第1章

移動(dòng)通信概述

1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)概述

1.1.1 概述

利用電磁波的輻射和傳播，經(jīng)過(guò)空間傳送信息的通信方式稱(chēng)為無(wú)線電通信（Radio Communication），也稱(chēng)為無(wú)線通信。利用無(wú)線通信可以傳送電報(bào)、電話、傳真、數(shù)據(jù)、圖像，以及廣播和電視節(jié)目等通信業(yè)務(wù)。

1.1.2 無(wú)線通信的頻率和波段

1895年意大利的G.馬可尼（Guglielmo Marconi）利用電火花產(chǎn)生的電磁波，先后在9m、975m和3000m的地方收到電報(bào)信號(hào)（差不多同時(shí)，俄國(guó)的A.C.波波夫也進(jìn)行了電磁波傳送電報(bào)信號(hào)的實(shí)驗(yàn)），從此開(kāi)辟了無(wú)線通信的先河。無(wú)線通信初創(chuàng)時(shí)期使用的頻率較低，頻率范圍較窄，波段主要限于長(zhǎng)波和中波。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，使用的頻率范圍逐步擴(kuò)大。目前無(wú)線通信使用的頻率從超長(zhǎng)波波段到亞毫米波段（包括亞毫米波以下），以至光波。無(wú)線通信使用的電磁波的頻率范圍和波段見(jiàn)表1-1。

表1-1 無(wú)線通信使用的電磁波的頻率范圍和波段

由于種種原因，在歐、美、日等一些西方國(guó)家常常把部分微波波段分為L(zhǎng)、S、C、X、Ku、K、Ka等波段（或稱(chēng)子波段），具體如表1-2所示。

表1-2 無(wú)線通信中使用的部分微波波段的名稱(chēng)

1.1.3 無(wú)線通信與地球大氣層的關(guān)系

無(wú)線通信中的電磁波傳播會(huì)涉及地球大氣層，這里主要介紹一下地球大氣層的相關(guān)知識(shí)。

地球大氣層的結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。地球大氣層中最低的一層是對(duì)流層，其厚度平均為10～20km，由于其貼近地球表面，大氣的溫度隨著高度增加而下降，空氣對(duì)流十分頻繁。所謂“對(duì)流”的稱(chēng)謂就是基于“空氣對(duì)流劇烈”而確定的。對(duì)流層的平均高度隨地域變化而有所差異，溫帶地區(qū)為10～12km，赤道附近為16～18km。在對(duì)流層集中了大氣中90%以上的水汽和3/4以上的大氣質(zhì)量。

在對(duì)流層的上面一層是平流層，又稱(chēng)同溫層，距地面約20～40km。在平流層上面是電離層。

電離層是地球大氣層的一部分。處于這種高度的大氣，其對(duì)流作用甚小，在太陽(yáng)的輻射作用及宇宙射線的影響下產(chǎn)生電離，形成相當(dāng)多的離子和自由電子。按離地球表面的高度，電離層依次分為D層、E層、F1層和F2層等四層，如圖1-2所示。在白天，這四層電離層均存在；在晚上，D層消失，F(xiàn)1層和F2層合并為一層（這時(shí)仍稱(chēng)為F2層）。

1.1.4 無(wú)線通信的電磁波傳播

無(wú)線通信中的電磁波按照其波長(zhǎng)的不同具有不同的傳播特點(diǎn)，下面按波長(zhǎng)分述如下。

1.極長(zhǎng)波傳播

極長(zhǎng)波是指波長(zhǎng)為10000～100000km（頻率為3～30Hz）的電磁波。理論研究表明，這一波段的電磁波沿陸地表面和海水中傳播的衰耗極小。

2.超長(zhǎng)波傳播

超長(zhǎng)波是指波長(zhǎng)為1000～10000km（頻率為30～300Hz）的電磁波。這一波段的電磁波傳播十分穩(wěn)定，在海水中衰耗很?。l率為75Hz時(shí)衰耗系數(shù)為0.3dB/m），對(duì)海水穿透能力很強(qiáng)，可深達(dá)100m以上。

3.甚長(zhǎng)波傳播

甚長(zhǎng)波是指波長(zhǎng)10～100km（頻率為3～30kHz）的電磁波。無(wú)線通信中使用的甚長(zhǎng)波的頻率為10～30kHz，該波段的電磁波可在大地與低層的電離層間形成的波導(dǎo)中進(jìn)行傳播，距離可達(dá)數(shù)千km乃至覆蓋全球。

4.長(zhǎng)波傳播

長(zhǎng)波是指波長(zhǎng)1～10km（頻率為30～300kHz）的電磁波。其可沿地球表面?zhèn)鞑ィǖ夭ǎ┖涂侩婋x層反射傳播（天波）。天波雖然可由電離層反射傳播較遠(yuǎn)，但電離層對(duì)其吸收較強(qiáng)，且由于低層電離層參數(shù)變化大，極不穩(wěn)定，衰落嚴(yán)重。地波傳播主要與大地的導(dǎo)電率有關(guān)，傳播較為穩(wěn)定，在陸地一般傳播距離為幾十到幾百公里。當(dāng)天波、地波同時(shí)存在時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相互干涉，也會(huì)形成衰落。當(dāng)?shù)夭ㄔ诤Ｃ嫔蟼鞑r(shí)，由于海水電導(dǎo)率高，因而電磁波衰耗較小，傳播距離比陸地要遠(yuǎn)得多，可達(dá)數(shù)百乃至數(shù)千公里。該波段的低端（30～60kHz）的電磁波能穿透一定深度的海水，可用于對(duì)潛艇通信。

5.中波傳播

中波是指波長(zhǎng)100～1000m（頻率為300～3000kHz）的電磁波。中波可沿地球表面?zhèn)鞑ィǖ夭ǎ┖涂侩婋x層反射傳播（天波）。中波沿地球表面?zhèn)鞑r(shí)，受地球表面的吸收比長(zhǎng)波嚴(yán)重。中波的天波傳播與晝夜變化有關(guān)。在白天，電離層的D層對(duì)中波吸收較為嚴(yán)重，中波難以天波的形式傳播，只能靠地波傳播。在夜間，電離層的D層消失，E層電子密度下降，高度上升，對(duì)中波的吸收減小，因而中波可由電離層的E層反射。在夜間，中波除靠地波傳播之外，還靠天波傳播。

6.短波傳播

短波是指波長(zhǎng)為10～100m（頻率為3～30MHz）的電磁波。短波可沿地球表面?zhèn)鞑ィǖ夭ǎ?，沿空間以直接或繞射方式傳播（空間波）和靠電離層反射傳播（天波）。由于地球表面對(duì)短波的吸收強(qiáng)烈（與中波相比），且隨頻率的升高而明顯增大。因而，短波的地波傳播一般不超過(guò)幾十公里（在短波的低端）。短波的空間波傳播主要是靠電波的直射和繞射傳播?？臻g波傳播方式不是短波的主要傳播方式。短波的天波傳播是短波傳播的主要方式。短波的天波傳播與電離層的變化（晝夜變化，季節(jié)和年的變化，以及磁暴、太陽(yáng)黑子變化、核爆炸等）密切相關(guān)，也與天線的仰角和工作頻率密切相關(guān)。由于電離層折射系數(shù)的梯度分布及與頻率的關(guān)系，短波的傳播過(guò)程中存在著多徑效應(yīng)，因而存在著嚴(yán)重的衰落現(xiàn)象。

7.超短波傳播

超短波是指波長(zhǎng)為1～10m（頻率為30～300MHz）的電磁波。由于地球表面對(duì)超短波的吸收嚴(yán)重，同時(shí)也由于超短波對(duì)電離層的穿透能力強(qiáng)，其在電離層中的折射系數(shù)趨近于1，因而經(jīng)電離層反射（天波）的能量很小。所以超短波難以靠地波和天波傳播，而主要以直射方式（即所謂的“視距”方式）傳播。另外，由于對(duì)流層中的大氣湍流氣團(tuán)對(duì)超短波有散射作用，因而超短波利用這種散射作用，可實(shí)現(xiàn)超短波的“超視距”傳播，超短波具有一定的繞射傳播能力，其頻率越高，繞射能力也就越差。

8.微波傳播

微波是指波長(zhǎng)小于1m（頻率高于300MHz）的電磁波。目前又按其波長(zhǎng)的不同，分為分米波（特高頻UHF）、厘米波（超高頻SHF）、毫米波（極高頻EHF）和亞毫米波（至高頻THF）。

微波的傳播類(lèi)似于光波的傳播，是一種視距傳播。其主要在對(duì)流層內(nèi)進(jìn)行。總的說(shuō)來(lái)，這種傳播方式比較穩(wěn)定，但其傳播也受到大氣折射和地面反射的影響。另外，對(duì)流層中的大氣湍流氣團(tuán)對(duì)微波有散射作用。利用這種散射作用可實(shí)現(xiàn)微波的超視距傳播。

9.激光傳播

鑒于光也是一種電磁波，而激光是相干性好的單色光，因而激光的傳播也是一種電磁波的傳播。激光在大氣中的傳播主要是視距傳播，易受氣候影響。大氣中的氧、氮、二氧化碳、水蒸氣等對(duì)激光信號(hào)有吸收作用；大氣分子密度的不均勻和懸浮在大氣中的塵埃、煙、水晶、鹽粒子、微生物和微小水滴對(duì)光信號(hào)均有散射作用，由地球表面的空氣對(duì)流引起的大氣湍流可對(duì)激光傳播產(chǎn)生光束偏轉(zhuǎn)、光束擴(kuò)散和光速閃爍，某些波長(zhǎng)的激光（如A=0.5μm的藍(lán)綠激光）可在水中傳播。

1.1.5 無(wú)線通信系統(tǒng)的組成

無(wú)線通信系統(tǒng)一般由發(fā)信機(jī)、收信機(jī)及與其相連接的天線（含饋線）構(gòu)成。

1.發(fā)信機(jī)

發(fā)信機(jī)的主要作用是將所要傳送的信號(hào)首先對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，形成已調(diào)載波；已調(diào)載波信號(hào)經(jīng)過(guò)變頻（有的發(fā)射機(jī)不經(jīng)過(guò)這一步驟）成為射頻載波信號(hào)，送至功率放大器，經(jīng)功率放大器放大后送至天（饋）線。一種短波發(fā)信機(jī)的組成框圖如圖1-3所示。

2.天線

天線是無(wú)線通信系統(tǒng)的重要組成部分。其主要作用是把射頻載波信號(hào)變成電磁波或者把電磁波變成射頻載波信號(hào)。按照規(guī)范性的定義：“天線就是把導(dǎo)行模式的射頻電流變成擴(kuò)散模式的空間電磁波的傳輸模式轉(zhuǎn)換器，及其逆變換的傳輸模式轉(zhuǎn)換器”。

饋線的主要作用是把發(fā)射機(jī)輸出的射頻載波信號(hào)高效地送至天線。這一方面要求饋線的衰耗要小；另一方面其阻抗應(yīng)盡可能與發(fā)射機(jī)的輸出阻抗和天線的輸入阻抗相匹配。

3.收信機(jī)

收信機(jī)的主要作用是把天線接收下來(lái)的射頻載波信號(hào)首先進(jìn)行低噪聲放大，然后經(jīng)過(guò)變頻（一次、兩次甚至三次變頻）、中頻放大和解調(diào)后還原出原始信號(hào)，最后經(jīng)低頻放大器放大后輸出。一種短波收信機(jī)的組成框圖如圖1-4所示。

目前實(shí)用的無(wú)線通信系統(tǒng)，大多數(shù)采用雙工方式，因而通信雙方各自都有發(fā)信機(jī)、收信機(jī)及與其相連的天（饋）線，而且收/發(fā)信機(jī)做在一起且?guī)в须p工器。

1.1.6 無(wú)線通信系統(tǒng)的分類(lèi)

目前分類(lèi)方法較多，尚不完全統(tǒng)一。從下面可以看出：無(wú)線通信系統(tǒng)種類(lèi)繁多，從其內(nèi)涵或外延上來(lái)說(shuō)，無(wú)線通信技術(shù)包含的內(nèi)容非常廣泛，在此只是給出簡(jiǎn)要介紹，不同的分類(lèi)方法只是代表著不同的觀點(diǎn)，不作為課程的重點(diǎn)。

1.按技術(shù)體制分類(lèi)

無(wú)線通信系統(tǒng)分為數(shù)字無(wú)線通信系統(tǒng)、模擬無(wú)線通信系統(tǒng)、數(shù)/模兼容無(wú)線通信系統(tǒng)。

2.按工作波長(zhǎng)分類(lèi)

無(wú)線通信系統(tǒng)分為超長(zhǎng)波通信系統(tǒng)、甚長(zhǎng)波通信系統(tǒng)、長(zhǎng)波通信系統(tǒng)、中波通信系統(tǒng)、短波通信系統(tǒng)、超短波通信系統(tǒng)、微波通信系統(tǒng)、分米波通信系統(tǒng)、厘米波通信系統(tǒng)、毫米波通信系統(tǒng)、激光通信系統(tǒng)。

3.按傳輸方式分類(lèi)

無(wú)線通信系統(tǒng)分為短波自適應(yīng)通信系統(tǒng)、超短波中繼通信系統(tǒng)、微波中繼通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、對(duì)流層散射通信系統(tǒng)、流星余跡通信系統(tǒng)、大氣激光通信系統(tǒng)。

4.按工作狀態(tài)分類(lèi)

無(wú)線通信系統(tǒng)分為固定無(wú)線通信系統(tǒng)、移動(dòng)無(wú)線通信系統(tǒng)、可搬移無(wú)線通信系統(tǒng)。

5.按在通信網(wǎng)中所處地位分類(lèi)

無(wú)線通信系統(tǒng)分為無(wú)線傳輸系統(tǒng)、無(wú)線接入系統(tǒng)。