无线维护基础理论

无线维护基础理论 第一章 通信技术概论 第一节 信号 一、信号传递方式 通信的任务是传递信息。人类社会中需要传递的信息可以是声音、文字、符号、音乐、 图像和数据等。 在现代通信技术中，主要运用的传输方式是电通信技术，即以电信号的形式来传递信 息。在实际通信中以电的形式来传递信息，首先是在发送端采用传感器将一般的信息转换 成电信号，然后在接收端将收到的电信号还原。 二、 信号的分类 电信号通常分为模拟信号和数字信号两大类。 1. 模拟信号 模拟信号是指电信号的某一参量的取值范围是连续的，因此可有无限多个取值，如话 筒产生的话音电压信号，摄像机所产生的图像电流信号等。 模拟信号通常是时间连续函数，也有时间离散函数的情况，但无论时间是否连续，其 取值一定是连续的。最简单的模拟信号如图 1-1 所示，图 1-2 为时间离散的模拟信号。 图 1-1 时间连续的模拟信号 图 1-2 时间离散的模拟信号 2. 数字信号 数字信号是指电信号的某一参量携带着离散信息，其取值是有限个数值，如电报信号、 数据信号等，如图 1-3 所示。 图 1-3 数字信号 第二节 通信系统的基本概念 实现信息转换成信号这一过程的全部技术设备和设施统称为系统。在通信领域中将实 现通信过程的全部技术设备和设施称为通信系统。 一、 基本模型 通信是将信息从发信者传递给在另一个时空点的收信者。由于完成这一信息传递的通 信系统的种类繁多，因此它们的具体设备和业务功能可能各不相同，经过抽象概括，通信 流程可用图 1-4 所示的基本模型图来表示。 图 1-4 通信系统的基本模型图 整个流程是由信源、发送变换器、信道（或传输媒介） 、噪声、接收变换器和信宿（收 信者）等六部分组成。 1. 信源 信源是指发出信息的信息源。在人与人之间通信的情况下，信源就是指发出信息的人； 在机器与机器之间通信的情况下，信源就是发出信息的机器，如计算机或其它机器等。 2. 发送变换器 发送变换器的基本功能是将信源和传输媒介匹配起来，即将信源产生的信息信号变换 为利于传送的信号形式送往传输媒介。变换方式是多种多样的，在需要频率搬移时，调制 是最常见的变换方式。发送变换器还包括为达到某些特殊要求所进行的各种处理，如多路 复用、保密处理和纠错编码处理等。 3. 信道 信道是信号传输媒介的总称。传输信道的类型有两种，一种是使电磁信号在空间中传 输，这种信道叫无线信道；另一种是使电磁信号约束在某种传输线上传输（如架空明线、 电缆、光缆及波导等） ，这种信道叫有线信道。 4.噪声 噪声并不是人为实现的实体，但在实际通信系统中又是客观存在的。在模型中的噪声 是以集中形式表示的，实际上这种干扰噪声可能在信源信息初始产生的周围环境中就混入 了，也可能从构成发送变换器的电子设备中引入。另外，传输信道中的电磁感应以及接收 端各种设备中引入的干扰都要产生影响。在模型中我们把发送、传输和接收端各部分的干 扰噪声集中地由一个噪声来表示。 5. 接收变换器 接收变换器的主要作用是将来自信道的带有干扰的发送信号加以处理，并从中提取原 始信息，完成发送过程的逆变换解调、译码等。 6. 信宿 信宿是指信息传送的终点，也就是收信者。它可以与信源相对应构成人人通信或者 机机通信，也可以与信源不一致，构成人机通信。 二、 通信系统的构成要素 一个实际的通信系统往往由终端设备、传输链路和交换设备三大部分组成。 1. 终端设备 终端设备的主要功能是把待传送的信息和在信道上传送的信号相互转换。这就要求有 发送传感器来感受信息和接收传感器将信号恢复成能被利用的信息，还应该有能处理信号 的设备以便能与信道匹配。另外还需要有能产生和识别通信系统内所需的信令信号或规约。 对应不同的通信业务有不同的信源和信宿，也就有着不同的变换和反变换设备，因此对应 不同的通信业务也就有不同的终端设备，如电话业务的终端设备就是电话机，电报业务的 终端设备就是电报终端，数据业务的终端设备就是数据终端机等。 2. 传输链路 传输链路是连接源点和终点的媒介和通路，除对应于通信系统模型中信道部分之外， 还包括一部分变换和反变换设备。 传输链路的实现方式很多，一种是物理传输媒介本身就是传输链路，如实线和电缆； 一种是采用传输设备和物理传输媒介一起形成的传输链路，如载波链路和光通信链路；还 有一种是传输设备利用大气传播的传输链路，如微波和卫星通信链路。 3.交换设备 交换设备是现代通信网的核心，其基本功能是完成接入交换节点链路的汇集、转接和 分配。对不同通信业务网络的转接，交换设备的性能要求也不同。例如，对电话业务网的 交换设备的性能，其实时性强。因此目前主要采用直接接续通话电路的电路交换方式。对 于主要用于计算机通信的数据业务网，由于数据终端或计算机终端可有各种不同速率，同 时为了提高链路利用率，可将流入信息流进行分组、存储，然后再转发到所需链路上去， 这种方式叫做分组交换方式。例如分组数据交换机就按这种方式进行交换，这种方式可以 比较高效地利用传输链路。 第三节 通信系统的分类 通信系统的分类方法很多，既可以按用途来分，也可以按传输信号的特征来分，还可 以按工作方式来分。以下仅对图 1-4 所示的通信系统模型图所引出的分类方法进行讨论。 1.按信源分类 按照信源发出消息的物理特征不同可分为电话、电报、数据和图像的通信系统。其中 电话通信目前最发达，其它通信常借助于公用电话通信系统传递信息。 2.按传输媒介分类 通信系统模型中的信道是指传输信息的媒介或信号的通道。按传输媒介分类，通信系 统可分为有线和无线两大类。有线信道常用的是对称电缆、同轴电缆和光缆，因此可构成 电缆通信系统和光纤通信系统。目前长途通信系统中主要采用的是光纤通信系统，而电缆 通信系统大都用在本地通信系统中。无线信道按照所使用的频段和通信手段可分为短波通 信系统、微波中继通信系统、移动通信系统和卫星通信系统。 3.按传输信号的特征分类 根据传输信号的特征，通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统两大类。 （1）模拟通信系统 在模拟通信系统中传输的是模拟信号。图 1-5 所示的是模拟通信系统的基本组成。在 图中用调制器取代图 1-4 中的发送变换器，用解调器取代图 1-4 中的接收变换器。这里的 调制器和解调器对信号的变换起着决定性的作用，直接关系着通信质量的优劣。 图 1-5 模拟通信系统的基本组成图 （2）数字通信系统 在数字通信系统中传输的是数字信号。数字通信系统的基本组成如图 1-6 所示。数字 通信系统除包括调制器和解调器外，还包括信源编码器、信道编码器、信道译码器、信源 译码器和同步系统等。 图 1-6 数字通信系统的基本组成图 数字通信系统的组成 A.信源编码器 信源编码器的主要作用是提高数字信号传输的有效性。如果信息源是数据处理设备， 还要进行并/串变换，以便进行数据传输。通常的数字加密也可归并到信源编码器中。收端 的信源译码是信源编码的逆变换。 B.信道编码器 信道编码器主要是为了提高数字信号传输的可靠性。由于传输信道内噪声的存在和信 道特性不理想造成的码元间干扰，通信系统很容易产生传输差错，而信道的线性畸变所造 成的码间干扰可通过均衡办法基本消除，因此信道中的噪声是导致传输差错的主要原因。 减小这种差错的基本作法是在信码组中按一定规则附加上若干监视码元（或称冗余度码元） ， 使原来不相关的数字信息序列变为相关的新的序列，然后在接收端根据这种相关的规律性 来检测或纠正接收序列码组中的误码，提高可靠性，因此信道编码器又称差错控制编码器。 接收端的信道译码器是信道编码器的逆过程。 C.同步系统 同步系统用于建立通信系统收、发相对一致的时间关系。只有这样，收端才能确定每 位码的起止时间，并确定接收码组与发送码组的正确对应关系，否则接收端无法恢复发端 的信息。因此同步是数字通信系统正常工作的前提，通信系统能否有效地、可靠地工作， 很大程度上依赖于同步系统性能的好坏。同步可分为载波同步、位同步、帧同步和网同步 四大类。 数字通信系统的特点 模拟通信系统与数字通信系统各有特点，但从总体上看，数字通信系统与模拟通信系 统相比，具有以下特点： A.抗干扰能力强，数字通信系统可通过再生中继器消除噪声积累； B.可采用差错控制技术，从而提高数字信号传输的可靠性； C.便于进行各种数字信号处理，如计算机存储和处理，使数字通信和计算机技术相结 合而组成综合化、智能化的数字通信网； D.数字通信系统可使传输与交换相结合，电话、数据和图像传输相结合，有利于实现 综合业务数字网； E.数字通信系统的器件和设备易于实现集成化、微型化。 数字通信系统的主要性能指标 A.有效性指标 信息传输速率：信息传输速率通常是以每秒钟所传输的信息量多少来衡量的。 符号传输速率：符号传输速率也叫码元速率，它是指单位时间内所传输的码元数目， 其单位为“波特” 。 频带利用率：频带利用率是指单位频带内的所能实现的信息传输速率。 B.可靠性指标 误码率：误码率是指在传输过程中系统出现错误码元的数目与所传输码元总数之比值。 这个指标是多次统计结果的平均量，所以这里指的是平均误码率。 误比特率：误比特率是指传错信息的比特数与所传送的总信息比特数之比值。 第二章 无线通信基础知识 第一节 无线通信的基本概念 一 、无线通信的概念和特点 根据传送信息的媒介不同，现代通信可以分为有线通信和无线通信两大类。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。 无线通信具有以下一些明显的优点： （1 ）跨越空间的能力很强，短则百米，长则数千、数万公里甚至更远。 （2 ）信息传输速度快，无线电波每秒传播速度可达 30 万公里。所以地球上任何两点 之间的无线电信息传递基本上都是实时的。 （3）在较高的频率上具有很大的信息容量。 二、无线通信系统组成 无线通信系统主要由发送设备、接收设备和传输媒体组成，主要部分的基本功能如图 2-1 所示。 图 2-1 无线通信系统组成图 1发送设备 (1)信息源：提供需要传送的信息。 (2)变换器：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：将变换器输出的电信号变为足够强度的高频信号。 (4)发射天线：将高频信号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：将电信号变换成所传递信息。 (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 = f 。其中 c 为光速，f 和 分别为无线电波的频率和波长。 三、调制与解调 在无线通信系统中，对信号变换起重要作用的是调制和解调。 1. 调 制 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 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 Hz 到 几 千 Hz， 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 100 km， 要 建 立 起 这 样 长 的 天 线 系 统 显 然 是 不 能 的 。 再 者 ， 即 使 能 将 该 频 率 范 围 的 话 音 信 号 发 送 出 去 ， 不 同 电 台 发 送 的 音 频 信 号 电 磁 波 将 在 空 中 混 杂 在 一 起 ， 相 互 干 扰 ， 使 接 收 机 无 法 选 择 接 收 ， 即 无 法 实 现 多 路 传 输 的 问 题 。 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 将待传输的基带信号称为调制信号；将 高 频 振 荡 信 号 称 为 载 波 信 号 ， 而 将 加 载 了 基 带 信 号 的 高 频 信 号 称 为 已 调 信 号 。 调 制 的 种 类 很 多 ， 分 类 方 法 也 不 一 致 。 按 调 制 信 号 的 形 式 可 分 为 模 拟 调 制 和 数 字 调 制 。 模 拟 调 制 包 括 幅 度 调 度 （ AM） 、 频 率 调 制 （ FM） 和 相 位 调 制 （ PM） ； 数 字 调 制 有 幅 移 键 控 （ ASK） 、 频 移 键 控 （ FSK） 、 相 移 键 控 （ PSK） 以 及 快 速 频 移 键 控 （ FFSK） 、 高 斯 最 小 频 移 键 控 （ GMSK） 等 。 在 450MHz 列 车 无 线 调 度 通 信 系统中，语音信息采用 FM 调制，而调度命令、车次 号校核数据信息采用 FFSK 调制；在铁路数字移动通信系统 GSM-R 中，则采用 GMSK 调 制。 2. 解调 解调是调制的逆过程，其作用是从接收的已调信号中恢复原调制信号，即基带信号。 常用的解调方式有两种：即相干解调和非相干解调（包络检波、鉴频器） 。 四、 无线通信的工作方式 无线通信的工作方式主要有单工通信、双工通信和半双工通信三种。 1.单工通信方式 所谓单工方式，是指通信双方只能交替地进行发信和收信。根据通信双方是否使用相 同的频率，单工制又分为同频单工和异频单工，如图 2-2 所示。 单工通信方式的收、发信机可使用同一副天线，而不需天线共用器，设备简单，功耗 小，但操作不方便。在使用过程中，往往会出现通话断续现象。 f1( f1) f1( f2) f1( f1) f1( f2) 图 2-2 单工方式 2.双工方式 双工方式是指通信双方收发信机可同时工作，如图 2-3 所示。这种工作方式虽然耗电 量大，但使用方便。双工方式主要用于公用移动通信网和铁路移动通信 GSM-R 中。 f1 f2 f 1 f2 f1 f2 图 2-3 双工方式 3.半双工方式 半双工方式是指通信双方中有一方使用双工方式，而另一方则采用单工方式，如图 2- 4 所示。这种方式的特点是设备简单、功耗小，克服了通话断断续续的现象，但操作仍不 太方便。半双工方式主要用于汽车调度系统、列车无线调度等系统中。 f 1 f 2 f 1 f 2 送话器 受话器 双工器 P T T 发射机 接收机 送话器 受话器 发射机 接收机 基站 移动台 图 2-4 半双工方式 第二节 发射机 一、发射机的工作过程 我们知道，人耳能听到的声音频率约在 20Hz20kHz 的范围内，通常把这一频率范围叫 音频。声波在空气中传播速度很慢，约 340m/s，而且衰减很快。一个人无论怎样尽力高喊， 他的声音也不会传的很远。自从发明了电与电声器件后，可以把声音变成电信号，再经对 方的耳机恢复成原来的声音，从而把声音传到远方，这就是有线电话。 怎样才能不用导线，将声音信号由自由空间传播出去呢？ 由电磁波理论可知，交变的电震荡可以利用天线向空间敷设电能，这电能以波的形式 向外传播，称为电磁波，它的传播速度等于光速，但是天线的尺寸必须足够长，这种电磁 辐射才有效。具体的说，天线尺寸与被辐射信号的波长相比拟时（波长 的 1/101） ，信 号才能被天线有效的辐射出去。对于音频范围 20Hz20kHz 来说，这样的天线不可能实现。 所以电磁波辐射要使用高频。 直接将音频信号辐射出去是困难的，即使能辐射出去，因各个电台的发射信号频率范 围大致相同，接收机也无法区分。只有利用高频电振荡，并设法将音频信号“转载”到高 频电振荡之中，然后由天线辐射出去。高频电振荡又称“载频” ，不同的电台可以采用不同 的载频频率，避免相互之间的干扰。 把音频信号“装载”到高频振荡信号上的过程叫做调制。根据音频信号控制高频振荡 的方法不同，可分为调幅（AM） 、调频（FM）和调相（PM）三种调制方式，它们是以音频信 号分别控制高频振荡的幅度、频率和相位而区分的。专用电台多采用调频方式。 二、发射机的结构 无线电发射机的任务是产生一个功率足够大的高频振荡，并使高频振荡按照待传递的 信息变化，最后以电磁波的形式把能量辐射出去到达远方。如图 2-2 所示，它主要由音频 放大器（话音处理电路） 、调制、变频器、高频功率放大器等组成。 图 2-2 典型的移动通信电台组成图 发射机各部分功能 (1)音频放大器（话音处理电路）一般由三部分电路组成： 预加重电路 其与接收机中的去加重电路结合，改善话音传输的信噪比，提高话音质量。 瞬时频偏控制电路 完成对瞬时话音信号进行限幅，防止出现过大的调制度，保证调制的最大频偏小于 5 kHz。 低通滤波器 将话音频率限制在 3003 000 Hz，保证话音信号的最高频率小于 3 kHz。 (2)调制就是对话音进行处理并装载到高频信号上，使其变为适合于信道传输的形式的 过程，装载话音信号的高频信号又称为载波。 (3)变频器是将已调信号的频率提高，使之达到信道的工作频率。 (4)高频功率放大器一般包括高频激励放大器和输出功率放大器，完成对已调高频信号 的功率放大，使发射机的输出功率满足要求，并送至天线以一定的功率向外辐射。 三、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 各类电台都要按国家无线电管理委员会分配的波段范围工作，不允许任何电台擅自超 越 波段范围发射无线电波，以保证无线电通信有秩序地进行，避免相互干扰。频率准确度是 指发射机实际工作频率偏离规定工作频率的程度。频率稳定度是指发射机在工作过程中载 频频率的稳定程度。频率准确度与稳定度是发射机的两个重要指标，发射机频率准确度愈 高，对准频率愈容易，沟通通信愈迅速；发射机频率稳定度愈高，对邻近波道的干扰愈小， 并提高了通信的可靠性。 2要有足够的功率输出 发射机的输出功率是通信距离的一个重要因素。很显然，发射机的输出功率愈大，通 过天线辐射出去的能量愈大，就可达到更远的通信距离。但发射机的输出功率大小，取决 于它的用途，一般固定的基地台功率较大，而移动电台的发射机输出功率都比较小，有的 电台只有 1W 左右。并且，输出功率应和要求覆盖的服务范围相适应，盲目地增大输出功率 不仅会造成浪费，更重要的会增加系统的干扰，不利于频率的有效利用。同时，还应有较 高的效率，在给出的全机输入总功率条件下（一般是指直流电源消耗功率） ，发射机产生的 输出功率越大，则发射机的效率越高。发射机的效率高不仅能大大节约电源消耗，而且可 减小设备的体积和重量，这点对于便携电台尤为重要。 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，将对其他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。 5移动电台 移动电台更要注意体积小、重量轻、结构简单可靠、使用与维修方便。 第三节 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，再由解凋器解调，还原话音信号，其结构如图 2-2 所示。 （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，并根据系统设计与实际情况决定。 (2)应具有高的接收灵敏度。接收机灵敏度是指正常工作时，即在接收机的输出端有额 定的输出功率和信号噪声比时，接收机输入端所需的最小信号电压值。它表示接收机接收 微弱信号的能力，这个值愈小说明接收机灵敏度愈高，接收机灵敏度主要由接收机的总放 大量和噪声决定。当输出功率一定时，放大量愈大，天线上需要的感应电势愈小，灵敏度 愈高。接收机在放大信号的同时，噪声也会随之增大，因此接收机的灵敏度受到噪声的限 制。 (3)应有好的选择性。当接收机工作时，除有用信号进入接收天线外，还有许多频率的 干扰信号进入天线。接收机的选择性，就是表示它选取有用信号和抑制其他无用信号的能 力。 值得注意的是，接收机的选择性概念，一定要与通频带宽度联系起来才有意义。也就是说， 必须在保证通频带宽的前提下提高接收机的选择性，否则，将会使输出信号产生失真。 (4)应有好的保真度。保真度是指接收机输出信号与输入端高频信号调制波形相似的程 度。通信的基本任务是要求接收机输出的信号波形与原来调制信号的波形一样。实际上， 信 号通过接收机，不可避免地产生失真，接收机的失真愈小，则它的保真度愈高。接收机产 生失真的原因很多，可分为频率失真、非线性失真和相位失真。 (5)应有高的工作稳定度。为了使通信经常保持通畅，接收机必须工作可靠，性能稳定。 工作稳定度包括两个方面：在工作过程中，接收机质量指标的变动，不应超出允许范围； 在任何情况下，接收机不应该有自激现象。 （二）无线电接收机的工作过程 接收机的工作过程正好与发射机相反，它的任务是把天线接收下来的射频载波信号首 先进行低噪声放大，然后经过变频（一次、两次甚至三次变频） 、中频放大和解调后还原出 原始信号，最后经低频放大器放大后输出。接收机的组成框图如图 2-3 所示。 图 2-3 接收机的组成框图 第四节 天线 天线是无线通信系统的重要组成部分。其主要作用是把射频载波信号变成电磁波或者 把电磁波变成射频载波信号。按照规范性的定义， “天线就是把导行模式的射频电流变成扩 散模式的空间电磁波的传输模式转换器，及其逆变换的传输模式转换器” 。馈线的主要作用 是把发信机输出的射频载波信号高效地送至天线。这一方面要求馈线的衰耗要小，另一方 面其阻抗应尽可能与发信机的输出阻抗和天线的输入阻抗相匹配。 表征天线性能的主要参数有方向图，增益，输入阻抗，驻波比，极化方式，双极化天 线的隔离度，及三阶交调等。 （1）方向图 天线方向图是表征天线辐射特性空间角度关系的图形。以发射天线为例，是从不同角 度方向辐射出去的功率或场强形成的图形。一般地，用包括最大辐射方向的两个相互垂直 的平面方向图来表示天线的立体方向图，分为水平面方向图和垂直面方向图。平行于地面 在波束场强最大位置剖开的图形叫水平面方向图；垂直于地面在波束场强最大位置剖开的 图形叫垂直面方向图。 描述天线辐射特性的另一重要参数半功率宽度，在天线辐射功率分布在主瓣最大值的 两侧，功率强度下降到最大值的一半（场强下降到最大值的 0.707 倍，3dB 衰耗）的两个 方向的夹角，表征了天线在指定方向上辐射功率的集中程度。 （2）方向性参数 不同的天线有不同的方向图，为表示它们集中辐射的程度，方向图的尖锐程度，我们 引入方向性参数。理想的点源天线辐射没有方向性，在各方向上辐射强度相等，方向是个 球体。我们以理想的点源天线作为标准与实际天线进行比较，在相同的辐射功率某天线产 生于某点的电场强度的平方 E2 与理想的点源天线在同一点产生的电场强度的平方 E02 的比 值称为该点的方向性参数 D=E2/E02。 （3）天线增益 增益和方向性系数同是表征辐射功率集中程度的参数，但两者又不尽相同。增益是在 同一输出功率条件下加以讨论的，方向性系数是在同一辐射功率条件下加以讨论的。由于 天线各方向的辐射强度并不相等，天线的方向性系数和增益随着观察点的不同而变化，但 其变化趋势是一致的。一般地，在实际应用中，取最大辐射方向的方向性系数和增益作为 天线的方向性系数和增益。 另外，表征天线增益的参数有 dBd 和 dBi。dBi 是相对于点源天线的增益，在各方向的 辐射是均匀的；dBd 是相对于对称阵子天线的增益，dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益 越高，电波传播的距离越远。习惯上我们采用 dBi 来表征天线的增益。 （4）输入阻抗 输入阻抗是指天线在工作频段的高频阻抗，即馈电点的高频电压与高频电流的比值， 可用矢量网络测试分析仪测量，其直流阻抗为 0。 （5）驻波比 由于天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗不可能完全一致，会产生部分的信号反射，反 射波和入射波在馈线上叠加形成驻波，其相邻的电压最大值与最小值的比即为电压驻波比 VSWR。 （6）极化方式 根据天线在最大辐射（或接收）方向上电场矢量的取向，天线极化方式可分为线极化， 圆极化和椭圆极化。线极化又分为水平极化，垂直极化和45极化。发射天线和接收天 线应具有相同的极化方式。 第五节 电磁波传播 一、 无线通信使用的频率和波段 无线通信初创时期使用的频率较低，频率范围较窄，波段主要限于长波和中波。随着 科学技术的不断进步，使用的频率范围逐步扩大。目前无线通信使用的频率从超长波波段 到亚毫米波段（包括亚毫米波以下） ，以至光波。无线通信使用的频率范围和波段见表 1- 2。 表 1-2 无线通信使用的电磁波的频率范围和波段 二、无线通信的电磁波传播 无线通信中的电磁波按照其波长的不同具有不同的传输特点，下面按波长分述如下： （1）极长波传播 极长波是指波长在 110 万千米（频率为 330Hz）的电磁波。理论研究表明，这一 波段的电磁波沿陆地表面和海水中传播的衰耗极小。 （2）超长波传播 超长波是指波长 1 千千米至 1 万千米（频率为 30300Hz）的电磁波。这一波段的电 磁波传输十分稳定，在海水中衰耗很小（频率为 75 Hz 时衰耗系数为 0.3dB/m） ，对海水穿 透能力很强，可深达 100m 以上。 （3）甚长波传播 甚长波是指波长 10 千米100 千米（频率为 330kHz）的电磁波。无线通信中使用的 甚长波的频率为 1030kHz，该波段的电磁波可在大地与低层的电离层间形成的波导中进 行传播，距离可达数千公里乃至覆盖全球。 （4）长波传播 长波是指波长 1 千米10 千米（频率为 30300kHz）的电磁波。其可沿地表面传播 （地波）和靠电离层反射传播（天波） 。天波虽然可由电离层反射传播较远，但电离层对其 吸收较强，且由于低层电离层参数变化大，极不稳定，衰落严重。地波传播主要与大地的 导电率有关，传播较为稳定，在陆地一般传播距离为几十到几百公里。当天波、地波同时 存在时，会产生相互干涉，也会形成衰落。当地波在海面上传播时，由于海水导电率高， 因而电磁波衰耗较小，传播距离比陆地要远得多，可达数百乃至数千公里。该波段的低端 （3060kHz）的电磁波能穿透一定深度的海水，可用于对潜艇通信。 （5）中波传播 中波是指波长 100 米1000 米（频率为 3003000kHz）的电磁波。中波可沿地表面传 播（地波）和靠电离层反射传播（天波） 。中波沿地表面传播时，受地表面的吸收较长波严 重。中波的天波传播与昼夜变化有关。在白天，电离层的 D 层对中波吸收较为严重，中波 难以天波的形式传播，只能靠地波传播。在夜间，电离层的 D 层消失，E 层电子密度下降， 高度上升，对中波的吸收减少，因而中波可由电离层的 E 层反射。在夜间，中波除靠地波 传播之外，还靠天波传播。 （6）短波传播 短波是指波长 10 米100 米（频率为 330MHz）的电磁波。短波可沿地表面传播（地 波） ，沿空间以直射或绕射方式传播（空间波）和靠电离层反射传播（天波） 。由于地表面 对短波的吸收强烈（与中波相比） ，且随频率的升高而明显增大。因而，短波的地波传播一 般不超过几十公里（在短波的低端） 。短波的空间波传播主要是靠电波的直射和绕射传播。 空间波传播方式不是短波的主要传播方式，短波的天波传播是短波传播的主要方式。短波 的天波传播与电离层变化（昼夜变化，季节和年的变化，以及磁暴、太阳黑子变化、核爆 炸等）密切相关，也与天线的仰角和工作频率密切相关。由于电离层折射系数的梯度分布 及与频率的关系，短波的传播过程中存在着多径效应，因而存在着严重的衰落现象。 （7）超短波传播 超短波是指波长 1 米10 米（频率为 30300MHz）的电磁波。由于地表面对超短波的 吸收严重，同时也由于超短波对电离层的穿透能力强，其在电离层中的折射系数趋近于 1，因而经电离层反射（天波）的能量很小。所以超短波难以靠地波和天波传播，而主要以 直射方式（即所谓的“视距”方式）传播。另外，由于对流层中的大气湍流气团对超短波 有散射作用，因而超短波利用这种散射作用，可实现超短波的“超视距”传播，超短波具 有一定的绕射传播能力，其频率越高，绕射能力也就越差。 （8）微波传播 微波是指波长小于 1 米（频率高于 300MHz）的电磁波。目前又按其波长的不同，分为 分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波。 微波的传播类似于光波的传播，是一种视距传播，其主要在对流层内进行。总的来说， 这种传播方式比较稳定，但其传播也受到大气折射和地面反射的影响。另外，对流层中的 大气湍流气团对微波有散射作用，利用这种散射作用可实现微波的超视距传播。 （9）激光传播 鉴于光也是一种电磁波，而激光是相干性好的单色光，因而激光的传播也是一种电磁 波的传播。激光在大气中的传播主要是视距传播，易受气候影响。大气中的氧、氮、二氧 化碳、水蒸气等对激光信号有吸收作用；大气分子密度的不均匀和悬浮在大气中的尘埃、 烟、水晶、盐粒子、微生物和微小水滴对光信号均有散射作用，由地球表面的空气对流引 起的大气湍流可对激光传播产生光束偏转、光束扩散和光束闪烁，某些波长的激光（如 =0.5m 的蓝绿激光）可在水中传播。 第三章 铁路无线列车调度通信系统 第一节 无线列调概述 铁路无线列车调度通信系统是铁路运输指挥的重要基础设施，对铁路运输与安全起着 至关重要的作用。铁路无线列车调度通信系统（以下简称无线列调）包括用于列车调度通 信的车站无线电台、机车无线电台、调度总机及附属设施（含无线车次号校核系统、调度 命令无线传送系统） 。 无线列车调度系统采用在铁路沿线设置无线电台进行链状无线覆盖，主要用于铁路列 车调度相关人员语音通信及数据传输，是铁路专用无线模拟通信系统。系统示意图见图 3- 1 所示。 图3-1 列车无线调度通信系统构成示意图 按照通信业务形式无线列调系统的功能分为语音功能和数据功能两类。 语音业务主要满足机车司机、运转车长、车站值班员之间（小三角）以及调度员、机 车司机、车站值班员之间（大三角）的语音通信。 数据传输业务分为调度命令传送、无线车次号校核信息传送及列车尾部风压数据传送。 450MHz 模式下，传输方式采用 FFSK（快速移频键控）编码方式，传输速率：1200bit/s。 特征频率：“1”为 1200Hz， “0”为 1800Hz。采用同步数据传输方式。 差错控制采用前向 纠错与 CRC 校验结合的方式。 第二节 无线列车调度系统设备组成及功能 无线列调系统包括：机车设备（机车电台、车次号机车编码器、适配器、调度命令传 送机车装置、操作显示终端、打印机等） 、车站设备（车站电台、车次号车站接收解码器、 调度命令传送车站转接器等） ，便携电台、区间设备（区间中继器、直放站等） 、无线调度 总机、有线/无线转接器，射频漏泄同轴电缆及其它附属设备等。 1.调度总机 调度总机包括主机、控制台和录音装置。可满足调度员可按车次号个别呼叫司机并通 话；或采用选站后群呼方式呼叫司机并通话；或对该调度区段的所有司机进行呼叫、并发 布通告。在紧急情况下，调度员可优先与司机通话。司机采用信令方式呼叫调度员。在紧 急情况下，机车司机可向调度员发出紧急呼叫并通话。 2.车站电台 车站电台包括车站电台主机（含电源、有线无线转接单元、检测单元）、控制盒(含送 受话器)及连接电缆、天线及馈线。可自备录音装置。 3.机车电台 机车电台包括主机（含电源、检测单元）、控制盒(含送受话器)及连接电缆、天线及 馈线。可自备录音装置。 4.直放站 直放站（中继器）属于同频放大设备，是指在无线通信传输过程中起到信号增强的一 种无线电发射中转设备。直放站的基本功能就是一个射频信号功率增强器。 射频直放站：铁路应用的射频直放站多为移频直放站，移频直放站由主机设备和从机 设备（置于需要覆盖区域边缘）组成，主机直接由车站电台耦合 RF 信号（或由无线接收车 站电台 RF 信号）将车站电台的载频移到另一频率点上转发给从机，从机再将被移动的频点 还原到原车站电台的频率，从而实现了主机、从机的高隔离度和主机与从机之间的无线链 接。 光纤直放站：光纤直放站由近端机、远端机、光纤、耦合器、天馈线或漏缆等组成。 近端机通过无线耦合或者直接耦合方式获取信源信号，并将信源信号经过电/光转换为光信号， 光信号通过光缆传输至远端机。远端机通过光/电转换为信源信号，通过远端覆盖天线实现对目 标区域的信号覆盖。 5.区间中继器 区间中继器包括无线中继台和互控中继台。无线中继台采用无线信道作为中继链路， 构成中继台与车站电台的无线链路，个别区段也可采用互控中继台方式，车站电台与中继 台、中继台之间频率按交替配置，并采用电缆连接，构成有线无线相结合的中继链路。中 继台按用途分为明区间弱场中继设备和隧道内盲区中继设备。 明区间弱场中继设备：由首台中继器和尾台中继器组成,首台设在车站,尾台设在弱场 区边缘。 隧道中继设备是解决无漏缆隧道内通信的专用设备,它由洞口中继器或洞内中继器、平 板天线、连接洞内中继器和平板天线的功分器、射频电缆和连接两中继器的中频隔离器、 控制电缆组成。其中控制电缆内既传输中继器所需的 220V 交流电源又传输含有呼控信令的 中频 455kHz,两者通过中频隔离器分开。隧道较短时洞内可不设中继器,较长时可设洞内中 继器。通过远端覆盖天线实现对目标区域的信号覆盖。 6.泄漏同轴电缆 泄漏同轴电缆是一种在同轴电缆外导体纵长方向，以一定的间隔和不同形式开槽的特 制同轴电缆。开槽的目的是为了使其电信号能量能从电缆槽口辐射出来，以达到向外传播 和接收外来无线电波的目的，开槽的形式则取决于所使用的无线电波的频段。漏泄同轴电 缆包括型、型、调相接头（含头、座）、固定接头、终端接头（含头、座、阻抗转换） 、功率分配器、终端匹配负载。 7.便携台 便携台包括主机、电池、天线、充电器等。 8.机车出入库自动检测设备 机车出入库自动检测设备由机车出入库检测主机（包括计算机、打印机、车站电台）、 启动信号发送设备以及相应的机车电台内的检测单元组成。 检测项目包括发射机性能、接收机性能、呼叫控制信号、调制解调器、电源等。 第三节 列车无线调度系统制式 根据铁路列车无线调度通信的组网方式及设备功能的不同，铁路列车无线调度通信系 统分 A、B、C 三种制式。 A 制式采用有线、无线相结合的组网方式。车站台、机车台、便携台之间的通信采用 无线方式；调度台至车站台的有线通道由数字电路或四线制音频话路构成。调度员、车站 值班员与司机之间采用双工通信方式；车站值班员、助理值班员、司机、运转车长之间采 用半双工或单工通信方式；移动用户之间采用异频单工通话时，由车站台、区间中继设备 转信；机车台与调度所设备、车站台之间的数据传输采用双工通信方式。 B 制式分为单双工兼容四频组方式（以下简称 B1制式）和同、异频独立同步半双工方 式（以下简称 B2制式） ，采用有线、无线相结合的组网方式。车站台、机车台、便携台之 间的通信采用无线方式；调度台至车站台的有线通道由数字电路或四线制音频话路构成。 B1制式调度员与司机之间采用双工通信方式；车站值班员、助理值班员、司机、运转 车长之间采用双工、半双工、单工通信方式；移动用户之间采用异频单工通话时，由车站 台、区间中继设备转信；机车台与调度所设备、车站台之间的数据传输采用双工通信方式。 B2制式调度员、车站值班员与司机之间采用半双工通信方式；车站值班员、助理值班 员、司机、运转车长之间采用单工通信方式；移动用户之间采用异频单工通话时，由车站 台、区间中继设备转信；机车台与调度所设备、车站台之间的数据传输采用半双工通信方 式。 C 制式采用有线、无线相结合的组网方式。车站台、机车台、便携台之间的通信采用 无线方式。调度所至车站台的有线通道由数字电路或二线/四线音频话路构成。 调度员、车站值班员、助理值班员、司机、运转车长之间的通话采用单工方式。机车 台与调度所设备、车站台之间数据传输采用单工通信方式。 第四节 系统工作频率配置 450MHz频段列车无线调度通信系统的工作频率应符合表6-1规定。 表6-1 列车无线调度通信系统工作频率 (MHz) A制式、B制式车站电台设备频率配置不少于4个工作频组。车站电台发射频率宜采用交 替配置，发射频率为f1、f2、f3，在特殊情况下，C制式车站电台采用单一频率配置，发射 频率为f2（异频）或f4（同频）。接收频率为f4。 机车电台工作频率配置不少于4个工作频组。发射频率为f4，接收频率为频组内频率 f1、f2、f3、f4 或f2、f4。 便携电台工作频率配置不少于4个工作频组。频组内接收扫描频率为f1、f2、f3、f4 或 设置f4。 无线车次号校核频率为专用工作频点。 呼叫、控制、回铃信号 信号的指标要求应符合表 6-4 的规定。 表 6-4 信号指标要求 序号 项 目 指 标 要 求 备 注 1 音频呼叫信号额定频偏(kHz) 3 容差+15% 2 亚音频呼叫控制信号频偏(kHz) 0.5 容差+15% 3 信号频率准确度（%） 0.5 4 音频呼叫信号检出特性 在 6dB 信纳比，频偏3kHz时，解码电路工作 5 亚音频呼叫、控制信号检出特性 在 6dB 信纳比，频偏0.5kHz时，解码电路工作 -2.5 解码的低端值 -1.5 6 音频呼叫信号接收带宽（%） 1.5 解码的高端值 2.5 -2.0 解码的低端值 -1.0 亚音频呼叫控制信号接收带宽（%） 1.0 解码的高端值 2.0 7 呼叫信号检出时间（s） 0.3 8 控制信号检出时间（s） 0.25 9 呼叫信号发送时间（s） 2t3 或 2t5 10 回铃信号持续时间（s） 0.5 容差10% 11 转信保持时间（s） 9 容差10% 12 通告时间（s） 发送 0.5，间隔 4 容差10% 第五节 呼叫控制流程 （一）通话链路的建立 车站电台、机车电台、便携台之间采用信令方式区别呼叫。 有条件时，相邻车站值班员之间可通过无线信道进行通话。主要流程： 1.按下呼叫按键，发送呼叫信号。在发送呼叫信号时间内，相应按键指示灯闪亮。呼 叫信号发送完毕，相应按键指示灯常亮，进入相应状态。 2.接收到呼叫音，相应的呼入指示灯闪亮;呼叫音结束开始发回铃音，同时打开音声门。 接收呼叫音最长时间为5s，5s后开始发回铃音（0.5s），打开音声门，79s内摘机建立通 话链路，指示灯常亮，79s内不摘机，回到守候状态。 3.机车电台或便携台呼叫另一机车电台或便携台由车站电台或区间中继设备转信时， 应同时发送114.8Hz和186.2Hz呼叫信号，车站电台或区间中继设备收到该信号应同时发送 114.8Hz和186.2Hz呼叫信号。为保持车站电台或区间中继设备转信状态，主呼和被呼的机 车电台或便携台应随话发186.2Hz转信控制信号。 4.通话完毕，无载频和PTT信号，30s后电台设备应向用户发出挂机提示或自动挂机。 （二）越区跟踪切换 为实现调度与司机通信时的越区自动切换，无线列调采用了导频跟踪扫描技术。 车站电台发射频率为f1、f2、f3或f4，机车电台接收信道为f1、f2、f3、f4自动循环扫描， 按场强优选或信噪比锁定信道。 车站电台发射频率采用导频信号F1、F2、F3，与f1、f2、f3信道相对应随路信令发送； 或采用车站电台场强比较方式，实现调度与司机通信时的越区自动切换。 机车电台发射导频信号F1、F2、F3，车站电台收到与本台双工发射频率相对应的导频 信号时，启动该车站电台发射机建立无线通道，同时接通有线通道；选用预启动方式时， 车站电台收到预启动控制信号，启动发射机建立无线通道；再收到与本台双工发射频率相 对应的导频信号时，接通有线、无线通道。 （三）机车电台切换工作模式 1.开机初始化 开机应进入关机前所记忆的工作模式。 2.自动切换工作模式 机车运行过程中，电台控制单元根据GPS接收机实时输出的地理位置信息，与存在电台 中的地理数据库线路坐标相比较，并得出机车当前位置的模式信息，控制机车电台主机保 持或自动转换与当前地面系统一致的工作模式。控制盒LCD显示屏应显示当前相对应的调度 区段或区间名称;并在扬声器中发出“注意转换”音声提示，连续两次，间隔1s。 3.手动切换工作模式 当GPS接收机故障时，电台自动转入手动转换模式并关闭自动转换功能，控制盒面板 “模式”指示灯闪亮，LCD显示GPS接收机故障前的工作模式。按下“模式”键3s，进入手 动模式转换，控制盒面板“模式”指示灯常亮；需退出手动转换模式时，按下“模式”键 3s，转入自动转换模式，控制盒面板“模式”指示灯熄灭。 （四）隧道中继器通信流程 车站呼叫机车:站台将呼叫机车的 114.8Hz 信令调制到 F1 发射,洞口中继器收 F1 后解 调出含有 114.8Hz 信令的中频 455kHz,中频经控制电缆传至洞内各中继器再调制到 F1 经射 频电缆及功分器传至平板天线发射,机车收 F1 解调出 114.8Hz 后显示被呼叫并发 415Hz 回 铃信号,经相应操作,双方通话。机车呼叫车站:为上述反向流程,呼叫车站信令为 123Hz。 车站经首尾中继器与隧道内机车的通信与上述类似。 （五）机车电台出入库检测流程 1.地面遥控检测机车电台 （1）输入待检机车电台设备的机车号（据维护管理记录转换为机车电台设备ID号码）， 在场强限定范围内,库检设备使用机车电台工作频组f4发送检测启动命令2次（间隔7ms）启 动机车台的自动检测；或通过应答器自动向机车台传送启动检测信息启动机车台的检测 （2）机车电台收到检测命令后，频率转为非工作频组F4，将自