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无线电波

无线电波是指在自由空间(包括空气和真空)传播的射频频段的电磁波。无线电波的波长越短、频率越高,相同时间内传输的信息就越多。

无线电波在空间中的传播方式有以下情况:直射、反射、折射、穿透、绕射(衍射)和散射。

电磁波的一种。频率大约 为 10KHz~30,000,000KHz,或波长30000m~10μm的电磁波,由于它是由振荡电路的交变电流而产生的,可以通过天线发射和吸收故称之为无线电波。 [1]

电磁波包含很多种类,按照频率从低到高的顺序排列为:无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线。无线电波分布在3Hz到3000GHz的频率范围之间。

在不同的波段内的无线电波具有不同的传播特性。

频率越低,传播损耗越小,覆盖距离越远,绕射能力也越强。但是低频段的频率资源紧张,系统容量有限,因此低频段的无线电波主要应用于广播、电视、寻呼等系统。

高频段频率资源丰富,系统容量大。但是频率越高,传播损耗越大,覆盖距离越近,绕射能力越弱。另外,频率越高,技术难度也越大,系统的成本相应提高。

移动通信系统选择所用频段时要综合考虑覆盖效果和容量。UHF频段与其他频段相比,在覆盖效果和容量之间折衷的比较好,因此被广泛应用于手机等终端的移动通信领域。当然,随着人们对移动通信的需求越来越多,需要的容量越来越大,移动通信系统必然要向高频段发展。

无线电波的速度只随传播介质的电和磁的性质而变化。无线电波在真空中传播的速度,等于光在真空中传播的速度,因为无线电波和光均属于电磁波。无线电波在其他介质中传播的速度为Vε=C/sqrt(ε)。其中ε为传播介质的介电常数。空气的介电常数与真空很接近,略大于1,因此无线电波在空气中的传播速度略小于光速,通常我们近似认为就等于光速。

无线电波的传播方式

对于自由空间,在自由空间中由于没有阻挡,电波传播只有直射,不存在其他现象。

而对于日常生活中的实际传播环境,由于地面存在各种各样的物体,使得电波的传播有直射、反射、绕射(衍射)等,另外对于室内或列车内的用户,还有一部分信号来源于无线电波对建筑的穿透。这些都造成无线电波传播的多样性和复杂性,增大了对电波传播研究的难度。

直射

直射在视距内可以看做无线电波在自由空间中传播。直射波传播损耗公式同自由空间中的路径损耗公式:PL=32.44+20lgf+20lgd。其中,PL为自由空间的路损,单位是dB。F为载波的频率,单位是MHz。d为发射源与接收点的距离,单位是km。

反射、折射与穿透

在电磁波传播过程中遇到障碍物,当这个障碍物的尺寸远大于电磁波的波长时,电磁波在不同介质的交界处会发生发射和折射。另外,障碍物的介质属性也会对反射产生影响。对于良导体,反射不会带来衰减;对于绝缘体,他只反射入射能量的一部分,剩下的被折射入新的介质继续传播;而对于非理想介质,电磁波贯穿介质,即穿透时,介质会吸收电磁波的能量,产生贯穿衰落。穿透损耗大小不仅与电磁波频率有关,而且与穿透物体的材料、尺寸有关。

一般室内的无线电波信号是穿透分量与绕射分量的叠加,而绕射分量占绝大部分。所以,总的来看,高频信号(例如1800MHz)的室内外电平差比低频信号(800MHz)的室内外电平差要大。并且,低频信号进入室内后,由于穿透能力差一些,在室内进行各种反射后场强分布更均匀;而高频信号进入室内后,部分穿透又穿透出去了,室内信号分布就不太均匀,也就使用户感觉信号波动大。

绕射(衍射)

在电磁波传播过程中遇到障碍物,这个障碍物的尺寸与电磁波的波长接近时,电磁波可以从该物体的边缘绕射过去。绕射可以帮助进行阴影区域的覆盖。

散射

在电磁波传播过程中遇到障碍物,这个障碍物的尺寸小于电磁波的波长,并且单位体积内这种障碍物的数目非常巨大时,会发生散射。散射发生在粗糙物体、小物体或其它不规则物体表面,如树叶、街道标识和灯柱等。

不同距离下无线电波的传播

视距传播

无线电波视距传播的一般形式主要是直射波和地面反射波的叠加,结果可能使信号加强,也可能使信号减弱。

由于地球是球形的,受地球曲率半径的影响,视距传播存在一个极限距离Rmax,它受发射天线高度、接收天线高度和地球半径影响。

非视距传播

无线电波非视距传播的一般形式有:绕射波、对流层反射波和电离层反射波。

①绕射波

绕射波是建筑物内部或阴影区域信号的主要来源。绕射波的强度受传播环境影响很大,且频率越高,绕射信号越弱。

②对流层反射波

对流层反射波产生于对流层。对流层是异类介质,由于天气情况而随时间变化。它的反射系数随高度增加而减少。这种缓慢变化的反射系数使电波弯曲。对流层反射方式应用于波长小于10米(即频率大于30MHz)的无线通信中。对流层反射波具有极大的随机性。

③电离层反射波

当电波波长大于1米(即频率小于300MHz)时,电离层是反射体。从电离层反射的电波可能有一个或多个跳跃,因此这种传播用于长距离通信,同对流层一样,电离层也是具有连续波动的特性。

无线电波在陆地移动通信环境下的特点

传播环境的复杂性

由于移动终端的天线高度比较低,传播路径总是受到地形及人为环境的影响,使得接收信号大量的散射、反射或叠加。

传播环境的复杂性体现在地形、人为建筑物、人为噪声干扰的多样性。比如,周围有树林的地形,树叶会造成无线电波大量的散射。而对于城市环境,由街道两旁的高大建筑导致的波导效应,使得街道上沿着传播方向的信号增强,垂直于传播方向的信号减弱,两者相差可达10dB左右。另外,机动车的点火噪声、电力线噪声、工业噪声等人为噪声,都会对接收信号造成干扰。

移动终端的随机移动性

移动终端总是在移动,即使移动终端不动,周围环境也一直在变化,如人、车的移动,风吹动树叶等,使得基站与移动终端之间的传播路径不断发生变化。并且移动终端相对基站的移动方向和移动速度的变化,都会导致信号电平的变化,只能用随机过程的概率分布来描述。

传播的开放性

无线电波传播空间的开放性导致空间干扰现象严重。比较常见的有同频干扰、邻频干扰、互调干扰等。随着频率复用系数的提高,同邻频干扰将成为主要干扰。

无线电波自发射地点到接收地点主要有天波、地波、空间直线波3种传播方式,各波特性如下:

地波:沿着地球表面传播的电波,称为地波。在传播过程中因电波受到地面的吸收,其传播距离不远。频率越高,地面吸收越大,因此短波、超短波沿地面传播时,距离较近,一般不超过100公里,而中波传播距离相对较远。优点是受气候影响较小,信号稳定,通信可靠性高。 [1]

天波: 靠大气层中的电离层反射传播的电波,称为天波,又称电离层反射波。发射的电波是经距地面7080公里以上的电离层反射后至接收地点,其传播距离较远,一般在1000公里以上。缺点是受电离层气候影响较大,传播信号很不稳定。短波频段是天波传播的最佳频段,渔业船舶配备的短波单边带电台,就是利用天波传播方式进行远距离通信的设备。 [1]

空间直线波: 在空间由发射地点向接收地点直线传播的电波,称空间直线电波,又称直线波或视距波。传播距离为视距范围,仅为数十公里。渔业船舶配备的对讲机和雷达均是利用空间波传播方式进行通信的设备。 [1]

无线电波是横波。即电场和磁场的方向都与波的传播方向垂直.无线电波在空间传播时,必然要受到大气层的影响,尤其以电离层的影响最为显著,使无线电波发生折射和衰减.其中,波长越大,折射与衰减越大。

根据无线电波波长不同的传播特性,不同的通信业务使用不同的波段.比如长波用于导航、固定业务;中短波用于移动业务;微波用于无线电天文、空间通信。 [2]

无线电波的衰落特性

无线电波在传播过程中的衰落,是它非常重要的特性,可以从大、中、小三种尺度来描述。

大尺度用来描述中值信号(区域均值)。它具有幂定律传播特性,即中值信号功率与距离长度增加的某次幂成反比关系。

中尺度用来描述慢衰落。它是重叠在大尺度传播特性的中值电平上的平均功率变化。当用分贝表示时,这种变化趋于正态分布。

小尺度用来描述快衰落。它通常服从瑞利概率密度函数,又称为瑞利衰落。

多普勒频移

根据多普勒效应,由于无线电波发射端和接收端之间的相对运动,接收端接收到的信号频率将与发射端发出的信号频率之间存在一个差值,该差值就是多普勒频移。

多普勒频移符合下面的公式:

v为移动终端的最大速度

时间色散和均衡

时间色散起源于反射,其反射信号来自于距离接收天线约几千米外的物体。例如,由基站连续发送“1”、“0”的序列,如果远处反射信号到达移动终端的时间刚好滞后直射信号一个比特,那么接收终端将从直射信号中检出“0”,同时还从反射信号中检出“1”,于是导致码间干扰,这称为时间色散。采用自适应均衡技术可以减少时间色散的影响。

麦克斯韦最早在他递交给英国皇家学会的论文《电磁场的动力理论》中阐明了电磁波传播的理论基础。他的这些工作完成于1861年至1865年之间。

海因里希鲁道夫赫兹在1886年至1888年间首先通过试验验证了麦克斯韦尔的理论。波动方程。

1906年圣诞前夜,范信达(Reginald Fessenden)在美国马萨诸塞州采用外差法实现了历史上首次无线电广播。范信达广播了他自己用小提琴演奏“平安夜”和朗诵《圣经》片段。位于英格兰切尔姆斯福德的马可尼研究中心在1922年开播世界上第一个定期播出的无线电广播娱乐节目。


  赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)在1886年至1888年间首先通过试验验证了麦克斯韦尔的理论。他证明了无线电辐射具有波的所有特性,并发现电磁场方程可以用偏微分方程表达,通常称波动方程。 [3]

1893年,尼科拉特斯拉(Nikola Tesla)在美国密苏里州圣路易斯首次公开展示了无线电通信。在为“费城富兰克林学院”以及“全国电灯协会”做的报告中,他描述并演示了无线电通信的基本原理。他所制作的仪器包含电子管发明之前无线电系统的所有基本要素。

马可尼(Guglielmo Marconi)拥有通常被认为是世界上第一个无线电技术的专利,英国专利12039号,“电脉冲及信号传输技术的改进以及所需设备”。

尼科拉特斯拉1897年在美国获得了无线电技术的专利。1898年,马可尼在英格兰切尔姆斯福德的霍尔街开办了世界上首家无线电工厂,雇佣了大约50人。然而,美国专利局于1904年将其专利权撤销,转而授予马可尼发明无线电的专利。这一举动可能是受到马可尼在美国的经济后盾人物,包括爱迪生,安德鲁卡耐基影响的结果。1909年,马可尼和卡尔菲迪南德布劳恩(Karl Ferdinand Braun)由于“发明无线电报的贡献”获得诺贝尔物理学奖。

1943年,在特斯拉去世后不久,美国最高法院重新认定特斯拉的专利有效。这一决定承认他的发明在马可尼的专利之前就已完成。有些人认为作出这一决定明显是出于经济原因。这样二战中的美国政府就可以避免付给马可尼公司专利使用费。

无线电最早应用于航海中,使用摩尔斯电报在船与陆地间传递信息。现在,无线电有着多种应用形式,包括无线数据网,各种移动通信以及无线电广播等。

以下是一些无线电技术的主要应用:

声音广播的最早形式是航海无线电报。它采用开关控制连续波的发射与否,由此在接收机产生断续的声音信号,即摩尔斯电码。

* 调幅广播可以传播音乐和声音。调幅广播采用幅度调制技术,即话筒处接受的音量越大则电台发射的能量也越大。这样的信号容易受到诸如闪电或其他干扰源的干扰。* 调频广播可以比调幅广播更高的保真度传播音乐和声音。对频率调制而言,话筒处接受的音量越大对应发射信号的频率越高。调频广播工作于甚高频段(Very High Frequency,VHF)。频段越高,其所拥有的频率带宽也越大,因而可以容纳更多的电台。同时,波长越短的无线电波的传播也越接近于光波直线传播的特性。

* 调频广播的边带可以用来传播数字信号如,电台标识、节目名称简介、网址、股市信息等。在有些国家,当被移动至一个新的地区后,调频收音机可以自动根据边带信息自动寻找原来的频道。

* 航海和航空中使用的话音电台应用VHF调幅技术。这使得飞机和船舶上可以使用轻型天线。

* 政府、消防、警察和商业使用的电台通常在专用频段上应用窄带调频技术。这些应用通常使用5KHz的带宽。相对于调频广播或电视伴音的16KHz带宽,保真度上不得不作出牺牲。

* 民用或军用高频话音服务使用短波用于船舶,飞机或孤立地点间的通讯。大多数情况下,都使用单边带技术,这样相对于调幅技术可以节省一半的频带,并更有效地利用发射功率。

* 陆地中继无线电(Terrestial Trunked Radio, TETRA)是一种为军队、警察、急救等特殊部门设计的数字集群电话系统。

*业余无线电是无线电爱好者参与的无线电台通讯。业余无线电台可以使用整个频谱上很多开放的频带。爱好者使用不同形式的编码方式和技术。有些后来商用的技术,比如调频,单边带调幅,数字分组无线电和卫星信号转发器,都是由业余爱好者首先应用的。

*蜂窝电话或移动电话是当前最普遍应用的无线通信方式。蜂窝电话覆盖区通常分为多个小区。每个小区由一个基站发射机覆盖。理论上,小区的形状为蜂窝状六边形,这也是蜂窝电话名称的来源。当前广泛使用的移动电话系统标准包括:GSM,CDMA和TDMA。少数运营商已经开始提供下一代的3G移动通信服务,其主导标准为UMTS和CDMA2000。

*卫星电话存在两种形式:INMARSAT 和 铱星系统。两种系统都提供全球覆盖服务。 INMARSAT使用地球同步卫星,需要定向的高增益天线。铱星则是低轨道卫星系统,直接使用手机天线

* 通常的模拟电视信号采用将图像调幅,伴音调频并合成在同一信号中传播。

* 数字电视采用MPEG-2图像压缩技术,由此大约仅需模拟电视信号一半的带宽。

* 无线电紧急定位信标 (emergency position indicating radio beacons,EPIRBs), 紧急定位发射机或 个人定位信标是用来在紧急情况下对人员或测量通过卫星进行定位的小型无线电发射机。它的作用是提供给救援人员目标的精确位置,以便提供及时的救援。

*数字微波传输设备、卫星等通常采用正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)。QAM调制方式同时利用信号的幅度和相位加载信息。这样,可以在同样的带宽上传递更大的数据量。

* IEEE 802.11是当前无线局域网的标准。它采用2GHz或5GHz频段,数据传输速率为11 Mbps或54 Mbps。

* 利用主动及被动无线电装置可以辨识以及表明物体身份。

* 所有的卫星导航系统都使用装备了精确时钟的卫星。导航卫星播发其位置和定时信息。接收机同时接受多颗导航卫星的信号。接收机通过测量电波的传播时间得出它到各个卫星的距离,然后计算得出其精确位置。

* Loran系统也使用无线电波的传播时间进行定位,不过其发射台都位于陆地上。

* VOR系统通常用于飞行定位。它使用两台发射机,一台指向性发射机始终发射并象灯塔的射灯一样按照固定的速率旋转。当指向型发射机朝向北方时,另一全向发射机会发射脉冲。飞机可以接收两个VOR台的信号,从而通过推算两个波束的交点确定其位置。

* 无线电定向是无线电导航的最早形式。无线电定向使用可移动的环形天线来寻找电台的方向。

雷达

* 雷达通过测量反射无线电波的延迟来推算目标的距离。并通过反射波的极化和频率感应目标的表面类型。

* 导航雷达使用超短波扫描目标区域。一般扫描频率为每分钟两到四次,通过反射波确定地形。这种技术通常应用在商船和长距离商用飞机上。* 多用途雷达通常使用导航雷达的频段。不过,其所发射的脉冲经过调制和极化以便确定反射体的表面类型。优亮的多用途雷达可以辨别暴雨、陆地、车辆等等。

* 搜索雷达运用短波脉冲扫描目标区域,通常每分钟2-4次。有些搜索雷达应用多普勒效应可以将移动物体同背景中区分开来

* 寻的雷达采用于搜索雷达类似的原理,不过对较小的区域进行快速反复扫描,通常可达每秒钟几次。

*气象雷达与搜索雷达类似,但使用圆极化波以及水滴易于反射的波长。有些气象雷达还利用多普勒效应测量风速。

加热

*微波炉利用高功率的微波对食物加热。(注:一种通常的误解认为微波炉使用的频率为水分子的共振频率。而实际上使用的频率大概是水分子共振频率的十分之一。)

动力

* 无线电波可以产生微弱的静电力和磁力。在微重力条件下,这可以被用来固定物体的位置。

* 宇航动力:有方案提出可以使用高强度微波辐射产生的压力作为星际探测器的动力。

天文学

* 是通过射电天文望远镜接收到的宇宙天体发射的无线电波信号可以研究天体的物理、化学性质。这门学科叫射电天文学。


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