无线通信的频率与频段划分.pdf

School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 第二章无线通信的频率与频段划分 2 1 引言 2 2 无线电的发明 2 3 傅立叶级数与无线电频谱 2 4 无线电频谱的开发 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 实验表明实验表明实验表明实验表明 任何导体任何导体任何导体任何导体 中有电流通过中有电流通过中有电流通过中有电流通过 时时时时 其周围空其周围空其周围空其周围空 间会产生磁间会产生磁间会产生磁间会产生磁 场场场场 这种现象这种现象这种现象这种现象 叫做电流的磁叫做电流的磁叫做电流的磁叫做电流的磁 效应效应效应效应 1 无线电是如何发明的 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 安德烈 玛丽 安培 Andr Marie Amp re 1775 1836 法国物理学家 化学家 发现了右手螺旋定则 安培定律 右手螺旋定则 右手握住通电螺线管 四指弯曲与电流 方向一致 大拇指所指的那一端是通电螺线管 的N极 2 1 引言1 无线电是如何发明的 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 电磁感应现象 2 1 引言1 无线电是如何发明的 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 磁 磁磁 磁 电 电 电 电 麦克斯韦方程 变化的磁场变化的磁场变化的磁场变化的磁场 产生电场产生电场产生电场产生电场 电荷的流动电荷的流动电荷的流动电荷的流动 产生磁场产生磁场产生磁场产生磁场 1 无线电是如何发明的 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 波长 同一时刻 空间的波动的波峰之间的长度 单位 米 振荡周期 空间一点 无线电场强从最高到低回到最高的时间 单位 秒 同一时刻 空间一点 t T cTcf 波长周期频率光速 1 无线电是如何发明的 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 2 2 2 2 傅立叶级数在无线电通信中如何体现 早期的无线电互相干扰无法通信 使用了相同的频谱 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 1777年父母双亡 被当地教堂收养 1794年到巴黎 高等师范学校的首批学员 1798年随拿破仑远征埃及时任军中文书 1801年回国后任伊泽尔省地方长官 1807年向巴黎科学院呈交 热的传播 论文 傅里叶级数理论由此创始 1817年当选为科学院院士 1822年在 热的分析理论 中解决了热在非 均匀加热的固体中分布传播问题 任该院终身秘书 Jean Baptiste Joseph Fourier 1768 1830 傅立叶 法国数学家物理学家 2 2 2 2 傅立叶级数的科学意义是什么 2 2 2 2 傅立叶级数在无线电通信中如何体现 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 傅立叶的两个最主要的贡献 周期信号都可表示为谐波关系的正弦信号的加权和 傅里叶的第一个主要论点 非周期信号都可用正弦信号的加权积分表示 傅里叶的第二个主要论点 2 22 22 22 2 傅立叶级数与无线电频段的划分 2 2 2 2 傅立叶级数在无线电通信中如何体现 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 1 对称方波包含哪些正弦波成分 tttttS 7sin 7 4 5sin 5 4 3sin 3 4 sin 4 11sin 11 4 9sin 9 4 tt 2 2 2 2 傅立叶级数在无线电通信中如何体现 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering Z f t 傅里叶变换 一次谐波 三次谐波五次谐波 七次谐波 t sin 4 t 3sin 3 4 t 5sin 5 4 t 7sin 7 4 信号的频谱 f0 3f07f05f0 4 4 3 4 5 4 7 2 2 2 2 傅立叶级数在无线电通信中如何体现 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering F t Z 时域 f f03f05f07f0 4 3 4 7 4 5 4 1 F O Z 频域 示波器 频谱仪 时域与频域体现同一信号的不同形式 1 1 2 2 2 2 傅立叶级数在无线电通信中如何体现 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 时域频域 2 2 2 2 傅立叶级数在无线电通信中如何体现 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 空中的数字无线电波 1001000 1001111 1010111 1000001 ASK FSK PSK 10001001 3 3 3 3 无线电信号具有怎样的频谱 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering ASK FSK PSK f fc1 A fc2 FSK信号带宽信号带宽信号带宽信号带宽 ASK PSK 信号带宽信号带宽信号带宽信号带宽 不同的调制方式具有不同的带宽 不同的载波的已调波在频率轴上具有不同的位置 2 2 2 2 傅立叶级数在无线电通信中如何体现 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 无线电频段的划分 距离 速度X 时间 波长 一个波动的距离 光速X 无线电振荡周期时间 光速 频率 cTcf 4 无线电信号的频谱如何划分 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering m Hzf 甚低频VLF f 甚长波 甚低频 3KHz 30KHz10km 100km 用途 远距离导航 海底通信 3 103 5 103 4 103 10 103 6 103 7 103 8 103 9 103 5 10 2 10 4 10 3 10 1 10 2 10 110 11 103 14 108 14 103 6 10 3 10 7 104 4 无线电信号的频谱如何划分 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 无线电按频谱划分 m Hzf 低频LF f 长波 低频 30KHz 300KHz1km 10km 用途 远距离导航 海底通信 无线信标 3 103 5 103 4 103 10 103 6 103 7 103 8 103 9 103 5 10 2 10 4 10 3 10 1 10 2 10 110 11 103 14 108 14 103 6 10 3 10 7 104 4 无线电信号的频谱如何划分 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 无线电按频谱划分 m 中频MF f 中波 中频 300KHz 3MHz100m 1km 用途 海上无线通信 调幅广播 3 103 5 103 4 103 10 103 6 103 7 103 8 103 9 103 5 10 2 10 4 10 3 10 1 10 2 10 110 11 103 14 108 14 103 6 10 3 10 7 104 4 无线电信号的频谱如何划分 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 无线电按频谱划分 m Hzf 高频 HF f 短波 高频 3MHz 30MHz10m 100m 用途 业余无线电 国际广播 军事通信 远距离飞机 轮船间通信 电话 传真 3 103 5 103 4 103 10 103 6 103 7 103 8 103 9 103 5 10 2 10 4 10 3 10 1 10 2 10 110 11 103 14 108 14 103 6 10 3 10 7 104 4 无线电信号的频谱如何划分 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 无线电按频谱划分 m Hzf 甚高频VHF f 超短波 甚高频 30MHz 300MHz1m 10km 用途 VHF电视 调频双向无线通信 飞行器调幅通信 飞行器辅助导航 3 103 5 103 4 103 10 103 6 103 7 103 8 103 9 103 5 10 2 10 4 10 3 10 1 10 2 10 110 11 103 14 108 14 103 6 10 3 10 7 104 模拟电视 电视VHF有12个频道 1 5频道为48 5 92MHz 6 12频道为167 223MHz 4 无线电信号的频谱如何划分 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 无线电按频谱划分 m Hzf 特高频UHF f 分米波 特高频 300MHz 3GHz0 1m 1m 用途 UHF电视 蜂窝电视 协助导航 雷达 GPS 微波通信 个人通信系统 3 103 5 103 4 103 10 103 6 103 7 103 8 103 9 103 5 10 2 10 4 10 3 10 1 10 2 10 110 11 103 14 108 14 103 6 10 3 10 7 104 2G手机 900M 3G手机 2000M 数字电视 WLAN 2 4G 4 无线电信号的频谱如何划分 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 无线电按频谱划分 m Hzf 超高频SHF f 厘米波 超高频 3GHz 30GHz0 01m 0 1m 用途 卫星通信 雷达 微波通信 3 103 5 103 4 103 10 103 6 103 7 103 8 103 9 103 5 10 2 10 4 10 3 10 1 10 2 10 110 11 103 14 108 14 103 6 10 3 10 7 104 4 无线电信号的频谱如何划分 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 3 103 5 103 4 103 10 103 6 103 7 103 8 103 9 103 5 10 2 10 4 10 3 10 1 10 2 10 110 11 103 14 108 14 103 6 10 3 10 7 104 无线电按频谱划分 毫米波 极高频 极高频EHF f 30GHz 300GHz0 001m 0 01m 用途 卫星通信 雷达 实验 Hzf m 4 无线电信号的频谱如何划分 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 3 103 5 103 4 103 10 103 6 103 7 103 8 103 9 103 5 10 2 10 4 10 3 10 1 10 2 10 110 11 103 14 108 14 103 6 10 3 10 7 108 无线电按频谱划分 可见光 可见光 f 400 780nm 14 108 Hz 14 104 4 无线电信号的频谱如何划分 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 3 103 5 103 4 103 10 103 6 103 7 103 8 103 9 103 5 10 2 10 4 10 3 10 1 10 2 10 110 11 103 14 108 14 103 6 10 3 10 7 108 无线电按频谱划分 紫外线 紫外线 f 100 400 用途 光化学 灭菌 15 103 Hz m 14 108 4 无线电信号的频谱如何划分 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 3 103 5 103 4 103 10 103 6 103 7 103 8 103 9 103 5 10 2 10 4 10 3 10 1 10 2 10 110 11 103 14 108 14 103 6 10 3 10 7 104 无线电按频谱划分 m Hzf 红外线 太赫兹 未被完全认知 介于微波红外线之间 微波 红外线 f 0 78 400 用途 光纤通信 探测 医疗 11 103 14 104 Hz m 5 哪些无线电信号的频谱还未开发 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 太赫兹光谱 包括透射谱和反射谱 包含着非常丰 富的物理和化学信息 对于物质结构的探索具有重要意 义 5 哪些无线电信号的频谱还未开发 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 太赫兹的应用 太赫兹成像技术 5 哪些无线电信号的频谱还未开发 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 太赫兹的应用 太赫兹雷达 太赫兹卫星通信 5 哪些无线电信号的频谱还未开发 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 政府和军队的管理部门运用法律 行政 技术和经济手段 对无线电 波 卫星轨道资源实施统一的规划和控制 是对开发 利用无线电频谱和卫 星轨道资源 设置 使用无线电台站 研制 生产 进口 销售无线电设备 等有关无线电事务依法进行的管理 国家无线电管理委员会 6 6 6 6 人类如何提高无线电资源的利用率 无线电频谱管理 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 无线电频谱紧随随着技术进步逐步开发殆尽 1 39 5 923GHz频谱图 6 6 6 6 人类如何提高无线电资源的利用率 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 电磁兼容的要求 设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定 的限值 不干扰他人 器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度 即电 磁敏感性 他人干扰下我能工作 2 32 32 32 3 无线电频谱的开发 信号信号信号信号1带宽带宽带宽带宽信号信号信号信号2带宽带宽带宽带宽信号信号信号信号3带宽带宽带宽带宽 6 6 6 6 人类如何提高无线电资源的利用率 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 长波通信 1000Hz 短波 通信 3M 30M 电视 60M 800M 中波波 广播AM 600k 1530k GSM 900M GPS 1 5G 3G 2G wlan 2 4G 卫星 通信 2G 15G 制导 2G 15G 光纤 通信 光纤通信 300e15 有线通信 卫星通信 30e9 无线视距通信 短波通信 3e6 长距离无线电反射通信 长波通信 3e2 最长距离地面无线电 一些非授权频段过于拥挤 而有些授权频段 如电视 遥控等却经常空闲 灾害发生后 政府和公众均十分迫切地想了解灾情 通信业务 井喷式 增 长 形成通信阻塞 6 6 6 6 人类如何提高无线电资源的利用率 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 无线电环境 频谱感知 频谱决策 频谱分析 射频信号 空穴信息 信道容量 发射 空穴信息 射频信号 认知无线电 通过频谱感知 发现频率空洞 非授权用户使用授权频段 目的 提高无线电资源利用率 2 32 32 32 3 无线电频谱的开发6 6 6 6 人类如何提高无线电资源的利用率 School of Communication and Information EngineeringSchool of Communication and Information Engineering 频率空洞 频率空洞 频率空洞 时间 频率 功率 认知无线电 通过频谱感知 发现频率空洞 非授权用户使用授权频段 目的 提高无线电资源利用率 2 32 32 32 3 无线电频谱的开发 授权 用户 CR