第三章無線電技術基礎

本章目錄3.1電磁場與電磁波3.2無線通信系統3.3射頻/微波技術3.4天線技術3.5信道技術3.6軟件無線電技術3.7認知無線電技術3.8電磁兼容

3.1電磁場與電磁波無線電技術的發展歷程麥克斯韋詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（JamesClerkMaxwell），英國物理學家、數學家。經典電動力學的創始人，統計物理學的奠基人之一。畢業于劍橋大學。1873年出版的《論電和磁》，也被尊為繼牛頓《自然哲學的數學原理》之后的一部最重要的物理學經典。麥克斯韋被普遍認為是對物理學最有影響力的物理學家之一。沒有電磁學就沒有現代電工學，也就不可能有現代文明。麥克斯韋方程

無線電技術的理論基礎是麥克斯韋方程。1873年，麥克斯韋建立了完整地描述電場和磁場定律的麥克斯韋方程組：

3.2無線通信系統

（1）發射系統由發射機、饋線和發射天線組成；

（2）接收系統由接收天線、饋線和接收機組成。無線電波傳播

在無線通信系統中，無線電波的基本傳播方式為直射、反射、繞射和散射四種，基于無線電波的四種基本傳播方式，無線通信大體上體現出四種傳播效應：陰影效應、遠近效應、多普勒效應和多徑效應。

（1）陰影效應：指由于大型建筑物和其他物體的阻擋，在電波傳播的接收區域中產生傳播半盲區。

（2）遠近效應：指發射機和接收機由于隨機移動性導致到達接收機時信號強弱不同所導致的。

（3）多普勒效應：多普勒效應是指由于用戶處于高速移動(如車載通信)中，信號頻率隨之發生的頻移現象。多普勒效應示意圖如下圖所示。

：（4）多徑效應：指電磁波經不同路徑傳播后，各分量場到達接收端時間不同，按各自相位相互疊加而造成干擾，使原來的信號失真，或者產生錯誤。

3.3射頻微波技術

3.3.1射頻/微波的概念

微波是頻率在300

MHz到3000

GHz之間、波長在1m到0.1mm(空氣中)之間的射頻無線電波，微波在電磁波譜中的位置如圖所示。微波技術：包括信號的產生、調制、功率放大、輻射、接收、低噪聲放大、混頻、解調、檢測、濾波、衰減、移相、開關等各個模塊單元的設計和生產。

微波的性質：

（1）似光性

（2）穿透性

（3）信息性3.3.2無線電頻譜

電磁波的頻譜波段劃分：常用無線通信系統的工作頻率：

調幅(AM)無線電收音機：535～1605kHz。

短波收音機：3～30MHz。

調頻(FM)收音機：88～108MHz。

機場導航設備：108～112MHz。

商業電視

2～4頻道：54～72MHz；

5～6頻道：76～88MHz；

7～13頻道：174～216MHz；

14～83頻道：470～890MHz。

通信衛星

上行：5.925～6.425GHz；

下行：3.70～4.20GHz。

3.3.3頻率、阻抗與功率

3.3.4微波技術的應用

微波技術的經典用途是通信和雷達系統。

雷達系統(RADAR)工作原理

微波通信

微波通信是指用微波頻率作為載波攜帶信息進行通信的方式。

依據的原理就是微波的傳播特性類似于光的傳播，一般進行視距內的傳播。

視距傳播的主要應用：

（1）地面通信

（2）衛星通信

（3）雷達

微波爐

微波加熱原理是基于物質對微波的吸收作用而產生的熱效應。

3.4天線技術

3.4.1天線的分類

(1)按用途分，可分為通信天線、導航天線、廣播電視天線、雷達天線和衛星天線等。

(2)按工作波長分，可分為超長波天線、長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線等。

(3)按輻射元的類型不同，可將天線分為線天線和面天線。

(4)按天線特性不同，又可作如下劃分：

①按方向特性不同，可將天線分為定向天線、全向天線、強方向性天線和弱方向性天線；

②按極化特性不同，可將天線分為線極化(垂直極化和水平極化)天線和圓極化天線；

③按頻帶特性不同，可將天線分為窄頻帶天線、寬頻帶天線和超寬頻帶天線。

(5)按饋電方式不同，可將天線分為對稱天線和非對稱天線。

(6)按天線上的電流不同，可將天線分為行波天線和駐波天線。

(7)按天線外形不同，可將天線分為V形天線、菱形天線、環行天線、螺旋天線、喇叭天線和反射面天線等。

3.4.2天線的主要參數

（1）方向性系數

方向性系數定義為當被研究天線的輻射功率和作為參考的無方向性天線的輻射功率相等時，被研究天線在最大輻射方向上產生的功率通量密度與無方向性天線在同一點處輻射的功率通量密度之比。

（2）天線效率

天線效率定義為天線輻射功率與輸入到天線的總功率之比。

（3）天線增益

天線增益定義為在天線最大輻射方向上的某點，當輻射場強相同時，無方向性天線所需要的輸入功率與所研究的實際天線需要的輸入功率之比。

（4）輸入阻抗

天線輸入阻抗定義為在天線輸入端的高頻電壓與輸入端電流之比。（5）天線的極化

(1)線極化。當電場矢量只是大小隨時間變化而取向不變，其端點的軌跡為一直線時，稱為線極化。線極化波、電場矢量在傳播過程中總是在一個確定的平面內，這個平面就是由電場矢量的振動方向和傳播方向所決定的平面，常稱為極化平面。

(2)圓極化。當電場振幅為常量而電場矢量以角速度ω圍繞傳播方向旋轉時，稱為圓極化。此時，如果在垂直于傳播方向的某一固定平面上觀察電磁波的電場矢量，則其端點隨著時間變化在該平面上畫出的軌跡是一個圓。

3.4.3常用天線

（1）對稱天線

對稱天線可以看成是由一對終端開路的傳輸線兩臂向外張開而得來的，并假設張開前、后的電流分布相似，如圖3-12所示。

（2）單極天線

長度為l的單極天線如圖(a)所示。當地面為無限大的理想導電平面時，垂直接地的單極天線，天線臂與其鏡像構成一對稱振子，如圖(b)所示。

（3）喇叭天線

喇叭天線是波導口逐漸張開而形成的天線，如圖所示，圖中，E為電場強度，a、b分別為矩形波導的寬邊和窄邊尺寸。

（4）拋物面天線

為提高喇叭天線性能，給其增加反射拋物面，構成拋物面天線，如圖所示。

（5）卡塞格倫天線

為減少旋轉拋物面天線中輻射器的遮擋，采用雙反射器，構成卡塞格倫天線。由主反射器、副反射器(或分別稱為主反射面、副反射面)和輻射器三個部分組成，如圖所示。

3.4.4智能天線

智能天線采用空分多址(SDMA)技術，利用信號在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時隙、同地址碼的用戶信號區分開來，可最大限度地利用有限的信道資源。

智能天線的優點：

(1)具有較高的接收靈敏度。

(2)使空分多址系統(SDMA)成為可能。

(3)消除在上、下鏈路中的干擾。

(4)抑制多徑衰落效應。

3.4.5多輸入多輸出技術

在移動通信系統中，若發射與接收都采用多天線系統，則構成了多輸入多輸出系統，簡稱MIMO系統，采用多輸入多輸出系統可以有效抗擊多徑衰落，提高信道容量。多輸入多輸出系統如圖所示。

3.5信道技術

3.5.1無線電波傳播

無線電波是指頻率在幾赫茲至數千吉赫茲范圍內的電磁波。發射天線所輻射的電磁波，在自由空間中到達接收天線的傳播過程，稱為無線電波傳播。3.5.2無線信道

在無線通信中，傳輸信號的信道是無線的。無線電波在無線信道中的傳播可以分為三種情況：

（1）在大氣中傳播

（2）在電離層中傳播

（3）在外層空間傳播

對應三種傳播模式的影響：

（1）大氣衰減

（2）電離層影響

（3）外層空間傳播3.5.3無線信道中的電波傳播

主要討論兩種情況下的電波傳播：地面波和電離層波。

（1）地面波

地面波傳播是指電磁波沿著地球表面傳播的情況。

(1)地面的性質、地貌、地物等情況都會影響地面波的傳播。

(2)地面波沿地球表面附近的空間傳播，地面上有高低不平的障礙物。(3)地面上的障礙物一般不太大，長波、中波和中短波能較好地繞過。短波和微波由于波長過短，繞過障礙物的本領就很差了。

(4)由于障礙物的高度比波長大，因而短波和微波在地面上不能繞射，而是沿直線傳播。

(5)由于水平分量在地面上會引起較大的傳導電流，從而增加功率損失，地面對水平極化波吸收大，因此，地面波多采用垂直極化波，且地面波需要采用垂直于地面的直立天線。

（2）電離層波

電離層波的主要特點：

(1)對頻率的選擇較嚴格。頻率太高，電波將穿透電離層射向太空；頻率太低，電離層吸收太大，不能保證必要的信噪比。

(2)電離層傳播的隨機多徑效應嚴重，多徑時延較大，信道帶寬較窄。因此，它對傳輸信號的帶寬有很大限制。

(3)電離層所能反射的頻率范圍是有限的，一般是短波范圍。由于波段范圍較窄，因此，短波電臺特別擁擠，電臺間的干擾很大。

(4)由于電離層傳播是靠高空電離層的反射進行的，因而受地面的吸收及障礙物的影響較小，傳輸損耗較小，因此，能進行遠距離通信。

(5)電離層通信，特別是短波通信，建立迅速，機動性好，設備簡單。

3.5.4信道特征

信道基本組成如下圖所示，調制信道和編碼信道是通信系統中常用的兩種廣義信道。

（1）調制信道是指圖中從調制器的輸出端到解調器的輸入端的部分。

（2）編碼信道是指圖中從編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分。

常見信道模型

（1）陸地移動通信信道

陸地移動通信信道，是指基站天線和手機天線之間的傳播路徑，如下圖所示。陸地移動通信工作頻段主要在射頻與微波頻段，電波傳播以直射波為主。移動信道是典型的隨參信道。

（2）衛星通信信道

衛星與地面站之間的信號需要經過電離層傳播。

3.6軟件無線電技術

3.6.1硬件無線電概念

硬件無線電，是指無線電設備的功能由硬件結構確定，系統的工作很少有軟件參與，它們在功能上是確定的。例如，手機、收音機、電視機、電話機、傳真機等。3.6.1軟件無線電概念

通信領域的三次革命：

（1）第一次，從固定通信到移動通信；

（2）第二次，從模擬通信到數字通信；

（3）第三次，從硬件無線電到軟件無線電。

1.軟件無線電的定義

最早由美國MITRE公司的JosephMitola首次明確提出

定義：軟件無線電是多頻帶無線電，它具有寬帶的天線、射頻轉換、模/數和數/模變換，能夠支持多個空中接口和協議，在理想狀態下，所有方面(包括物理空中接口)都可以通過軟件定義。2.軟件無線電的含義

軟件無線電提供了一種建立多模式、多頻段、多功能無線設備的有效而且相當經濟的解決方案，可以通過軟件升級實現功能提高。

3.軟件無線電的特點

(1)系統結構通用，功能實現靈活，升級換代方便。

(2)易于實現不同系統間的互操作。

(3)由于通過軟件實現系統的主要功能，因此更易于采用新的信號處理手段，從而提高了系統抗干擾的性能。

(4)擁有較強的跟蹤新技術的能力。

3.6.3軟件無線電系統

軟件無線電系統用軟件控制參數，例如，頻帶、調制、波形、檢測等，不需要對硬件進行修改，就可以改變系統的功能。其結構如下圖所示。

軟件無線電能夠通過軟件控制相當寬的頻率范圍，可以通過下載軟件來為系統增加新的功能。一個實際的軟件無線電系統的基本組成如下圖所示。(1)軟件無線電系統的基本組成包括以下幾個部分：

①天線：發射與接收天線陣列。

②射頻前端。

③變頻部分：本振、上變頻、下變頻。

④濾波器部分。

⑤模數轉換部分：ADC、DAC。

⑥數字信號處理部分。

⑦系統控制部分。

(2)軟件無線電系統接收信號的過程如下：

①天線接收模擬無線電信號。

②信號經過天線耦合器耦合到射頻部分。

③經過下變頻降低頻率。

④模擬信號由ADC經過采樣、量化、編碼，得到數字信號。

⑤數據經數字信號處理，存儲或輸出給信宿。

(3)軟件無線電系統發射信號的過程如下：

①發射信號經數字信號處理，成為需要的數字信號。

②數字信號經DAC轉換成模擬信號。

③經上變頻升高至射頻。

④經天線耦合器耦合至天線。

⑤經天線發射出去。

3.6.4軟件無線電的關鍵技術

1.射頻/微波技術

射頻/微波技術包括信號的產生、調制、功率放大、輻射、接收、低噪聲放大、混頻、解調、檢測、濾波、衰減、移相、開關等各個模塊單元的設計和生產。

2.智能天線技術

智能天線是一種天線陣列系統，它通過智能算法來合并天線陣因子的信號，以自動適應不同的信號環境。

3.多輸入多輸出技術

多輸入多輸出系統，就是在發射端與接收端都使用多個天線。采用多輸入多輸出技術，還可以有效提高信道容量。

4.采樣技術

在軟件無線電中，模/數變換器(ADC)的性能將直接影響系統的性能。A/D變換分為三步：采樣、量化和編碼。5.調制解調技術

在發射端，調制的目的是把要傳輸的模擬信號或數字信號變換成適合在信道傳輸的信號，該信號稱為已調信號。

在接收端，需要將接收到的已調信號，還原成系統所傳輸的原始信號，該過程稱為解調。

6.數字信號處理技術

軟件無線電對信號處理的要求包括以下幾點：

(1)能夠執行大量的乘累加運算。

(2)具有某些特定模式。

(3)大部分處理時間用于執行相對小循環的操作上。

(4)具有高速的數據吞吐能力。

(5)信號處理數值范圍較寬。

7.軟件設計技術

(1)軟件無線電的軟件設計包括：

①軟件的功能。

②軟件與硬件之間的關系。

③軟件的體系結構。

(2)軟件無線電的軟件應該具有以下特點：

①具有良好的開放性。

②采用模塊化結構。

③具有可重用性。

8.信息安全技術

信息安全需要研究的領域包括：信息的保密性，信息的完整性，信息的可用性，信息的真實性，信息的可控性等。9.同步技術

所謂同步，是指收發雙方在時間上步調一致，又稱為定時。同步技術是數字通信系統的關鍵技術之一。

在數字通信系統中，按照同步技術的功用不同，可以分為：載波同步、位同步、群同步、網同步。

10.電磁兼容技術

3.8節詳細闡述3.6.5軟件無線電的應用

軟件無線電典型的應用項目是美軍的易通話(SpeakEasy)計劃。易通話計劃是美軍的軍用軟件無線電通信電臺開發計劃。為解決多兵種之間的互通，主要開發面向未來軍事需求的、具備多媒體網絡操作的無線電系統結構與技術

3.7認知無線電技術

3.7.1無線電的概念

無線通信中的基本矛盾是：日益增長的用戶需求和日漸緊張的頻譜資源之間的矛盾越來越突出。

認知無線電(CognitiveRadio，CR)就是利用頻譜空洞提高頻譜利用率的軟件無線電，是智能化的軟件無線電。

認知無線電是一種非常新穎的無線通信理念，它在提高無線頻譜利用率的基礎上，提出了全新的思路，必將引起未來通信技術的重大變革。認知概念

所謂認知，是指介于輸入激勵和輸出響應之間的智能狀態和處理過程。也就是說，采用學習、理解、綜合等方式探索事物的一般性原理。

為了能夠根據新的環境作出調整，無線電系統必須能夠學習。圖為基本的機器學習體系結構。在這個基本的機器學習體系結構中，機器的學習過程如下：

(1)機器學習系統通過傳感器、外部參數輸入等方式對環境進行感知。

(2)從感知結果得出結論，并對這些行為結果進行預測。

(3)預測行為對環境造成的影響和變化。

(4)學習組件接收這些變化，并與期望變化進行對比。

(5)若實際變化與期望變化相同或接近，則基于實際變化與期望變化的接近程度，系統進一步加強促成該結果的參數。

(6)若實際變化與期望變化不符，則學習系統就會改變決策過程的參數，使其更符合實際結果。

3.7.2認知無線電的關鍵技術

認知無線電具有兩個重要能力：

（1）認知能力，即感知環境信息的能力；

認知能力是一項相當復雜的技術，它可以獲得無線環境在空間以及時間域上的變化情況。認知能力具有以下作用：

確定特定的時間和空間頻譜中未被使用的部分。

(2)根據上述信息，選擇最好的頻段與合適的傳輸參數，以不干擾授權用戶。

(3)若這個頻段有授權用戶，則離開這個頻段，或者改變發射功率、調制方式等參數，以保證不干擾授權用戶。

（2）可重配置能力，即自適應動態無線環境的能力。

可重配置能力，使得無線系統可以方便地配置工作頻率、調制方式、發射功率、通信協議等傳輸參數。3.7.3認知無線電的應用

（1）無線區域網絡（WRAN）是最早利用認知無線電技術的無線通信系統。

（2）在低功耗多跳AdHoc網絡中的應用

（3）應用于UWB

（4）在WLAN中的應用

（5）在多入多出（MIMO）系統中的應用

（6）在網狀（Mesh）網中的應用

（7）在軍事領域的應用

3.8電磁兼容

3.8.1電磁兼容的發展

（1）電磁兼容是通過控制電磁干擾來實現的，電磁干擾是人們早就發現的電磁現象，

（2）20世紀70年代以來，電磁兼容技術逐漸成為非常活躍的學科領域之一。

（3）20世紀80年代，電磁兼容的研究和應用達到了很高的水平，建立了相應的電磁兼容標準和規范。

（4）現在，電磁兼容技術成為一門迅速發展的交叉學科，涉及電子、計算機、通信、航空航天、電力、軍事以至人們生活的各個方面。3.8.2電磁兼容的主要術語

(1)電磁干擾(ElectroMagneticInterference，EMI)。所謂電磁干擾，是指電磁能量對電流回路、儀器、系統或生命組織造成的影響。

(2)電磁敏感度(ElectroMagneticSusceptibility，EMS)。電磁敏感度是指在存在電磁干擾的情況下，裝置、設備或系統性能下降的容易程度。

(3)電磁兼容性(EMC)。電磁兼容性是指設備或系統在電磁環境中符合要求運行并不對環境中的任何設備產生無法忍受的電磁干擾的能力。

(4)電磁環境(ElectroMagneticEnvironment，EME)。電磁環境是存在于給定場所的所有電磁現象的總和。

3.8.3認知無線電中的電磁兼容問題

在認知無線電中，認知用戶需要檢測頻譜空洞，在不干擾授權用戶的條件下進行無線通信。

認知無線電中的電磁兼容問題，就是認知用戶與授權用戶的共存問題。2005年，IEEE成立了IEEE1900標準組，進行與下一代無線通信技術和高級頻譜管理技術相關的電磁兼容研究。

(1)IEEE1900.1：用于澄清術語，弄清各個技術之間的關系，提供對技術的準確定義和對關鍵技術的解釋。

(2)IEEE1900.2：為干擾與共存分析提供操作規程建議，提供分析各種無線服務共存和相互干擾的技術指導方針。

(3)IEEE1900.3：為軟件無線電的軟件模塊提供一致性評估的操作規程建議，提供分析軟件定義無線電的軟件模型。

(4)IEEE1900.4：為動態頻譜接入的無線系統提供實際應用和可靠性驗證，評估可調整性能。

3.8.4電磁輻射

所謂的電磁輻射就是能量以電磁波的形式從輻射源發射到空間的現象。對人們生活環境有影響的電磁污染主要有以下兩種：

（1）天然電磁輻射

大自然中的如雷、電一類的電磁