无线通信基础知识

第二章无线通信基础知识从广义上讲，将信息从一地传送到另一地均可称为通信，能实现信息传递的系统称为通信系统。现代通信中根据传送信息的媒介不同，可以分为有线通信和无线通信，有线通信是利用导线（如电缆、光缆等）来传递信息，无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，无线通信在使用中又分为两种：一种是固定点与固定点进行通信的固定无线电通信，另外一种是固定点与移动体或移动体与移动体之间进行联系的移动无线通信，简称移动通信。近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。无线通信系统中按照关键部分的不同特性，有不同的分类：按照工作频段或传输手段分类，有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和卫星通信等。所谓工作频率，主要指发射与接收的射频（RF）频率。射频实际上就是“高频”的广义语，它是指适合无线电发射和传播的频率。按照通信方式来分类，主要有双工、半双工和单工方式。按照调制方式的不同来划分，有调幅、调频、调相以及混合调制等。按照传送的消息的类型分类，有模拟通信和数字通信，也可以分为话音通信、图像通信、数据通信和多媒体通信等。无线通信系统组成1.发送设备（1）信息源：提供需要传送的信息。（2）变换器（换能器）：将被发送的信息变换为电信号。例如话筒将声音变为电信号。（3）发射机：将换能器输出的电信号变为足够强度的高频振荡。（4）发射天线：将高频振荡变成电磁波向传输媒质辐射。2．接收设备（1）接收天线：将空间传播到其上的电磁波变换成高频电信号。（2）接收机：将高频电信号放大、变换成较低频率的电信号。（3）变换器（换能器）：将电信号变换成所传送信息。（4）受信人：信息的最终接受者。3．传输媒体无线通信的传播媒体是无线电波，不同频段无线电波信号的产生、放大和接收的方法不同，传播的能力和方式也不同。在自由空间中，波长与频率存在以下关系：c=fλ。其中c为光速，f和λ分别为无线电波的频率和波长。第一节发射机和接收机的结构与工作过程一、发射机在无线通信中，发射机的作用是产生一个功率足够大的高频振荡送给发射天线，通过天线转换成空间电磁波传送到接收端。如图2-2所示，主要有音频放大器（话音处理电路）、调制、变频器、高频功率放大器等组成。（一）各部分功能典型的移动通信电台组成图代移动通信电台的组成（二）对无线电发射机的主要技术要求1.要有一定的工作波段和足够的频率准确度和稳定度2.要有足够的功率输出3.调制性能要好调制是发射机的主要工作部分，因此，调制性能的好坏，对发射机至关重要。发射机的调制性能包括：调制灵敏度、调制频率特性和调制线性等。调制性能好，就意味着发射机传送信号的信号噪声比提高，频率特性改善，非线性失真减小。4.要尽量减小寄生辐射发射机中产生的谐波分量如果通过天线辐射出去，将对其它电台产生有害的干扰，因此必须将谐波辐射抑制到一定程度，从而减小干扰。（三）无线电发射机的工作过程由送筒来的音频信号，经音频放大器放大、话音处理后，与载波振荡信号一起在调制器中进行调制(调频)，产生已调信号(调频波)。由于其频率还不够高，再经上变频器将已调信号的频率提到规定的波段，而后进行激励放大、功率放大，最后将具有额定功率的高频已调信号电流经天线开关送到天线，由天线把它变换为电磁波向空间辐射出去。发射机由三部分组成：低频部分：声音的变换与放大。这部分的频率较低，叫“低频部分”。高频部分：高频振荡的产生、调制、功率放大。这部分的频率较高，统称“高频部分”。直流电源：包括电池或稳压电源。二、接收机接收无线电信号的设备叫做无线电接收机，接收机从空间中接收到微弱信号，通过射频滤波器从众多的电波中选出有用信号，并经过高频放大、混频、中频放大到解调器所要求的电平值后，再由解调器解调，还原话音信号，其结构如图所示2-2。（一）对无线电接收机的主要技术要求1．应工作于规定的波段和采用适当的解调方式，并应根据系统设计与实际情况决定。2．应具有高的接收灵敏度。3．应有好的选择性。4．应有好的保真度。5．应有高的工作稳定度。（二）无线电接收机的工作过程无线电接收机的工作过程正好与发射机工作过程相反，它的任务是将天线接收下来的高频电信号，经变换与放大，还原为原来的音频信号。移动通信电台接收机基本上都采用二次变频的超外差式接收机，其组成如图2-4所示881MHz二次混频超外差接收机方框图一个超外差式接收机应包括下列几部分：1．高频放大部分，包括高频放大器、中频放大器、以及相应的选择性电路；2．变频器，包括混频器与本机振荡器；3．解调器，对调幅信号用检波器，对调频信号用鉴频器；4．低频放大器；5．直流电源，包括电池或稳压电源。第五节锁相环频率合成器移动通信电台中，发射机的主振信号和接收机的本振信号，都需要高频振荡频率源。对频率源的要求是：(1)频率准确度和稳定度高，以确保通信质量；(2)改换频率方便，适应多信道工作。一、频率合成器的主要技术指标（一）工作频率范围（二）频率间隔（频率分辨率）（三）频率转换时间（越小越好）（四）频率稳定度与准确度（五）频谱纯度二、锁相环（PLL）基本原理锁相环PLL是一个相位反馈控制系统。它由鉴相器PD、环路滤波器LF和压控振荡器VCO三个基本部件组成。三、锁相环频率合成器第六节调制一、调制的概念无线通信的主要任务是利用电磁波来传送诸如语言言、音乐、图像等基带信号。由无线通信理论可知，当天线的几何尺寸和要传递的电信号的波长相近时，电信号才能有效地从天线从以电磁波的形式辐射出去。以语音信号为例，语音信号变换为电信号后其频率范围从几十赫到几千赫，一般将300Hz到3000Hz的频率发送出去即可取得较满意的话音传输效果，但300Hz到3000Hz电信号所对应的波长为1000km-100km，要建立起这样长的天线系统显然是不能的。要解决上述问题，就要采取调制的方法。用所要传送的基带信号控制高频振荡信号的某一个参数（如幅度、频率或相位），即把基带信号“附加”到高频振荡上，使基带信号变换为适合传输的高频带通信号，这一过程就是调制，通常将高频振荡信号称为载波，加载了基带信号的高频带通信号称为已调波信号。第七节解调调制是将要传送的信息“装载”到载波上去的过程，解调则是从已调波上取下传送的信息的过程。调幅波的解调通常称做振幅检波，简称检波，完成检波作用的电路称为检波器；调频波的解调通常称作频率检波，简称鉴频，完成鉴频作用的电路称为鉴频器。从频谱关系上来看，调制过程是一个频率变换过程，已调波由载波分量和反映调制信号的上下边带分量所组成，同样解调也是一个频率变换过程，输入的是已调波，而输出只是原低频调制信号。第八节无线电波的传播一、无线电波段的划分在真空中的传播速度都是C，与频率（周期）、波长的关系如下：λ=C*T=C/f(2-106)这是电磁波的一个基本关系式。知道了频率，利用上述公式就可以计算出波长λ。无线电波按波长不同又分为长波、中波、短波、超短波、微波等波段，各有不同用途：广播电台使用的频率在中波波段；电视台使用的频率在超短波段；用来测定物体位置的雷达、无线电导航等使用的频率在微波段。表2-4无线电波的波段划分二、无线电波传播的基本知识1、无线电波在均匀媒质中是以恒定的速度沿直线传播的。无线电波在空气中的传播速度比真空略小，但仍可近似为3×l08m/s。2、无线电波在不均匀媒质中传播时，除了传播速度要发生变化外，还会引起反射，折射、绕射以及散射等现象，使传播方向改变。3、无线电波在传播过程中，由于能量的扩散和媒质的吸收，电波的能量将逐渐臧小，场强将逐渐减弱。三、无线电波传播的主要方式1.地波传播沿大地与空气的分界面传播的电波，叫地面波或表面波，简称地波.2.天波传播天波是指由天线向高空辐射的电磁波受到天空电离层反射或折射后返回地面的无线电波。3.空间波传播由发射天线直接到达接收点的电波，被称为直射波，有一部分电波是通过地面或其他障碍物反射到达接收点的，被称为反射波。直射波和反射波合称为空间波。主要用于微波中继、通信蜂窝通信、电视、雷达、卫星通信与广播(一般30MHz)。4.散射波传播当大气层或电离层出现不均匀水汽、尘埃、电子密度不均匀等团块时，无线电波有可能被这些不均匀媒质向四面八方反射，使一部分能量到达接收点，这就是散射波。第九节噪声和干扰一、噪声噪声是一种随机信号，其频谱分布于整个无线电工作频率范围，因此它是影响各类收信机性能的主要因素之一。一般可分为：①内部噪声；②自然噪声；③人为噪声。二、干扰在无线电通信网中，由于众多电台之间的相互作用，相互影响，可产生互调干扰、阻塞干扰、邻道干扰和同频干扰，其中互调干扰、阻塞干扰和同频干扰对通信网影响较严重，应格外注意。（一）互调干扰1.互调干扰的概念互调干扰的基本原因是由于部件的非线性引起的，由于多个信号加至非线性器件上产生大量组合频率，与有用信号频率相近的组合频率(互调产物)，对系统造成干扰就是互调干扰。（二）邻道干扰（1）邻道干扰概念所谓邻道干扰是相邻的或邻近频道的信号相互干扰。（二）邻道干扰（1）邻道干扰概念所谓邻道干扰是相邻的或邻近频道的信号相互干扰。无线通信系统广泛使用的VHF、UHF电台，频道间隔是25kHz。（三）同频干扰1．同频干扰概念由与有用信号载率相同的非需要信号所造成的干扰称为同频干扰，也有称同信道干扰或共道干扰的。（四）阻塞干扰当接收机接收频段附近有强信号干扰时，干扰信号就会由于接收机选择回路选择性不佳而进入接收机，经高、中放电路，致使直流工作点变化，产生饱和现象，导致射频增益下降，接收机灵敏度降低，最终形成所谓的阻塞干扰。阻塞干扰的形成的原因主要是由于接收机处在大功率发射台附近，而接收机的选择性又不好所致。（五）网络间的干扰在同一区域内，往往存在着隶属于不同系统的许多通信网，每个网络自成体系。这些网络之间的相互影响就形成了网间干扰。第十节天线无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。发射天线的作用是将发射机输出的高频电流能量（或导波能量）转换成电磁波能量辐射到空间去；接收天线的作用是将空间传来电波信号转换成高频电流能量或导波能量）送给接收机。天线是将高频电流能量和电磁波能量作可逆转换的设备，是一种“换能器”，收、发天线具有互易性。为了能良好地实现上述目的，要求天线①具有一定的方向特性（定向接收或辐射）；②较高的转换效率；③能满足系统正常工作的频带宽度；④满足匹配条件；⑤产生有效的辐射或接收即应该是一个开放系统（如平行双线、同轴线是保守系统，对称振子是开放系统。)把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统。馈线的形式随频率的不同而分为双导线传输线、同轴线传输线、波导或微带线等。由于馈线系统和天线的联系十分紧密，有时把天线和馈线系统看成是一个部件，统称为天线馈线系统，简称天馈系统。八、铁路移动通信天线（一）铁路移动通信天线要求铁道行业标准TB/T1875－87《列车无线电通信天线类型、基本参数及测量方法》对铁路列车无线通信天线作出具体的要求。1．一般结构要求2．使用要求（二）铁路无线通信天线的类型列车无线调度通信系统使用的天线分固定电台天线，机车电台天线、便携式电台天线和隧道传输用天线等。（1）固定电台天线①对称振子天线②引向天线目前该类型的天线在车站台上下行线路覆盖、隧道口中继收发和地铁环境应用比较多，引向天线在水平面内、垂直面内，方向性均好，可抑制水平面内无用方向和垂直面内高仰角的辐射。（2）机车电台天线机车台天线有加顶圆盘天线、加罩加顶垂直折合天线、加感垂直接地振子天线以及多频段机车天线。加顶圆盘天线、