第二十章 信息传递.pdf

1第二十章第二十章 信息的传递信息的传递 雄伟的长城，绵延万里，蜿蜒起伏，或翘首于峰巅之上，雄伟的长城，绵延万里，蜿蜒起伏，或翘首于峰巅之上，或俯身于峡或俯身于峡 谷之中古代的士兵夏季顶着烈日，冬季冒着严寒，谷之中古代的士兵夏季顶着烈日，冬季冒着严寒，在古老的长城上抵御在古老的长城上抵御 着敌人的侵略 遇到大规模的入侵时，士兵们常在“烽火台”上点起烟火，着敌人的侵略 遇到大规模的入侵时，士兵们常在“烽火台”上点起烟火，向远处的向远处的 同伴们传递“敌人来犯”的消息有时候，还可以传递更为确切的信息同伴们传递“敌人来犯”的消息有时候，还可以传递更为确切的信息，， 如“寇不满五百，放烽一炬；五百以上，放三炬；千骑以上，放四炬” 古代人用烽火传递信息， 我们现代人用哪些方法传递信息？如“寇不满五百，放烽一炬；五百以上，放三炬；千骑以上，放四炬” 古代人用烽火传递信息， 我们现代人用哪些方法传递信息？你知道这你知道这 些方法的基本原理吗？些方法的基本原理吗？ 2想想议议想想议议 古代人、近代人、现代人各用什么方法传递信息？ （排版时将图缩小些，现在书上的图太大） 一一 现代顺风耳—现代顺风耳— 在我国古代曾经流传有“顺风耳”的神话传说,它反映了人们想要冲破空间 的阻隔，互通信息的美好向往。

1876 年贝尔发明了（（telephone））,这一愿望 得以实现1 0 0 多年来，技术有了很大的发展现在，我们的生活已经离 不开“现代顺风耳”——了 图 20.1-2 图 20.1-1 1892 年，贝尔在纽约至芝加哥的线路开通仪式上 电流把信息传到远方电流把信息传到远方 最简单的由话筒和听筒组成为了完成通话，话筒和听筒之间要连上一 对线话筒把声音变成变化的电流，电流沿着导线把信息传到远方在另一 端，电流使听筒的膜片振动，携带信息的电流又变成了声音 老式话筒中有一个装着碳粒的小盒子当你对着话筒讲话时，膜片时紧时松3地压迫碳粒，它们的电阻随之发生改变，流过碳粒的电流就会相应改变，于是形 成了随声音变化的电流信号（图 20.1-3） 现在，除了碳粒话筒外，还有其他许 多种类的话筒，它们都能把声信号变成电信号 （将图变成3D图，竖放 ） 图 20.1-3 话筒和听筒 听筒内有一个磁铁，磁铁上绕着线圈，磁铁吸有一块薄铁膜片（图 20.1-3） 传入听筒的电流流过线圈，由于电流的不断变化，电磁铁对膜片的作用也随之变 化，使膜片振动，在空气中形成声波这样就可以听到对方的讲话了现在也有 不同种类的听筒，它们都能把电信号变成声信号。

交换机交换机 刚问世的时候，一部话机要与多少部话机通话，就要有多少对线与 外部相连这样太浪费材料了，而且话机太多时根本做不到与每部都单独连 线 想想议议想想议议 一个地区有 5 部，如果一部话机只能固定地同另一部话机接通，要使这 5 部话机中的任意两部都能互相通话，要架设多少对线？在图 20.1-4 甲中 把线画出来你能否想出一个办法，要尽量减少线路的数量，但仍能保证 5 部中的任意两部可以相互通话？在图 20.1-4 乙中把线画出来 4图 20.1-4 怎样才能减少线的数量？ 为了提高线路的利用率，人们发明了交换机现在，除特殊需要的极少 数还要通过专线连接外，一般之间都是通过交换机来转接的 一个地区的都接到同一台交换机上，每部都编上号码使用时，交图 20.1-5 交换机工作示意图 换机把需要通话的两部接通，通话完毕再将线路拆开 如果在一台交换机与另一台交换机之间连接上若干对线，这样，两个不 同交换机的用户也就能互相通话了(图 20.1-5) 图 20.1-6 程控交换机和操作台 打时，有时出现“占线”现象实际上，当时对方的话机并不一定在使 用， 而常常是两台交换机之间有太多的用户要通话， 它们之间的线不够用了。

这个现象在打长途时比较常见 早期的交换机是依靠话务员手工操作来接线和拆线的，工作效率低，劳 动强度大1891 年出现了自动交换机，它通过电磁继电器进行接线现代 的程控交换机利用了电子计算机技术， 只要事先给交换机中的电脑输入所需 的程序，电脑就能“见机行事” ，能按用户所拨的号码自动接通话机此外，程 控还有许多功能， 如 “缩位拨号” “转移呼叫” “来电显示”“遇忙回叫” “三 方通话”等这些功能可以方便、快捷地满足人们通话的需要 模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信 分模拟和数字两种在话筒将声音转换成信号电流时，这种信号电流的5频率、振幅变化的情况跟声音的频率、振幅变化的情况完全一样， “模仿”着声 信号的“一举一动” 这种电流传递的信号叫做模拟信号模拟信号(analog signal)，使用模 拟信号的通信方式叫做模拟通信 除了可以用模拟信号传递信息外，还可以用另外的方式传递信息例如，用 点“· ”和画“—”的组合代表各种数字，一定的数字组合代表一个汉字；于是， 一系列点和画组成的信号就可以代表一个完整的句子了 “电报”信号就是这样 组成的（图 20.1-7 和图 20.1-8） 。

像这样用不同符号的不同组合表示的信号，叫 做数字信号数字信号(digital signal)，这种通信方式叫做数字通信 实际上，不仅可以用点和画，还可以用长短不同的声音、长短不同的亮光， 甚至可以用电压（或电流）的有无、磁体的南北极、或者“0” “1”两个不同的 数字，来组成各种数字信号，用来传递丰富多彩的声音、图像等各种信息 想想做做想想做做 数字通信是一种既现代又古老的通 信方式，烽火、旗语、电报传递信息都是数字通信同学们可以分成几组，每组 利用一种数字通信的方法，进行信息传递的游戏 模拟信号在长距离传输和多次加工、 放大的过程中， 信号电流的波形会改变， 从而使信号丢失一些信息，表现为声音、图像的失真，严重时会使通信中断通 常的数字信号只包含两种不同的状态，形式简单，所以抗干扰能力特别强由于 电子计算机是以数字形式工作的，数字信号可以很方便地用电子计算机加工处 理，发挥计算机的巨大威力数字信号还可以通过不同的编码进行加密 现代的已经全部采用数字信号进行传输和处理了， 用数字信号传输的电 视节目也已经进入了某些城市的家庭 动手动脑学物理动手动脑学物理 1.的发展日新月异，说一说，你所知道的种类和用途。

2.用一对较长的导线把两只高阻耳机（请老师帮助选择）连起来，对着一只耳机说话， 在另一只耳机里就能听到说话声这就是最简单的找来有关的材料，自己制作一个电 话 3.通过查书、向有经验的人学习等各种途径，了解程控的一两项新功能，例如来电 显示、三方通话等要使用这些功能，需要到电信局办理哪些手续？如果可能，试一试 1 ·－－－－ A ·－ 2 · ·－－－ B －· · · 3 · · ·－－ C －·－· 4 · · · ·－ D －· · 5 · · · · · E · …… …… 图 20.1-7 莫尔斯电码点和划的不同 组合代表不同的数字和字母 字符 对应电码 我 2053 喜 0823 欢 2970 学 1331 习 5045 物 3670 理 3810 图 20.1-8 汉字电报码 64.许多保密的通信使用特殊的密码 设计密码的工作其实不很复杂， 你可以自己设计一 套密码（用与图 20.1-7、图 20.1-8 不一样的规则） ，跟你的朋友互通信息试试看！ 二二 电磁波的海洋电磁波的海洋 当你打开收音机，听到的是电磁波传来的 声音；打开电视机，听到的、看到的是电磁波 传来的声音和图像； 移动也是靠电磁波来 传递信息的。

电磁波在信息的传递中扮演着非 常重要的角色，所以，要研究信息的传递，就 要研究电磁波 电磁波是怎样产生的电磁波是怎样产生的 尽管你对电磁波（电磁波（electromagnetic wave）） 这个名词已经十分熟悉， 但是， 你知道电磁波 是怎样产生的吗？ 演演 示示 打开收音机的开关，旋至没有电台的位置，将 音量开大取一节干电池和一根导线，拿到收音机 附近先将导线的一端与电池的负极相连，再将导 线的另一端与正极摩擦， 使它们时断时续地接触 （图 20.2-2） 从收音机里能听到什么？ 木棍在水面上振动会产生水波； 说话时声带的振动 在空气中形成声波与水波、声波的形成相似，导线中 电流的迅速变化会在空间激起（产生）电磁波在广播 电台、 电视台以及移动里面发射电磁波的机器靠复 杂的电子线路来产生迅速变化的电流， 发出相应的电磁 波虽然电磁波看不见、摸不到，但电磁波确实可以给 我们传递各种信息 电磁波是怎样传播的电磁波是怎样传播的 声音的传播要靠固体、液体、气体等介质，电磁波 的传播需要介质吗？ 演演 示示 把一个移动放在真空罩中， 并给这个移动打 这个移动能够收到此信号吗？ 由实验可以看到， 放在真空罩中的移动可以收到 罩外传给它的电磁波。

这说明电磁波在真空中也可以传 播 图 20.2-1 高高耸立的中央电视 塔上的天线 这个实验对电池有损害， 最好用旧电池来做 图 20.2-2 时断时续的电流能够产 生电磁波 电磁波的传播 速度是不是看起来 很熟悉？你由此产 生了什么联想？ 7月球上没有空气，声音无法传播但是电磁波可以在真空中传播，所以宇航 员在月球上可以用电磁波来通信真空中电磁波的波速为 c，它等于波长λ和频 率 f 的乘积 c = λ f 真空中电磁波传播的速度 c——大约 30 万千米 每秒，是宇宙间物质运动的最快速度c 是物理学中 一个十分重要的常数，目前公认的数值是 c =2.99792458×108 m/s ≈3×105 km/s 电磁波频率的单位也是赫兹因为通常电磁波的 频率都很高，所以常用的单位是千赫（千赫（kHz））和兆赫 （兆赫 （MHz）） 电磁波是个大家族（图 20.2-3） ，通常用于广播、 电视和移动的是频率为数百千赫至数百兆赫的 那一部分，叫做无线电波 日常生活中可以看到各种各样的天线， 它们有的 是发射电磁波的， 有的是接收电磁波的 我们生活在 电磁波的海洋中 扩展性实验 扩展性实验 电磁波的发射 与接收可以用下列 的数字化实验设备 来直观地显现。

如图 20.2-4 所 示， 电磁波发射器 A 可以发射不同频率 的电磁波， 接收器 B 接收到电磁波信号 后，通过传感器 C、 采集器 D 将电磁波 信 号 输 入 到 计 算 机，我们就可以在 计算机屏幕上观察到电磁波信号 实验 如图 20.2-41连接好装置，转动发射器 A 上的旋钮，改变发射器发出的电磁波的频率，观察信号的变化 图 20.2-3 采集器 D 接收器 A图 20.2-41 电磁波的发射与接收装置图传感器C接收器 B8科学世界科学世界 微微 波波 炉炉 电磁波除了用于通信外，还有很多 别的应用比如，我们生活中常常见到 的微波炉， 就是用电磁波来加热食品的 微波炉内有很强的电磁波，因为这种波 长很短，所以叫做微波食物的分子在 微波的作用下剧烈振动， 使得内能增加， 温度升高由于电磁波可以深入食物内 部，所以用微波炉烧饭时食物的内部和 外部几乎同时变熟，省时、省电 食物中的水分子比其他分子更容易 吸收微波的能量，所以含水量高的食物 在微波炉中温度上升更快微波炉中不 能使用金属容器，因为微波能在金属中 产生强大的电流，会损坏微波炉 微波同其他频率的电磁波一样，过 量的照射对人体有害。

微波炉的外壳是金属壳，。