无线电监测设备发展趋势

无线电监测设备发展趋势无线电产生发展趋势无线电技术溯源理论研究与工程实践人类对无线电技术的探索——人物线索亨利希.赫兹德国1857——1894詹姆斯.克拉克.麦克斯韦英国1831——18791873年出版了科学名著《电磁学通论》（《电磁理论》）。系统、全面、完美地阐述了电磁场理论。麦克斯韦的《电磁学通论》发表时，赫兹只有16岁。1886年（麦克斯韦逝世7年后），赫兹发明电波环，于1888年发现了人们怀疑和期待已久的电磁波。实验公布后，曾轰动了全世界的科学界，……，……麦克斯韦方程组在电磁学中的地位，如同牛顿运动定律在力学中的地位。由四个方程组成：描述电荷如何产生电场的高斯定律、论述磁单极子不存在的高斯磁定律、描述电流和时变电场怎样产生磁场的麦克斯韦-安培定律、描述时变磁场如何产生电场的法拉第感应定律。无线电技术溯源工程实践飘渺成为现实·阿•斯•波波夫俄罗斯1859—19061895.5.7彼得堡俄国物理化学会的物理分会上，宣读了论文《金属屑同电振荡的关系》，并且表演了他发明的无线电接收机。表演结束后，波波夫充满信心地说：“最后，我敢于表示这样一个希望，我的仪器在进一步改良以后，就能够凭借迅速的电振荡进行长距离通信”。伽利尔摩·马可尼意大利1874-19371896.6.2取得英国第12039号发明无线电的专利证，距今116年。1901年他发射的无线电信息成功地穿越大西洋，从英格兰传到加拿大的纽芬兰省。1909年共和国号汽船碰撞遭到毁坏而沉入海底，无线电信息起了作用，除六个人外所有的人员全部得救。同年马可尼因其发明而获得诺贝尔奖。翌年他发射的无线电信息成功地穿越6000英里，从爱尔兰传到阿根廷。无线电技术溯源理论研究与工程实践最早的无线电接收装置——实用化接收机波波夫的无线电接收装置——第一台无线电接收机马可尼发明的无线电装置——火花发射机及抛物线定向天线。无线电技术溯源理论研究与工程实践最早的无线电接收装置——实用化接收机无线电技术溯源发明的争论——到底是谁发明了无线电英国把麦克斯韦奉为无线电的开创人，认为他最先指出电磁波的存在。美国认为德福雷斯特是无线电之父，因为他发明了三极管，而三极管是无线电通信器材的心脏。俄国只承认波波夫是无线电通信的创始人。德国认为赫兹才是无线电的开创者，因为他最早证明了电磁波的存在。电磁波的振动频率的单位，就是以他的姓命名的。西方观点在西方科学家的眼中，意大利人马可尼是无线电通信的发明人，他因此获得诺贝尔物理奖。可以这么认为，无线电的发明是众多科学家共同研究的成果，也是人类历史发展的必然产物。无线电技术溯源理论研究与工程实践发明的争论——到底是谁发明了无线电波波夫对无线电通信的杰出贡献，他发现了天线的作用。在一次实验中，波波夫发现金属屑检波器的灵敏度异常地高。接收电磁波的距离比起平时有明显的增加。他没放过这个异常现象，仔细地观察了周围环境，也没发现什么变化。找了很多原因，但都-一排除了。他感到很奇怪，再试一次，灵敏度还是异常的高。忽然，他瞥见有一根导线搭在检波器上。很明显，这根导线增加了检波器的接收能力，增加了灵敏度。波波夫真是喜出望外，提高机器的灵敏度，增加传收距离的愿望竟在这无意中达到了。他使用的这根导线是世界上的第一根天线。马可尼把一只煤油桶展开，变成一块大铁板，作为发射的天线。把接收机的天线高挂在一棵大树上，用以增加接收的灵敏度。他还改进了洛奇的金属粉末检波器，在玻璃管中加入少量的银粉，与镍粉混合，再把玻璃管中的空气排除掉。发射方增大了功率，接收方也增加了灵敏度。这次实验的距离达到2．7公里。当时所有信息都是利用莫尔斯电码的虚线系统发射的。当时就已经知道声音也可以用无线电传播，但是这大约在1915年才得以实现，用于商业的无线电广播在30年代初期才刚刚开始，但是它的普及和意义随后则迅速地增长。即调制(广义编码)是无线电技术发展的关键性瓶颈，至今仍是如此。无线电技术发展理论研究与工程实践——火花无线电技术应用的启蒙时代火花发报机马可尼和自己的收发报机无线电技术发展理论研究与工程实践——真空管（电子管）诞生无线电技术正式进入有源时代在此之前1904年，英国伦敦大学的弗莱明发明了真空二极管（VacuumDiodeTube）。真空二极管只能单向导电，可以对交流电流进行整流，或者对信号进行检波，但是它不能对信号进行放大。1906年10月25日，美国科学家德·福雷斯特申请了真空三极管放大器的专利，第二天又向美国电气工程师协会提交了关于三级管放大器的论文。他的专利于1907年1月15日被批准。福雷斯特在玻璃管内添加了一种栅栏式的金属网，形成电子管的第三个极。他惊讶地看到，这个“栅极”仿佛就像百叶窗，能控制阴极与屏极之间的电子流；只要栅极有微弱电流通过，就可在屏极上获得较大的电流，而且波形与栅极电流完全一致。也就是说，在弗莱明的真空二极管中增加了一个电极，就成了能够起放大作用的新器件，他把这个新器件命名为三极管（Triode）。无线电技术发展理论研究与工程实践——超外差技术诞生接收机基本程式形成E.H.EdwinHowardArmstrong阿姆斯特朗美国超外差接收电路的发明人。1912年发明超外差接收电路，并组装成功第一台超外差接收机。1913年利用三极管发明了再生放大电路。1928～1933年又发明宽带调频体制，1933年取得调频专利。他一生受过不少奖励，日内瓦国际电信联盟的先哲祠中被列为世界20位大科学家之一。无线电技术发展理论研究与工程实践现代信息理论形成—对无线电技术发展影响漫长且深远克劳德•艾尔伍德•香农ClaudeElwoodShannon美国1916—2001数学家信息论创始人。香农最初的动机是把电话中的噪音除掉，他给出通信速率的上限，这个结论首先用在电话上，后来用到光纤，现在又用在无线通信上。1948年香农长达数十页的论文《通信的数学理论》成了信息论正式诞生的里程碑。在他的通信数学模型中，清楚地提出信息的度量问题，他把哈特利的公式扩大到概率pi不同的情况，得到了著名的计算信息熵H的公式：H=∑-pilogpi如果计算中的对数log是以2为底的，那么计算出来的信息熵就以比特(bit)为单位。今天在计算机和通信中广泛使用的字节(Byte)、KB、MB、GB等词都是从比特演化而来。“比特”的出现标志着人类知道了如何计量信息量。香农的信息论为明确什么是信息量概念作出决定性的贡献。香农在进行信息的定量计算的时候，明确地把信息量定义为随机不定性程度的减少。这就表明了他对信息的理解：信息是用来减少随机不定性的东西。或香农逆定义：信息是确定性的增加。无线电技术发展理论研究与工程实践晶体管诞生(及集成电路特别是超大规模集成电路)奠定了现代无线电技术的基础物理平台。1947年12月16日：威廉·邵克雷(WilliamShockley)、约翰·巴顿(JohnBardeen)和沃特·布拉顿(WalterBrattain)成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管。1954年10月18日：第一台晶体管收音机RegencyTR1投入市场，仅包含4只锗晶体管。1961年4月25日：第一个集成电路专利被授予罗伯特·诺伊斯(RobertNoyce)。最初的晶体管对收音机和电话而言已经足够，但是新的电子设备要求规格更小的晶体管，即集成电路。1965年：摩尔定律诞生。当时，戈登·摩尔(GordonMoore)预测，未来一个芯片上的晶体管数量大约每年翻一倍(10年后修正为每两年)，摩尔定律在ElectronicsMagazine杂志一篇文章中公布。无线电技术发展理论研究与工程实践数字信号处理器(DSP)—无线电技术开始全面数字化进程1982年第一片数字信号处理器TMS320ClO产生以来，DSP的发展大致经历了四个阶段，也形成了目前DSP的四代产品。数字信号处理是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术。数字信号处理与模拟信号处理是信号处理的子集。数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信号进行测量或滤波。因此在进行数字信号处理之前需要将信号从模拟域转换到数字域，这通常通过模数转换器实现。而数字信号处理的输出经常也要变换到模拟域，这是通过数模转换器实现的。最近几年推出了性能更高的第四代处理器，包括并行处理结构DSP和超高性能DSP。无线电技术发展理论研究与工程实践软件无线电———广泛应用成为当今无线电设备发展总趋势20世纪70--80年代，无线电由模拟向数字全面发展，从无编程向可编程发展，由少可编程向中等可编程发展。美军统一其战术通信系统的动机及实践，开发出了美国陆军的战术通信系统JTRS（JointTacticalRadioSystem）及空军的SPEAKeasy。并由此发展出了软件无线电的概念：一部无线通信机，其通信功能由软件来实现。同样的硬件，输入不同的软件，就具有不同的通信功能，这样就可以使不同单位的不同制式的通信机可以互通。无线电技术发展理论研究与工程实践伪直接序列扩频技术广泛应用——将成为“现代无线电环境”的基础环境扩频技术(SpreadSpectrum,SS)的历史可以追溯到20世纪50年代中期，但是直到80年代初，扩频技术仍然主要应用在军事通信和保密通信中。随着个人通信业务的发展以及全球定位系统的应用，截止上世纪90年代末，使用扩频技术的用户已经超过数亿（含个人移动业务）。经过多年的稳步发展，俨然是21世纪中最有发展潜力的领域。扩频技术在“未来无线系统”中的应用也再次成为人们关注的重点。扩频技术跳频技术伪直接序列扩频技术模拟跳频数字跳频低速中速高速最初倾向窄带——精确尖锐调谐——设法提高谱密度(功率)压缩减少无效带宽。多路复用——载波副载波复用。无线电技术发展理论研究与工程实践幸运亦挑战1895发射无线电波1906有源电路诞生1912超外差接收机1948现代信息理论1954晶体管接收机当代新型移动互联网1931无线电广播1982DSPAM调幅FM调频FSKMSK跳频扩频直放式(再生式)超外差软件无线电201270年代末蜂窝电话90年代中期个人通信普及90年代中后期无线电技术全面数字化1914年8月—1918年11月1939年9月1日—1945年9月无线电技术发展三大历史问题设备——小型化、袖珍（微型）化天线——小型化、高效化电源——小型化、可重复使用、大容量三个新课题设备——突破制式、程式限制带宽——多宽的带宽合适频谱——提高频谱利用率哈里斯HARRIS猎鹰IIIAN/PRC-152当前无线电监测技术现状无线电技术发展•软件接收机（测量设备）已成为主流•中频宽带化、扫描高速化•机(接收机)／仪(频谱仪、扫频仪)功能界限呈现“模糊”趋势•网络化并引入中／大型数据库当前无线电电磁环境•“现代无线电环境”——新概念•高频能及工业应用向日常生活扩展•各频段普遍存在拥挤状态、各种边界问题凸显•制式、体制、程式交叉并存•辐射岛现象在发达城市呈现突出或加剧现象——我国城市尤为突出•传统测向定位体制已发展到极限——重大技术瓶颈重要前提——与无线电波辐射生成、传播、接收相关的大部分物理机理业已明确无线电监测技术发展趋势软件无线电——成为当前唯一实用且可行的技术路径无线电监测技术发展趋势目前已经显现的监测技术(系统)发展趋势•小型化——继续持续并趋向更完善、彻底的无人化。•傻瓜化——更趋向于利用已明确的经验模型提供现场专家支持。•综合化——更趋向于设备多功能化。•抵近化——更趋向在空间和距离上靠近预定区域(如“辐射岛“)。•更趋向利用(解析)电波传播及辐射源的分布关系——更为广泛利用取得的电波传播研究成果并与计算机及其算法成果结合。•后台(基地)支撑化——更趋向专门的算法、方式处理海量的现场数据(信息)。N无线电监测技术发展趋势(分布关系1)传统测向定位体制发展空间已接近极限。传统体制响应速度难以满足更高的要求。背景宽带技术的应用及同频中继等新技术的出现…….无线电监测技术发展趋势(分布关系2)已实用化的新体制简介到达时间差体制(TDOA)•测量同一来波的调制信号分别到达