电磁学在无线数据传输中的理论分析 （原创电子专业论文）
目 录 摘要……………………………………………………………………………………1 Abstract……………………………………………………………………………………1 引言………………………………………………………………………………………1 1.电磁波的特点………………………………………………………………………1 1.1 电磁波的产生………………………………………………………………………1 1.2 电磁波的传播 … ………………………………………………………………2 2.无线数据传输简介…………………………………………………………………2 2.1 优点……………………………………………………………………………2 2.2 缺点……………………………………………………………………………4 3. 电磁波在无线数据传输中的应用举例……………………………………4 3 . 1 红外无线传输…………………………………………………………4 3.2 蓝牙无线技术……………………………………………………………………4 结束语…………………………………………………………………………4 参考文献………………………………………………………………………………5 2 电磁学在无线数据传输中的理论分析 学生姓名：********* 学 号：************ 院 系：***************** 专 业：************** 指导老师： 职 称：
摘要：随着物理学技术的发展和信息处理领域的扩大，数据传输的速度要求更高，质量要求更严，更多的时候，人们必须利用无线数据传输工具进行数据的传输与交换。而这些交换大多数是通过电磁波完成的，因此本文介绍了常用的几种电磁波在无线数据传输中的应用，并详细介绍了其理论依据。 关键词：电磁波；无线数据传输；理论依据；通信 The Theory Of Electromagnetic Wave In Wireless Transmission Abstract: With the development of physics and the area where needed to communicated data with other equipments for transferring and exchanging, the speed become more stupid. Therefore, several usual uses in wireless transmissions are introduced in this article, and the theory is described in detailed. Key words: electromagnetic wave；wireless transmission；theory；
引言 随着嵌入式技术的发展和无线通讯技术的发展，各种终端设之间已经从电线与接口的束缚中解放了出来。无论是目前的各种通讯设备还是其他诸如 NSDL 的便携式游戏平台，其用户之间的数据传输都已经不再是使用传统的信号线进行传输。替代它们的是日新月异的各种无线通信技术。本文将为大家简述几种常见的利用电磁波的无线数据传输技术，并详细介绍了几种电磁波在无线数据传输技术中的应用。 1. 电磁波的特点 1.1 电磁波的产生 电磁波是由尺寸有限的场源产生的时变电磁场，依靠电场与磁场的能量互相转换，脱离场源向外传播的现象，称为电磁波的辐射。产生电磁波的装置称为天线。 由达朗贝尔方程的特解 ' ) / , ( ' 4 / V d A V R v R t r J ' ) / , ( ' 4 / 1 dV V R v R t r
3 可知：在t 时刻，空间某一点r 的矢量位A 和标量位 的值，不由时刻t 的电流、电荷分布所决定，而是较早时刻t-R/v 时的电流、电荷分布所决定。在被激发之后，空间的电磁场是以有限的速度v 向外传播的。 在近区电磁场中忽略了滞后效应，E 的形式与静电偶极子的电场强度完全相同，而H 则与电流源产生的恒定磁场形式完全相同。正是因为如此我们称这一部分为似稳场。近区场内电厂和磁场相位差为90°,平均能流为零.也就是说近区场内没有能量的单向流动,能量只能在场源和场之间来回震荡,存在于源的周围空间,没有能量向外辐射。 在远区电磁场中电场强度与磁场强度的方向互相垂直，对于一部分场，电场强度 E，磁场强度H，和场的传播方向r 三者互相垂直，且满足右手螺旋关系。由于滞后效应，他在真空中的传播速度等于真空中的光速c。坡印亭矢量与sin 2 θ 成正比说明功率分布显然不是各向同性的，而是与观察点所处方向有关的。 总之电磁波就是随时间变化的电荷、电流所激发的那一部分与与之脱离而自由的传播的所谓的辐射场。电磁波的传播是靠自有电磁场本身的运动，完全不需依赖媒介。所以电磁波可以在真空中传播。而机械波必须靠媒介来传递，它是依赖媒质传播的能量，因此机械波不可在真空中传播。 随着社会的逐渐发展，物理学所处理的领域逐渐变得更加广泛，有有限的可视范围逐渐延伸至广袤的宇宙，数据处理也逐渐实现了全球化。因此在无线数据传输中，电磁波有着比机械波更大的优势，可以应用到机械波所不能达到的真空领域。 1.2 电磁波的传播 在理想介质中，电磁波的电场分量E 和电磁分量H 满足的亥姆霍兹方程简化为一维的常微分方程的解为： H(x)=H 0 e +jkx 或H(x)=H 0 e -jkx ,E(x)=E 0 e +jkx 或E(x)=E 0 e -jkx ； 相应的瞬时形式解为： H(x,t)=H 0 cos(ωt+kx+φ E )或H(x,t)=H 0 cos(ωt-kx+φ E )； E(x,t)=E 0 cos(ωt+kx+φ H )或E(x,t)=E 0 cos(ωt-kx+φ H )； 所以，平面电磁波是横电磁波，电磁波的电场强度E 和磁场强度H 都和波的传播方向x 垂直，且满足右手螺旋关系。电磁场的能量平均分配在带你场和磁场中，其能量是以其传播速度v 沿着波传播方向流动，在传播过程中能量密度保持不变。在理想介质中，电磁波无衰减地传播，传播的均匀平面波是等振幅波。 4 电磁波在导电媒介中场量的振幅在传播方向上按指数规律衰减且会产生集肤效应，在导电媒介中，这种衰减表明电磁波的能量有损耗，衰减的原因是由于传导电流所消耗的焦耳热。对于理想导体，电磁波不能完全进入理想导体，它将在表面上全部被反射。又因为良导体中不同频率的电磁波的相速度不同，会产生色散现象，而在理想介质中不会产生色散现象。 电场垂直于入射面时常的其余分量为零，入射波与反射波与界面的法线构成的角相等，即反射角等于入射角。折射波与界面法线构成较小或较大的角，称为折射。磁场垂直于入射面时，在满足斯乃尔定律时，可推出平面极化波的菲涅尔公式。电磁波在电解质分界面会发生全反射和全折射现象。由 sin sin 2 1 2
可知电磁波从光密介质射入光疏介质时会出现折射光线不存在的现象，即发生全反射。在无线数据传输中的光纤通信中有重要应用。若反射系数为零，则入射波在分界面发生全折射。 2. 无线数据传输简介 数据传输可以简单地分为有线和无线两大类方式。无线数据传输是由无线数据模块组成。习惯上,人们把无线数据传输模块简称作无线模块,无线模块主要采用以电磁波为主的无线信号来代替有线的方式解决生活和实际的数据传输问题。生活中常见的如:各种遥控器,无线上网,蓝牙等等。
优点 相比较而言，用无线数传模块建立专用无线数据传输方式比其它方式具有很多优点
。 2.1.1 成本廉价 有线通信方式的建立必须架设电缆，或挖掘电缆沟，因此需要大量的人力和物力；而用无线数传电台建立专用无线数据传输方式则无需架设电缆或挖掘电缆沟，只需要在每个终端连接无线数据传输电台和架设适当高度的天线就可以了。相比之下用无线数传模块建立专用无线数据传输方式，节省了人力物力，投资是相当节省的。 当然在一些近距离的数据通讯系统中，无线的通讯方式并不比有线的方式成本低，但是有时候实际的现场环境难以布线，客户根据现场环境的需要还是会选用无线的方式来实现通讯。
建设工程周期短 当要把相距数公里到数十公里距离的远程站点相互连接通讯的时候，采用有线的方式，必须架设长距离的电缆或者挖掘漫长的电缆沟，这个工程周期可能就需要数个月的时间，而用数传模块建立专用无线数据传输的方式，只需要架设适当高度的天线，
工程周期只需要几天或者几周就可以，相比之下，无线的方式可以迅速组建起通信链路，工程周期大大缩短。
适应性好 有线通讯的局限性太大，在遇到一些特殊的应用环境，比如遇到山地、湖泊、林区等特殊的地理环境或是移动物体等布线比较困难的应用环境的时候，将对有线网络的布线工程有着极强的制约力，而用无线数据传输模块建立专用无线数据传输方式将不受这些限制，所以说用无线数据传输模块建立专用无线数据传输方式将比有线通讯有更好的更广泛的适应性，几乎不受地理环境限制。
扩展性好 在用户组建好一个通讯网络之后，常常因为系统的需要增加新的设备。如果采用有线的方式，需要重新的布线，施工比较麻烦，而且还有可能破坏原来的通讯线路，但是如果采用无线数据传输电台建立专用无线数据传输方式，只需将新增设备与无线数传电台相连接就可以实现系统的扩充了，相比之下有更好的扩展性。
设备维护上更容易实现 有线通讯链路的维护需沿线路检查，出现故障时，一般很难及时找出故障点，而采用无线数传模块建立专用无线数据传输方式只需维护数传模块，出现故障时则能快速找出原因，恢复线路正常运行。
缺点 无线数据传输方式相比于有线通讯的缺点：可靠性有待改进、受环境影响较大。
电磁波在无线数据传输中的应用举例
红外无线传输 红外无线技术十一红外线作为传输工工具的一种无线通讯方式，自1974 年发明以来，得到了很普遍的应用。但是由于红外线的固有特征，红外传输方式在大信息量的数据传输中使用的比较少。红外传输是一种点对点的传输，而且距离不能太远，其传输距离只有1—2m，并且对发射和接收器要求对准，并且中间不能有阻隔，且无法控制信息传输的速度。目前红外传输技术已经逐渐退出市场，逐渐被蓝牙技术取代。系统结构上，采用红外无线接入技术的系统需要将mpu 与红外模块进行连接，传输采用串行通讯技术。
蓝牙无线技术 蓝牙实际上是一种短距离无线电技术，利用蓝牙技术，能够实现有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等通讯终端设备之间的通讯，也能够成功的简化以 6 上设备与INTERNET 之间的通信，从而使这些现代通信设备与INTERNET 之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信扩宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及多对点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。其底层为无线电层，负责无线电中的位信息传输。第二层为基带层负责将位信息转化为可以识别的帧。第三层为L2CAP(逻辑链路控制适应层)负责在设备之间建立逻辑信道，包括电源管理、认证和服务质量等等。更高的几层是协议层，有各种不同的通信协议组成，并且为应用程序服务。其最常用的Class B 版本传输距离为8—30m，速率约为700—800kbps。
结束语 从上述例子可见，EWB 软件是一个模拟的、开放的电子实验平台。在它上面，设计人员可以做各种类型、难度的电子电路实验和实际电子产品设计，以便修改与优化电路。它为我们分析与设计电路提供了强大的计算机仿真工具。由于器件库的限制，该软件没有提供微处理器、可编程器件等超大规模集成电路模型，目前还不可能对所有数字电路进行仿真，但它提供了性能优越的虚似仪器的逼真的测试环境。因此，使 EDA 实验在脱离硬件的前提下，得到迅猛的发展。 随着我国国民经济的高速发展，无线数据传输技术在迅猛发展，作为主要载体的电磁波将应用的更加广泛。本文简单介绍电磁波的特点及其应用于无线数据传输的优点，并简单举例电磁波在无线数据传输中的应用。我国无线通信技术的发展趋势是加强产品的技术含量，并使其朝向民用的方向发展。因此，通过自主研发、科技创新把无线数据传输市场进一步拉大，将是对我国的一项长期而重要的任务。
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