波通信（1700～2400MHz）；

特高频（SHF 330GHz）厘米波（10cm～1cm ），空间波多用于大容量微波中继通信（3600～4200MHz）、数字通信、卫星通信、国际海事卫星通信（1500～1600MHz）；

极高频（EHF 30～300GHz）毫米波（10mm～1mm ），空间波用于大气层通信、波导通信。

中波的发射与接收

一、中波的定义

中波是指频率为300kHz～3MHz的无线电波，中波的频段范围是526.5KHz～1606.5KHz，其波长为575～187m，频带间隔9KHz。

中波广播(MW: Medium Wave)采用了调幅(Amplitude Modulation)的方式。在不知不觉中，MW与AM之间就划上了等号，实际上MW只是诸多利用AM调制方式的一种广播，像在高频(3～30MHz)中的国际短波广播所使用的调制方式也是AM，甚至比调频广播更高频率的航空导航通讯(116～136MHz)也是采用AM的方式，只是我们日常所说的AM广播只是中波广播的调制形式而已。

二、中波的传播特点

中波广播主要通过地面波传送，中波广播晚上还可通过空间电离层反射（天波）传播。传播特点存在衰落现象，场强有明显的日变化和年变化，易受太阳活动电离层暴（日凌）影响。

无线电波碰到导体时，就会在导体中产生感应电流，从而损耗掉一部分能量，这种使电波能量变弱的现象，叫做对电波的吸收。大地是导体，对中波的吸收较强，故以地波形式传播的中波传播不远(约二三百公里)。白天，由于阳光照射，电离层密度增大，使电离层变成良导体，致使以天波形式传播的一小部分中波进入电离层就被强烈吸收，难于返回地面，加之以地波形式传播的中波又被大地吸收而传播不远，于是就造成白天难以收到远处的中波电台。到了夜间，大气不再受阳光照射，电离层中的电子和离子相互复合而显著增加，故电离层变薄，密度变小，导电性能变差，对电波的吸收作用也大大减弱，这时，中波就可以通过天波途径，传送到较远的地方，于是夜间收到的中波电台就多了。

图2.2.1 中波夜间电离层传播示意图

三、中波广播的发展历程

中波广播技术发明于20世纪20年代，距今已有近100年的历史。中波广播发展的过程，可以说是提高中波广播发射机效率和可靠性的过程。经过近100年的发展，中波发射机的效率从40%提高到近90%，极大地降低了中波发射机的日常维护费用，发射机的可靠性得到极大的提高，停播率大大降低，基本上满足了不间断、高质量播出的要求。

（一）按时间发展阶段算，中波广播经历的四个阶段：

1. 起步阶段；

2. 因二次世界大战而造成的停滞阶段；

3. 二次世界大战后的恢复和技术基础准备阶段；

4. 20世纪70年代的快速发展阶段。

（二）按发射机类型发展算，经历了三个阶段：

1. 电子管中波广播发射机；

2. 晶体管加陶瓷管中波广播发射机；

3. 全固态数字式调幅中波广播发射机。

最早期的是全电子管的中波发射机，它采用的技术是在发射机的末级直接进行栅极调制。由于受当时技术条件限制，使得中波发射机的设备庞大，效率很低（40%以下）。广播质量不高，但播出的成本却非常高，到了上世纪七八十年代，随着半导体晶体管和陶瓷管的发展和普及，中波广播发射机在小信号处理上实现了晶体管化，而在末级使用大功率陶瓷对管对调幅波进行放大发送，大大减少了中波发射的重量和体积，发射效率也有很大的提高（60%）。八十年代初，中波广播采用了先进的脉宽调制技术，去掉了原发射机中庞大的调幅变压器，使中波发射机的效率又有大幅度提高，音频指标也有新的突破。到了九十年代，随着晶体管制造技术的日趋成熟和大功率半导体器件的出现，全固态数字式调幅广播发射机应运而生，并引领了调幅广播技术变革的一大革命。所谓全固态是指发射机对信号的处理、放大和调幅发送均采用集成电路和半导体器件。数字调制是指将连续的模拟信号转换为数字式开关脉冲信号，用脉冲数字信号去控制发射机末级模块的开通和关闭，以达到调幅的目的，整个处理过程都是在脉冲开关状态。基于上述原因，全固态数字调幅中波发射机具有音频指标好、效率高（80%以上）、体积小、重量轻、保护功能完善、操作方便的特点。

（三）按发射机调制技术的变革过程算，可分为八个阶段

1. 乙类屏调机（AM）

2. 脉冲宽度调制（PDM）

3. 脉冲阶梯调制（PSM）

4. 顺序阶梯调制（SSM）

5. 单边带调制（SSB）

6. 数字调制（DM）

7. 幅相调制（APM）

8. 数字直接调制（DRM）

四、中波广播的优势

（一）方便性

现在的收音机设计的越来越小巧，可以随身携带,收听的形式多种多样，司机和乘客可以在开车和坐车的时候收听；行人可以在走路的时候收听；农民可以在干活的时候收听等等。

（二）易于被不同群体接受

广播的受众不受文化程度限制，适合各层次的人群，尤其是文化程度偏低和视力障碍的群体，要想针对他们发挥广播的告知与说服功能，广播理所当然是最好的媒体。在创意设计方面注重口语化，可以令听众产生亲切感，朗朗上口，容易接受。

（三）感染力强

广播靠声音传播，能够突破时空界限，它能给听众无限的想象空间，这也正是广播的魅力所在。广播的特色正是刺激人的听觉器官，帮助收听者产生联想，容易撩拨人的心弦，煽动人的情绪。

（四）广播的制作与广告成本低，自身发展有保障

广播的广告制作成本低，时间内容信息量大，收费标准低，是当今最经济实惠的广告媒体之一。

五、中波广播的发展方向

（一）实行中小功率布网式建站

发射机体积小，重量轻。使用新型小天线，占地面积小，选点容易、灵活、方便。合理选点布网，实行同步广播。

（二）信号源传输多样化

微波、FM、卫星及光纤网信号传输，为中波广播提供可靠的高质量信号源，确保信号源不会中断。

（三）逐步实现异地遥测遥控功能

发射机具备计算机接口，并可通过计算机网络进行远程监控，真正能做到有人留守，无人值班。

（四）传播媒介更趋丰富多彩

数字音频广播和DRM技术的应用，使新型广播的普及成为可能，以后的广播不单单是发射音频信息，而是能发射包括声音、视频、图片等多种业务在内的数字移动多媒体广播，可供手机、个人数字助理等终端设备直接收听、收看。

（五）传播范围广

中波广播覆盖面广，接收设备费用小，很多

偏远的地方都能覆盖到。中波广播人口覆盖率

超过95%，是世界上广播覆盖人口最多的宣传

媒介。广播在重大事件中发挥了不可替代的作

用，比如在汶川特大地震后，灾区无法与外界

进行信息沟通的紧急情况下，广播在危难之地

发挥了巨大的作用。图2.2.2 中波覆盖特点（六）传播及时

广播节目和广告传播速度快，无论你身在何地，只要打开收音机，广播节目和广告就可以立即收到，广播的这种即时性是其他媒介所无法取代的。

六、中波的调制与发射

（一）调制

在无线电技术里，把音频信号（或其它低频信号）加载到高频无线电波的过程叫作调制。

（二）调制的原因

调制是广播发射技术中最重要的一种技术，由于音频信号频率较低，如果直接发射，需要很长的发射天线和很大的发射功率，而且音频信号（20Hz～20KHz）不固定,这样一来，接收端也无法区分各个频道的节目，所以很难直接发射音频信号，必须借助固定的高频电磁波（载波）进行传播。通常在发送端对信号进行调制，在接收端再进行解调，获得我们需要的音频信号和信息。

（三）调制波的概念

等幅波：没有加载音频信号（或其它低频信号）的无线电波称为等幅波。

调制波：加载音频信号以后的无线电波叫作调制波。

调制信号：用来调制载波的音频信号也叫作调制信号。

等幅波调制信号调制波

图2.2.3调制前后波形图

（四）调幅与调频

调幅：是使载波的振幅随着调制信号的变化规律而变化。

调幅的优点是传播距离远，覆盖面大，电路相对简单。缺点是传送音频频带窄（200Hz-2500Hz），高音缺乏，传播中易受干扰，噪声大。

调频：是使载波的频率按照调制信号幅值的改变规律而改变。

调频的优点是：传送音频频带较宽（100Hz—5KHz），适宜于高保真音乐广播。抗干扰性强，内设限幅器除去幅度干扰，应用范围广，用于多种信息传递。可实现立体声广播。缺点是传播衰减大，覆盖范围小。

（五）中波广播的发射过程

从高频振荡器来的等幅高频波与音频信号在调制电路里完成调制，调制后的包络信号经高频放大器放大，通过阻抗匹配网络发送到天线。

图2.2.4 中波广播发射框图

七、中波广播的接收与解调

中波广播接收机的作用：有三个：选台、解调和还原。

选台：将高频调幅波通过由线圈和可变电容组成的调谐回路选频电路接受下来的过程称为选台。

解调：从含有音频成分的已调制包络信号中，恢复音频信号的过程称为解调。

调幅信号是一个高频信号承载一个低频信号，当调幅信号通过检波二极管，由于二极管的单向导电性，调幅信号的负向部分被截去，留下正向部分，如在每个周期取平均值（低通滤波），二极管输出的高频信号对地短路，所得的波即为基带低频信号，实现解调功能

还原：解调后的音频信号进过限幅、滤波、放大后，通过耳机、喇叭等再现声音的过程称为还原。

已调高频波放大前后的465KHz中频信号检波并放大后的音频信号

图2.2.5 接收与解调波形示意图