無線通信基礎(chǔ)知識(shí)1

無線通信基礎(chǔ)知識(shí)[1]無線通信在使用中又分為兩種：一種是固定點(diǎn)與固定點(diǎn)進(jìn)行通信的固定無線電通信，另外一種是固定點(diǎn)與移動(dòng)體或移動(dòng)體與移動(dòng)體之間進(jìn)行聯(lián)系的移動(dòng)無線通信，簡稱移動(dòng)通信。近些年信息通信領(lǐng)域中，發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的就是無線通信技術(shù)。2021/7/172無線通信系統(tǒng)中按照關(guān)鍵部分的不同特性，有不同的分類：按照工作頻段或傳輸手段分類，有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和衛(wèi)星通信等。所謂工作頻率，主要指發(fā)射與接收的射頻（RF）頻率。射頻實(shí)際上就是“高頻”的廣義語，它是指適合無線電發(fā)射和傳播的頻率。按照通信方式來分類，主要有雙工、半雙工和單工方式。按照調(diào)制方式的不同來劃分，有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及混合調(diào)制等。按照傳送的消息的類型分類，有模擬通信和數(shù)字通信，也可以分為話音通信、圖像通信、數(shù)據(jù)通信和多媒體通信等。2021/7/173無線通信系統(tǒng)組成2021/7/1741.發(fā)送設(shè)備（1）信息源：提供需要傳送的信息。（2）變換器（換能器）：將被發(fā)送的信息變換為電信號(hào)。例如話筒將聲音變?yōu)殡娦盘?hào)。（3）發(fā)射機(jī)：將換能器輸出的電信號(hào)變?yōu)樽銐驈?qiáng)度的高頻振蕩。（4）發(fā)射天線：將高頻振蕩變成電磁波向傳輸媒質(zhì)輻射。2．接收設(shè)備（1）接收天線：將空間傳播到其上的電磁波變換成高頻電信號(hào)。（2）接收機(jī)：將高頻電信號(hào)放大、變換成較低頻率的電信號(hào)。（3）變換器（換能器）：將電信號(hào)變換成所傳送信息。（4）受信人：信息的最終接受者。3．傳輸媒體無線通信的傳播媒體是無線電波，不同頻段無線電波信號(hào)的產(chǎn)生、放大和接收的方法不同，傳播的能力和方式也不同。在自由空間中，波長與頻率存在以下關(guān)系：c=fλ。其中c為光速，f和λ分別為無線電波的頻率和波長。2021/7/175第一節(jié)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作過程

一、發(fā)射機(jī)在無線通信中，發(fā)射機(jī)的作用是產(chǎn)生一個(gè)功率足夠大的高頻振蕩送給發(fā)射天線，通過天線轉(zhuǎn)換成空間電磁波傳送到接收端。如圖2-2所示，主要有音頻放大器（話音處理電路）、調(diào)制、變頻器、高頻功率放大器等組成。（一）各部分功能2021/7/176典型的移動(dòng)通信電臺(tái)組成圖2021/7/177代移動(dòng)通信電臺(tái)的組成

2021/7/178（二）對(duì)無線電發(fā)射機(jī)的主要技術(shù)要求

1.要有一定的工作波段和足夠的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度2.要有足夠的功率輸出3.調(diào)制性能要好調(diào)制是發(fā)射機(jī)的主要工作部分，因此，調(diào)制性能的好壞，對(duì)發(fā)射機(jī)至關(guān)重要。發(fā)射機(jī)的調(diào)制性能包括：調(diào)制靈敏度、調(diào)制頻率特性和調(diào)制線性等。調(diào)制性能好，就意味著發(fā)射機(jī)傳送信號(hào)的信號(hào)噪聲比提高，頻率特性改善，非線性失真減小。4.要盡量減小寄生輻射發(fā)射機(jī)中產(chǎn)生的諧波分量如果通過天線輻射出去，將對(duì)其它電臺(tái)產(chǎn)生有害的干擾，因此必須將諧波輻射抑制到一定程度，從而減小干擾。2021/7/179（三）無線電發(fā)射機(jī)的工作過程

由送筒來的音頻信號(hào)，經(jīng)音頻放大器放大、話音處理后，與載波振蕩信號(hào)一起在調(diào)制器中進(jìn)行調(diào)制(調(diào)頻)，產(chǎn)生已調(diào)信號(hào)(調(diào)頻波)。由于其頻率還不夠高，再經(jīng)上變頻器將已調(diào)信號(hào)的頻率提到規(guī)定的波段，而后進(jìn)行激勵(lì)放大、功率放大，最后將具有額定功率的高頻已調(diào)信號(hào)電流經(jīng)天線開關(guān)送到天線，由天線把它變換為電磁波向空間輻射出去。2021/7/1710發(fā)射機(jī)由三部分組成：低頻部分：聲音的變換與放大。這部分的頻率較低，叫“低頻部分”。高頻部分：高頻振蕩的產(chǎn)生、調(diào)制、功率放大。這部分的頻率較高，統(tǒng)稱“高頻部分”。直流電源：包括電池或穩(wěn)壓電源。2021/7/1711二、接收機(jī)

接收無線電信號(hào)的設(shè)備叫做無線電接收機(jī)，接收機(jī)從空間中接收到微弱信號(hào)，通過射頻濾波器從眾多的電波中選出有用信號(hào)，并經(jīng)過高頻放大、混頻、中頻放大到解調(diào)器所要求的電平值后，再由解調(diào)器解調(diào)，還原話音信號(hào)，其結(jié)構(gòu)如圖所示2-2。2021/7/1712（一）對(duì)無線電接收機(jī)的主要技術(shù)要求

1．應(yīng)工作于規(guī)定的波段和采用適當(dāng)?shù)慕庹{(diào)方式，并應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)際情況決定。2．應(yīng)具有高的接收靈敏度。3．應(yīng)有好的選擇性。4．應(yīng)有好的保真度。5．應(yīng)有高的工作穩(wěn)定度。2021/7/1713（二）無線電接收機(jī)的工作過程無線電接收機(jī)的工作過程正好與發(fā)射機(jī)工作過程相反，它的任務(wù)是將天線接收下來的高頻電信號(hào)，經(jīng)變換與放大，還原為原來的音頻信號(hào)。移動(dòng)通信電臺(tái)接收機(jī)基本上都采用二次變頻的超外差式接收機(jī)，其組成如圖2-4所示2021/7/17142021/7/1715

881MHz二次混頻超外差接收機(jī)方框圖

2021/7/1716一個(gè)超外差式接收機(jī)應(yīng)包括下列幾部分：

1．高頻放大部分，包括高頻放大器、中頻放大器、以及相應(yīng)的選擇性電路；

2．變頻器，包括混頻器與本機(jī)振蕩器；

3．解調(diào)器，對(duì)調(diào)幅信號(hào)用檢波器，對(duì)調(diào)頻信號(hào)用鑒頻器；

4．低頻放大器；5．直流電源，包括電池或穩(wěn)壓電源。2021/7/1717第五節(jié)鎖相環(huán)頻率合成器

移動(dòng)通信電臺(tái)中，發(fā)射機(jī)的主振信號(hào)和接收機(jī)的本振信號(hào)，都需要高頻振蕩頻率源。對(duì)頻率源的要求是：(1)頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度高，以確保通信質(zhì)量；(2)改換頻率方便，適應(yīng)多信道工作。2021/7/1718一、頻率合成器的主要技術(shù)指標(biāo)

（一）工作頻率范圍（二）頻率間隔（頻率分辨率）（三）頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間（越小越好）（四）頻率穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度（五）頻譜純度2021/7/1719二、鎖相環(huán)（PLL）基本原理

鎖相環(huán)PLL是一個(gè)相位反饋控制系統(tǒng)。它由鑒相器PD、環(huán)路濾波器LF和壓控振蕩器VCO三個(gè)基本部件組成。2021/7/1720三、鎖相環(huán)頻率合成器

2021/7/1721第六節(jié)調(diào)制

一、調(diào)制的概念無線通信的主要任務(wù)是利用電磁波來傳送諸如語言言、音樂、圖像等基帶信號(hào)。由無線通信理論可知，當(dāng)天線的幾何尺寸和要傳遞的電信號(hào)的波長相近時(shí)，電信號(hào)才能有效地從天線從以電磁波的形式輻射出去。以語音信號(hào)為例，語音信號(hào)變換為電信號(hào)后其頻率范圍從幾十赫到幾千赫，一般將300Hz到3000Hz的頻率發(fā)送出去即可取得較滿意的話音傳輸效果，但300Hz到3000Hz電信號(hào)所對(duì)應(yīng)的波長為1000km-100km，要建立起這樣長的天線系統(tǒng)顯然是不能的。2021/7/1722要解決上述問題，就要采取調(diào)制的方法。用所要傳送的基帶信號(hào)控制高頻振蕩信號(hào)的某一個(gè)參數(shù)（如幅度、頻率或相位），即把基帶信號(hào)“附加”到高頻振蕩上，使基帶信號(hào)變換為適合傳輸?shù)母哳l帶通信號(hào)，這一過程就是調(diào)制，通常將高頻振蕩信號(hào)稱為載波，加載了基帶信號(hào)的高頻帶通信號(hào)稱為已調(diào)波信號(hào)。2021/7/1723第七節(jié)解調(diào)

調(diào)制是將要傳送的信息“裝載”到載波上去的過程，解調(diào)則是從已調(diào)波上取下傳送的信息的過程。調(diào)幅波的解調(diào)通常稱做振幅檢波，簡稱檢波，完成檢波作用的電路稱為檢波器；調(diào)頻波的解調(diào)通常稱作頻率檢波，簡稱鑒頻，完成鑒頻作用的電路稱為鑒頻器。從頻譜關(guān)系上來看，調(diào)制過程是一個(gè)頻率變換過程，已調(diào)波由載波分量和反映調(diào)制信號(hào)的上下邊帶分量所組成，同樣解調(diào)也是一個(gè)頻率變換過程，輸入的是已調(diào)波，而輸出只是原低頻調(diào)制信號(hào)。2021/7/1724第八節(jié)無線電波的傳播

一、無線電波段的劃分在真空中的傳播速度都是C，與頻率（周期）、波長的關(guān)系如下：

λ=C*T=C/f(2-106)這是電磁波的一個(gè)基本關(guān)系式。知道了頻率，利用上述公式就可以計(jì)算出波長λ。2021/7/1725無線電波按波長不同又分為長波、中波、短波、超短波、微波等波段，各有不同用途：廣播電臺(tái)使用的頻率在中波波段；電視臺(tái)使用的頻率在超短波段；用來測定物體位置的雷達(dá)、無線電導(dǎo)航等使用的頻率在微波段。表2-4無線電波的波段劃分2021/7/1726二、無線電波傳播的基本知識(shí)

1、無線電波在均勻媒質(zhì)中是以恒定的速度沿直線傳播的。無線電波在空氣中的傳播速度比真空略小，但仍可近似為3×l08m/s。2、無線電波在不均勻媒質(zhì)中傳播時(shí)，除了傳播速度要發(fā)生變化外，還會(huì)引起反射，折射、繞射以及散射等現(xiàn)象，使傳播方向改變。3、無線電波在傳播過程中，由于能量的擴(kuò)散和媒質(zhì)的吸收，電波的能量將逐漸臧小，場強(qiáng)將逐漸減弱。2021/7/1727三、無線電波傳播的主要方式

1.地波傳播沿大地與空氣的分界面?zhèn)鞑サ碾姴ǎ械孛娌ɑ虮砻娌?，簡稱地波.2.天波傳播天波是指由天線向高空輻射的電磁波受到天空電離層反射或折射后返回地面的無線電波。3.空間波傳播由發(fā)射天線直接到達(dá)接收點(diǎn)的電波，被稱為直射波，有一部分電波是通過地面或其他障礙物反射到達(dá)接收點(diǎn)的，被稱為反射波。直射波和反射波合稱為空間波。主要用于微波中繼、通信蜂窩通信、電視、雷達(dá)、衛(wèi)星通信與廣播(一般>30MHz)。4.散射波傳播當(dāng)大氣層或電離層出現(xiàn)不均勻水汽、塵埃、電子密度不均勻等團(tuán)塊時(shí)，無線電波有可能被這些不均勻媒質(zhì)向四面八方反射，使一部分能量到達(dá)接收點(diǎn)，這就是散射波。2021/7/1728第九節(jié)噪聲和干擾

一、噪聲噪聲是一種隨機(jī)信號(hào)，其頻譜分布于整個(gè)無線電工作頻率范圍，因此它是影響各類收信機(jī)性能的主要因素之一。一般可分為：①內(nèi)部噪聲；②自然噪聲；③人為噪聲。2021/7/1729二、干擾

在無線電通信網(wǎng)中，由于眾多電臺(tái)之間的相互作用，相互影響，可產(chǎn)生互調(diào)干擾、阻塞干擾、鄰道干擾和同頻干擾，其中互調(diào)干擾、阻塞干擾和同頻干擾對(duì)通信網(wǎng)影響較嚴(yán)重，應(yīng)格外注意。2021/7/1730（一）互調(diào)干擾1.互調(diào)干擾的概念互調(diào)干擾的基本原因是由于部件的非線性引起的，由于多個(gè)信號(hào)加至非線性器件上產(chǎn)生大量組合頻率，與有用信號(hào)頻率相近的組合頻率(互調(diào)產(chǎn)物)，對(duì)系統(tǒng)造成干擾就是互調(diào)干擾。2021/7/1731（二）鄰道干擾（1）鄰道干擾概念所謂鄰道干擾是相鄰的或鄰近頻道的信號(hào)相互干擾。（二）鄰道干擾（1）鄰道干擾概念所謂鄰道干擾是相鄰的或鄰近頻道的信號(hào)相互干擾。無線通信系統(tǒng)廣泛使用的VHF、UHF電臺(tái)，頻道間隔是25kHz。（三）同頻干擾1．同頻干擾概念由與有用信號(hào)載率相同的非需要信號(hào)所造成的干擾稱為同頻干擾，也有稱同信道干擾或共道干擾的。2021/7/1732（四）阻塞干擾當(dāng)接收機(jī)接收頻段附近有強(qiáng)信號(hào)干擾時(shí)，干擾信號(hào)就會(huì)由于接收機(jī)選擇回路選擇性不佳而進(jìn)入接收機(jī)，經(jīng)高、中放電路，致使直流工作點(diǎn)變化，產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致射頻增益下降，接收機(jī)靈敏度降低，最終形成所謂的阻塞干擾。阻塞干擾的形成的原因主要是由于接收機(jī)處在大功率發(fā)射臺(tái)附近，而接收機(jī)的選擇性又不好所致。2021/7/1733（五）網(wǎng)絡(luò)間的干擾在同一區(qū)域內(nèi)，往往存在著隸屬于不同系統(tǒng)的許多通信網(wǎng)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)自成體系。這些網(wǎng)絡(luò)之間的相互影響就形成了網(wǎng)間干擾。2021/7/1734第十節(jié)天線

無線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率，通過饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后，由天線接下來（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過饋線送到無線電接收機(jī)?？梢?，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無線電設(shè)備，沒有天線也就沒有無線電通信。2021/7/1735發(fā)射天線的作用是將發(fā)射機(jī)輸出的高頻電流能量（或?qū)Р芰浚┺D(zhuǎn)換成電磁波能量輻射到空間去；接收天線的作用是將空間傳來電波信號(hào)轉(zhuǎn)換成高頻電流能量或?qū)Р芰浚┧徒o接收機(jī)。天線是將高頻電流能量和電磁波能量作可逆轉(zhuǎn)換的設(shè)備，是一種“換能器”，收、發(fā)天線具有互易性。2021/7/1736為了能良好地實(shí)現(xiàn)上述目的，要求天線①具有一定的方向特性（定向接收或輻射）；②較高的轉(zhuǎn)換效率；③能滿足系統(tǒng)正常工作的頻帶寬度；④滿足匹配條件；⑤產(chǎn)生有效的輻射或接收即應(yīng)該是一個(gè)開放系統(tǒng)（如平行雙線、同軸線是保守系統(tǒng)，對(duì)稱振子是開放系統(tǒng)。)

2021/7/1737把天線和發(fā)射機(jī)或接收機(jī)連接起來的系統(tǒng)稱為饋線系統(tǒng)。饋線的形式隨頻率的不同而分為雙導(dǎo)線傳輸線、同軸線傳輸線、波導(dǎo)或微帶線等。由于饋線系統(tǒng)和天線的聯(lián)系十分緊密，有時(shí)把天線和饋線系統(tǒng)看成是一個(gè)部件，統(tǒng)稱為天線饋線系統(tǒng)，簡稱天饋系統(tǒng)。2021/7/1738八、鐵路移動(dòng)通信天線

（一）鐵路移動(dòng)通信天線要求鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T1875－87《列車無線電通信天線類型、基本參數(shù)及測量方法》對(duì)鐵路列車無線通信天線作出具體的要求。1．一般結(jié)構(gòu)要求2．使用要求2021/7/1739（二）鐵路無線通信天線的類型

列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)使用的天線分固定電臺(tái)天線，機(jī)車電臺(tái)天線、便攜式電臺(tái)天線和隧道傳輸用天線等。（1）固定電臺(tái)天線①對(duì)稱振子天線②引向天線目前該類型的天線在車站臺(tái)上下行線路覆蓋、隧道口中繼收發(fā)和地鐵環(huán)境應(yīng)用比較多，引向天線在水平面內(nèi)、垂直面內(nèi)，方向性均好，可抑制水平面內(nèi)無用方向和垂直面內(nèi)高仰角的輻射。2021/7/1740（2）機(jī)車電臺(tái)天線

機(jī)車臺(tái)天線有加頂圓盤天線、加罩加頂垂直折合天線、加感垂直接地振子天線以及多頻段機(jī)車天線。加頂圓盤天線、加罩加頂垂直折合天線主要用于150MHz列車無線調(diào)度通信機(jī)車臺(tái)。2021/7/1741加頂圓盤天線加罩加頂天線（沒有加罩）2021/7/1742現(xiàn)在450MHz機(jī)車臺(tái)天線多采用加感垂直接地振子天線，其結(jié)構(gòu)如圖2-126所示2021/7/1743隨著鐵路GSM-R系統(tǒng)發(fā)展的需求，機(jī)車陸續(xù)裝備機(jī)車綜合無線通信設(shè)備（CIR），目前機(jī)車綜合無線通信設(shè)備（CIR）主要包括450MHz、800MHz、900MHz、等頻段的無線通信業(yè)務(wù)。為此機(jī)車綜合無線通信設(shè)備（CIR）采用多頻段機(jī)車天線。2021/7/1744

圖2-127多頻段機(jī)車天線2021/7/1745（3）便攜式電臺(tái)天線便攜式電臺(tái)天線一般采用鞭狀天線。鞭狀天線是一種形如鞭狀可彎曲的垂直天線，其電長度為1／4λ。2021/7/1746第十節(jié)電平換算和場強(qiáng)的概念

一、電平換算（一）功率單位mW和dBm的換算無線電波的發(fā)射功率是指在給定頻段范圍內(nèi)的能量，通常有兩種衡量或測量標(biāo)準(zhǔn)；功率和功率/電平表示。功率的單位就是我們通常所指的瓦（W）、毫瓦（mW），功率/電平（dBm、dBW）是表征兩個(gè)信號(hào)功率比值（差值）的單位。dBm都是以為基準(zhǔn)取1毫瓦（mW），dBW都是以為基準(zhǔn)取1瓦（W）。兩種表達(dá)方式可以互相轉(zhuǎn)換：P（dBm）=10xlog[P（mW）]（2-156）2021/7/1747（二）電壓單位mv和dBmv的換算若以1mV作為基準(zhǔn)電壓，則電壓為U時(shí)對(duì)應(yīng)的電平為20lg（U/1mV），單位記為dBmv（分貝毫伏）。例如電壓為1V時(shí)，對(duì)應(yīng)的電平為60dBmv；電壓為1μV時(shí)，對(duì)應(yīng)的電平為-60dBmv

若以1μV為基準(zhǔn)電壓，則電壓為U時(shí)對(duì)應(yīng)的電平為20lg（U/1μV），單位記為dBμV（分貝微伏）。例如電壓為1mV時(shí)，電平為60dBμV

；電壓為100mV

時(shí)，電平為100dBμV

。2021/7/1748（三）功率電平dBm與電壓電平dBmμv的換算

我們知道功率與電壓的關(guān)系，