《信息科学技术导论》课件第3章 无线电技术基础.ppt

1、第3章第3章第三章第三章 无线电技术基础无线电技术基础本章目录3.1 电磁场与电磁波3.2 无线通信系统3.3 射频/微波技术3.4 天 线 技 术3.5 信道技术3.6 软件无线电技术3.7 认知无线电技术3.8 电磁兼容第3章第3章3.1 电磁场与电磁波第3章第3章无线电技术的发展历程第3章第3章麦克斯韦詹姆斯克拉克麦克斯韦（James Clerk Maxwell），英国物理学家、数学家。经典电动力学的创始人，统计物理学的奠基人之一。毕业于剑桥大学。1873年出版的论电和磁，也被尊为继牛顿自然哲学的数学原理之后的一部最重要的物理学经典。麦克斯韦被普遍认为是对物理学最有影响力的物理学家之一。

2、没有电磁学就没有现代电工学，也就不可能有现代文明。第3章第3章麦克斯韦方程无线电技术的理论基础是麦克斯韦方程。1873年，麦克斯韦建立了完整地描述电场和磁场定律的麦克斯韦方程组：第3章第3章3.2 无线通信系统（1）发射系统由发射机、馈线和发射天线组成；（2）接收系统由接收天线、馈线和接收机组成。第3章第3章无线电波传播无线电波传播 在无线通信系统中，无线电波的基本传播方式为直射、反射、绕射和散射四种，基于无线电波的四种基本传播方式，无线通信大体上体现出四种传播效应：阴影效应、远近效应、多普勒效应和多径效应。（1）阴影效应：指由于大型建筑物和其他物体的阻挡，在电波传播的接收区域中产生传播半盲区

3、。（2）远近效应：指发射机和接收机由于随机移动性导致到达接收机时信号强弱不同所导致的。第3章第3章（3）多普勒效应：多普勒效应是指由于用户处于高速移动(如车载通信)中，信号频率随之发生的频移现象。多普勒效应示意图如下图所示。：第3章第3章（4）多径效应：指电磁波经不同路径传播后，各分量场到达接收端时间不同，按各自相位相互叠加而造成干扰，使原来的信号失真，或者产生错误。第3章第3章 3.3 射频微波技术3.3.1 射频/微波的概念 微波是频率在300MHz到3000GHz之间、波长在1m到0.1mm(空气中)之间的射频无线电波，微波在电磁波谱中的位置如图所示。第3章第3章微波技术微波技术：包括信

4、号的产生、调制、功率放大、辐射、接收、低噪声放大、混频、解调、检测、滤波、衰减、移相、开关等各个模块单元的设计和生产。微波的性质：微波的性质：（1）似光性（2）穿透性（3）信息性第3章第3章3.3.2 无线电频谱电磁波的频谱波段划分：第3章第3章常用无线通信系统的工作频率：调幅(AM)无线电收音机：5351605 kHz。短波收音机：330 MHz。调频(FM)收音机：88108 MHz。机场导航设备：108112 MHz。商业电视 24频道：5472 MHz；56频道：7688 MHz；713频道：174216 MHz；1483频道：470890 MHz。通信卫星 上行：5.9256.425

5、 GHz；下行：3.704.20 GHz。第3章第3章3.3.3 频率、阻抗与功率第3章第3章3.3.4 微波技术的应用微波技术的经典用途是通信和雷达系统。雷达系统雷达系统(RADAR)工作原理工作原理第3章第3章微波通信微波通信微波通信是指用微波频率作为载波携带信息进行通信的方式。依据的原理就是微波的传播特性类似于光的传播，一般进行视距内的传播。视距传播的主要应用：（1）地面通信（2）卫星通信（3）雷达第3章第3章微波炉微波炉微波加热原理是基于物质对微波的吸收作用而产生的热效应。第3章第3章 3.4 天线技术3.4.1 天线的分类(1)按用途分，可分为通信天线、导航天线、广播电视天线、雷达天

6、线和卫星天线等。(2)按工作波长分，可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等。(3)按辐射元的类型不同，可将天线分为线天线和面天线。第3章第3章(4)按天线特性不同，又可作如下划分：按方向特性不同，可将天线分为定向天线、全向天线、强方向性天线和弱方向性天线；按极化特性不同，可将天线分为线极化(垂直极化和水平极化)天线和圆极化天线；按频带特性不同，可将天线分为窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。(5)按馈电方式不同，可将天线分为对称天线和非对称天线。(6)按天线上的电流不同，可将天线分为行波天线和驻波天线。(7)按天线外形不同，可将天线分为V形天线、菱形天线、环行

7、天线、螺旋天线、喇叭天线和反射面天线等。第3章第3章3.4.2 天线的主要参数（1）方向性系数方向性系数定义为当被研究天线的辐射功率和作为参考的无方向性天线的辐射功率相等时，被研究天线在最大辐射方向上产生的功率通量密度与无方向性天线在同一点处辐射的功率通量密度之比。（2）天线效率天线效率定义为天线辐射功率与输入到天线的总功率之比。（3）天线增益天线增益定义为在天线最大辐射方向上的某点，当辐射场强相同时，无方向性天线所需要的输入功率与所研究的实际天线需要的输入功率之比。（4）输入阻抗天线输入阻抗定义为在天线输入端的高频电压与输入端电流之比。第3章第3章（5）天线的极化(1)线极化。当电场矢量只是

8、大小随时间变化而取向不变，其端点的轨迹为一直线时，称为线极化。线极化波、电场矢量在传播过程中总是在一个确定的平面内，这个平面就是由电场矢量的振动方向和传播方向所决定的平面，常称为极化平面。(2)圆极化。当电场振幅为常量而电场矢量以角速度围绕传播方向旋转时，称为圆极化。此时，如果在垂直于传播方向的某一固定平面上观察电磁波的电场矢量，则其端点随着时间变化在该平面上画出的轨迹是一个圆。第3章第3章3.4.3 常用天线（1）对称天线对称天线可以看成是由一对终端开路的传输线两臂向外张开而得来的，并假设张开前、后的电流分布相似，如图3-12所示。第3章第3章（2）单极天线长度为l的单极天线如图(a)所示。

9、当地面为无限大的理想导电平面时，垂直接地的单极天线，天线臂与其镜像构成一对称振子，如图(b)所示。第3章第3章（3）喇叭天线喇叭天线是波导口逐渐张开而形成的天线，如图所示，图中，E为电场强度，a、b分别为矩形波导的宽边和窄边尺寸。第3章第3章（4）抛物面天线为提高喇叭天线性能，给其增加反射抛物面，构成抛物面天线，如图所示。第3章第3章（5）卡塞格伦天线 为减少旋转抛物面天线中辐射器的遮挡，采用双反射器，构成卡塞格伦天线。由主反射器、副反射器(或分别称为主反射面、副反射面)和辐射器三个部分组成，如图所示。第3章第3章3.4.4 智能天线智能天线采用空分多址(SDMA)技术，利用信号在传输方向上的

10、差别，将同频率或同时隙、同地址码的用户信号区分开来，可最大限度地利用有限的信道资源。智能天线的优点：(1)具有较高的接收灵敏度。(2)使空分多址系统(SDMA)成为可能。(3)消除在上、下链路中的干扰。(4)抑制多径衰落效应。第3章第3章3.4.5 多输入多输出技术在移动通信系统中，若发射与接收都采用多天线系统，则构成了多输入多输出系统，简称MIMO系统，采用多输入多输出系统可以有效抗击多径衰落，提高信道容量。多输入多输出系统如图所示。第3章第3章 3.5 信道技术3.5.1 无线电波传播无线电波是指频率在几赫兹至数千吉赫兹范围内的电磁波。发射天线所辐射的电磁波，在自由空间中到达接收天线的传播

11、过程，称为无线电波传播。第3章第3章3.5.2 无线信道在无线通信中，传输信号的信道是无线的。无线电波在无线信道中的传播可以分为三种情况：（1）在大气中传播（2）在电离层中传播（3）在外层空间传播对应三种传播模式的影响：（1）大气衰减（2）电离层影响（3）外层空间传播第3章第3章3.5.3无线信道中的电波传播主要讨论两种情况下的电波传播：地面波和电离层波。（1）地面波地面波传播是指电磁波沿着地球表面传播的情况。(1)地面的性质、地貌、地物等情况都会影响地面波的传播。(2)地面波沿地球表面附近的空间传播，地面上有高低不平的障碍物。(3)地面上的障碍物一般不太大，长波、中波和中短波能较好地绕过。短

12、波和微波由于波长过短，绕过障碍物的本领就很差了。(4)由于障碍物的高度比波长大，因而短波和微波在地面上不能绕射，而是沿直线传播。(5)由于水平分量在地面上会引起较大的传导电流，从而增加功率损失，地面对水平极化波吸收大，因此，地面波多采用垂直极化波，且地面波需要采用垂直于地面的直立天线。第3章第3章（2）电离层波电离层波的主要特点：(1)对频率的选择较严格。频率太高，电波将穿透电离层射向太空；频率太低，电离层吸收太大，不能保证必要的信噪比。(2)电离层传播的随机多径效应严重，多径时延较大，信道带宽较窄。因此，它对传输信号的带宽有很大限制。(3)电离层所能反射的频率范围是有限的，一般是短波范围。由

13、于波段范围较窄，因此，短波电台特别拥挤，电台间的干扰很大。(4)由于电离层传播是靠高空电离层的反射进行的，因而受地面的吸收及障碍物的影响较小，传输损耗较小，因此，能进行远距离通信。(5)电离层通信，特别是短波通信，建立迅速，机动性好，设备简单。第3章第3章3.5.4 信道特征信道基本组成如下图所示，调制信道和编码信道是通信系统中常用的两种广义信道。（1）调制信道是指图中从调制器的输出端到解调器的输入端的部分。（2）编码信道是指图中从编码器输出端到译码器输入端的部分。第3章第3章常见信道模型（1）陆地移动通信信道陆地移动通信信道，是指基站天线和手机天线之间的传播路径，如下图所示。陆地移动通信工作

14、频段主要在射频与微波频段，电波传播以直射波为主。移动信道是典型的随参信道。第3章第3章（2）卫星通信信道卫星与地面站之间的信号需要经过电离层传播。第3章第3章 3.6 软件无线电技术3.6.1 硬件无线电概念硬件无线电，是指无线电设备的功能由硬件结构确定，系统的工作很少有软件参与，它们在功能上是确定的。例如，手机、收音机、电视机、电话机、传真机等。第3章第3章3.6.1 软件无线电概念通信领域的三次革命：（1）第一次，从固定通信到移动通信；（2）第二次，从模拟通信到数字通信；（3）第三次，从硬件无线电到软件无线电。1.软件无线电的定义软件无线电的定义最早由美国MITRE公司的Joseph Mi

15、tola首次明确提出定义：定义：软件无线电是多频带无线电，它具有宽带的天线、射频转换、模/数和数/模变换，能够支持多个空中接口和协议，在理想状态下，所有方面(包括物理空中接口)都可以通过软件定义。第3章第3章2.软件无线电的含义软件无线电的含义软件无线电提供了一种建立多模式、多频段、多功能无线设备的有效而且相当经济的解决方案，可以通过软件升级实现功能提高。3.软件无线电的特点软件无线电的特点(1)系统结构通用，功能实现灵活，升级换代方便。(2)易于实现不同系统间的互操作。(3)由于通过软件实现系统的主要功能，因此更易于采用新的信号处理手段，从而提高了系统抗干扰的性能。(4)拥有较强的跟踪新技术

16、的能力。第3章第3章3.6.3 软件无线电系统软件无线电系统用软件控制参数，例如，频带、调制、波形、检测等，不需要对硬件进行修改，就可以改变系统的功能。其结构如下图所示。第3章第3章软件无线电能够通过软件控制相当宽的频率范围，可以通过下载软件来为系统增加新的功能。一个实际的软件无线电系统的基本组成如下图所示。第3章第3章(1)软件无线电系统的基本组成包括以下几个部分：天线：发射与接收天线阵列。射频前端。变频部分：本振、上变频、下变频。滤波器部分。模数转换部分：ADC、DAC。数字信号处理部分。系统控制部分。第3章第3章(2)软件无线电系统接收信号的过程如下：天线接收模拟无线电信号。信号经过天线

17、耦合器耦合到射频部分。经过下变频降低频率。模拟信号由ADC经过采样、量化、编码，得到数字信号。数据经数字信号处理，存储或输出给信宿。第3章第3章(3)软件无线电系统发射信号的过程如下：发射信号经数字信号处理，成为需要的数字信号。数字信号经DAC转换成模拟信号。经上变频升高至射频。经天线耦合器耦合至天线。经天线发射出去。第3章第3章3.6.4 软件无线电的关键技术1.射频/微波技术射频/微波技术包括信号的产生、调制、功率放大、辐射、接收、低噪声放大、混频、解调、检测、滤波、衰减、移相、开关等各个模块单元的设计和生产。2.智能天线技术智能天线是一种天线阵列系统，它通过智能算法来合并天线阵因子的信号

18、，以自动适应不同的信号环境。第3章第3章3.多输入多输出技术多输入多输出系统，就是在发射端与接收端都使用多个天线。采用多输入多输出技术，还可以有效提高信道容量。4.采样技术在软件无线电中，模/数变换器(ADC)的性能将直接影响系统的性能。A/D变换分为三步：采样、量化和编码。第3章第3章5.调制解调技术在发射端，调制的目的是把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合在信道传输的信号，该信号称为已调信号。在接收端，需要将接收到的已调信号，还原成系统所传输的原始信号，该过程称为解调。6.数字信号处理技术软件无线电对信号处理的要求包括以下几点：(1)能够执行大量的乘累加运算。(2)具有某些特定模式。(3

19、)大部分处理时间用于执行相对小循环的操作上。(4)具有高速的数据吞吐能力。(5)信号处理数值范围较宽。第3章第3章7.软件设计技术(1)软件无线电的软件设计包括：软件的功能。软件与硬件之间的关系。软件的体系结构。(2)软件无线电的软件应该具有以下特点：具有良好的开放性。采用模块化结构。具有可重用性。8.信息安全技术信息安全需要研究的领域包括：信息的保密性，信息的完整性，信息的可用性，信息的真实性，信息的可控性等。第3章第3章9.同步技术所谓同步，是指收发双方在时间上步调一致，又称为定时。同步技术是数字通信系统的关键技术之一。在数字通信系统中，按照同步技术的功用不同，可以分为：载波同步、位同步、

20、群同步、网同步。10.电磁兼容技术3.8节详细阐述第3章第3章3.6.5 软件无线电的应用软件无线电典型的应用项目是美军的易通话(Speak Easy)计划。易通话计划是美军的军用软件无线电通信电台开发计划。为解决多兵种之间的互通，主要开发面向未来军事需求的、具备多媒体网络操作的无线电系统结构与技术第3章第3章 3.7 认知无线电技术3.7.1 无线电的概念无线通信中的基本矛盾是：日益增长的用户需求和日渐紧张的频谱资源之间的矛盾越来越突出。认知无线电(Cognitive Radio，CR)就是利用频谱空洞提高频谱利用率的软件无线电，是智能化的软件无线电。认知无线电是一种非常新颖的无线通信理念，

21、它在提高无线频谱利用率的基础上，提出了全新的思路，必将引起未来通信技术的重大变革。第3章第3章认知概念所谓认知，是指介于输入激励和输出响应之间的智能状态和处理过程。也就是说，采用学习、理解、综合等方式探索事物的一般性原理。为了能够根据新的环境作出调整，无线电系统必须能够学习。图为基本的机器学习体系结构。第3章第3章在这个基本的机器学习体系结构中，机器的学习过程如下：(1)机器学习系统通过传感器、外部参数输入等方式对环境进行感知。(2)从感知结果得出结论，并对这些行为结果进行预测。(3)预测行为对环境造成的影响和变化。(4)学习组件接收这些变化，并与期望变化进行对比。(5)若实际变化与期望变化相

22、同或接近，则基于实际变化与期望变化的接近程度，系统进一步加强促成该结果的参数。(6)若实际变化与期望变化不符，则学习系统就会改变决策过程的参数，使其更符合实际结果。第3章第3章3.7.2 认知无线电的关键技术认知无线电具有两个重要能力：（1）认知能力，即感知环境信息的能力；认知能力是一项相当复杂的技术，它可以获得无线环境在空间以及时间域上的变化情况。认知能力具有以下作用：确定特定的时间和空间频谱中未被使用的部分。(2)根据上述信息，选择最好的频段与合适的传输参数，以不干扰授权用户。(3)若这个频段有授权用户，则离开这个频段，或者改变发射功率、调制方式等参数，以保证不干扰授权用户。（2）可重配置

23、能力，即自适应动态无线环境的能力。可重配置能力，使得无线系统可以方便地配置工作频率、调制方式、发射功率、通信协议等传输参数。第3章第3章3.7.3 认知无线电的应用（1）无线区域网络（WRAN）是最早利用认知无线电技术的无线通信系统。（2）在低功耗多跳Ad Hoc网络中的应用（3）应用于UWB（4）在WLAN中的应用（5）在多入多出（MIMO）系统中的应用（6）在网状（Mesh）网中的应用（7）在军事领域的应用第3章第3章 3.8 电磁兼容3.8.1 电磁兼容的发展（1）电磁兼容是通过控制电磁干扰来实现的，电磁干扰是人们早就发现的电磁现象，（2）20世纪70年代以来，电磁兼容技术逐渐成为非常活

24、跃的学科领域之一。（3）20世纪80年代，电磁兼容的研究和应用达到了很高的水平，建立了相应的电磁兼容标准和规范。（4）现在，电磁兼容技术成为一门迅速发展的交叉学科，涉及电子、计算机、通信、航空航天、电力、军事以至人们生活的各个方面。第3章第3章3.8.2 电磁兼容的主要术语(1)电磁干扰(Electro Magnetic Interference，EMI)。所谓电磁干扰，是指电磁能量对电流回路、仪器、系统或生命组织造成的影响。(2)电磁敏感度(Electro Magnetic Susceptibility，EMS)。电磁敏感度是指在存在电磁干扰的情况下，装置、设备或系统性能下降的容易程度。(3

25、)电磁兼容性(EMC)。电磁兼容性是指设备或系统在电磁环境中符合要求运行并不对环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。(4)电磁环境(Electro Magnetic Environment，EME)。电磁环境是存在于给定场所的所有电磁现象的总和。第3章第3章3.8.3 认知无线电中的电磁兼容问题在认知无线电中，认知用户需要检测频谱空洞，在不干扰授权用户的条件下进行无线通信。认知无线电中的电磁兼容问题，就是认知用户与授权用户的共存问题。第3章第3章2005年，IEEE成立了IEEE 1900标准组，进行与下一代无线通信技术和高级频谱管理技术相关的电磁兼容研究。(1)IEEE 1900.1

26、：用于澄清术语，弄清各个技术之间的关系，提供对技术的准确定义和对关键技术的解释。(2)IEEE 1900.2：为干扰与共存分析提供操作规程建议，提供分析各种无线服务共存和相互干扰的技术指导方针。(3)IEEE 1900.3：为软件无线电的软件模块提供一致性评估的操作规程建议，提供分析软件定义无线电的软件模型。(4)IEEE 1900.4：为动态频谱接入的无线系统提供实际应用和可靠性验证，评估可调整性能。第3章第3章3.8.4 电磁辐射所谓的电磁辐射就是能量以电磁波的形式从辐射源发射到空间的现象。对人们生活环境有影响的电磁污染主要有以下两种：（1）天然电磁辐射大自然中的如雷、电一类的电磁辐射属于

27、天然电磁辐射类（2）人为电磁辐射人为电磁辐射污染则主要包括脉冲放电、工频交变磁场、微波和射频电磁辐射等。第3章第3章其中，人为辐射对人体的危害最大，也是最需要防范的，其主要辐射源如图所示。第3章第3章电磁辐射的应用（1）医学应用：微波理疗活血、治疗肿瘤等。（2）传递信息：通信、广播、电视等。（3）目标探测：雷达、导航、遥感等。（4）感应加热：电磁炉、高频淬火、高频熔炼、高频焊接、高频切割等。（5）介质加热：微波炉、微波干燥机、塑料热合机等。第3章第3章电磁辐射的危害（1）可导致儿童智力残缺。（2）极可能是造成儿童患白血病的原因之一。（3）能够诱发癌症并加速人体的癌细胞增殖（4）影响人的生殖系统

28、（5）影响人们的心血管系统（6）高剂量的电磁辐射还会影响及破坏人体原有的生物电流和生物磁场，使人体内原有的电磁场发生异常。（7）破坏人体的免疫系统，损伤人体的自身调节机能（8）影响人的神经系统第3章第3章小 结 本章讨论了与无线电相关的射频/微波技术、天线技术、信道技术与电波传播、软件无线电技术、认知无线电技术、电磁兼容等内容。射频/微波电路是无线通信系统硬件的基本组成部分。天线是无线通信系统必需的发射、接收器件。电波传播研究无线电波在无线信道中传播的基本特征，是保证通信畅通的基本要素之一。软件无线电是可以在统一的硬件平台上，通过软件下载和可重置技术来增加系统功能、扩展系统频段的新技术。认知无线电是利用频谱空洞，提高频谱利用率的智能化的软件无线电技术。电磁兼容通过控制电磁干扰使各种电子设备共存，电磁辐射对人体有危害。第3章第3章习 题1.上网查阅文献，了解软件无线电技术的进展。2.列举传统无线电系统存在的缺点并上网查阅认知无线电系统中使用的新技术。3.上网查阅文献，了解天线技术的发展。4.上网查阅文献，了解微波技术的发展。5.上网查阅文献，了解电磁兼容的新进展。6.家用电器辐射问题会危害人类的健康，上网查阅资料，简述预防家用电器电磁辐射的措施。Questions？第3章