电子信息技术导论-第3章

1、清华大学出版社清华大学出版社第第3章章 无线技术无线技术3.1 3.1 引言引言 移动通信、移动互联网、物联网等基于无线技术的现代通信手段，已经得到广泛应用。无线通信与移动通信系统的信道是无线信道，发送端天线发射的射频信号是无线电波，无线电波在自由空间中传播，到达接收端后，被接收天线所接收。因此，无线通信与移动通信技术的基础是无线电技术。第第3章章 无线技术无线技术190019201940196019802000年电 报广 播雷 达卫 星 通 信 中 继 通 信卫 星 遥 感蜂 窝 移 动 通 信直 播 卫 星 全 球 定 位 自 动 驾 驶个 人 信 系 统 图 像 传 输 数 据 网 络图

2、3.1 无线电技术的发展历史第第3章章 无线技术无线技术第第3章章 无线技术无线技术 麦克斯韦方程组是自由空间与介质中电磁场的基本定律,是无线电技术的理论基础。1888年，赫兹用实验证明了电磁波的存在。1898年，马克尼首次完成了无线电通信的实验。 从此，开启了应用无线电技术的崭新时代。第第3章章 无线技术无线技术3.2 射频/微波技术3.2.1 概述 射频是指可以用于无线电信号发射与接收的频率，通常包括中波、短波、超短波、以及微波以上的频段。 研究微波的产生、放大、传输、辐射、接收和测量的学科称为“微波技术”。微波是频率在300MHz-3000GHz之间、波长在1m-0.1mm（空气中）之间

3、的射频无线电波，如图3.2所示。第第3章章 无线技术无线技术图3.2 微波在电磁波谱中的位置第第3章章 无线技术无线技术微波，具有下列独特的性质： （1）似光性。（2）穿透性。（3）信息性。 现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无例外地都是工作在微波波段。此外，微波信号还可提供相位信息、极化信息、多普勒频率信息。这在目标探测、遥感、目标特征分析等应用中是十分重要的。第第3章章 无线技术无线技术3.2.2 无线电频谱第第3章章 无线技术无线技术 频谱作为一种资源，需要进行严格管理。 国际电信联盟的文件中,规定了雷达、 通信、 导航、 工业应用等无线电设备所允许的工作频段，常用微波频段的划分。

4、第第3章章 无线技术无线技术3.2.3 微波铁三角 在微波技术与工程中，频率、阻抗和功率是三大核心指标，故将其称为微波铁三角。 频率应于无线系统所工作的频谱范围。 功率用来描述微波信号的能量大小。 阻抗描述各种微波电路对微波信号能量传输的影响。第第3章章 无线技术无线技术频 率功 率阻抗 振 荡 器 、 压 控 振 荡 器 、 频 率 合 成 器 、 分 频 器 、 变 频 器 、 倍 频 器 、 混 频 器 、 滤 波 器 等频 率 计 数 器 /功 率 计 、 频 谱分 析 仪标 量 /矢 量网 络 分 析 仪阻 抗 测 量 仪 、网 络 分 析 仪阻 抗 变 换 、阻 抗 匹 配 、 天

5、 线 等 衰 减 器 、 功 分 器 、 耦 合 器 、 放大 器 、 开 关 等图3.4 微波铁三角示意图第第3章章 无线技术无线技术3.2.4 微波技术的应用 雷达（ Radio Detection And Ranging ，RADAR） 现代雷达多数是微波雷达，这主要是由于这些雷达要求它所用的天线能像光探照灯那样，把发射机的功率基本上全部集中于一个窄波束内辐射出去。 设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波。 雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息（目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等）。第第3

6、章章 无线技术无线技术2. 微波通信微波通信 微波通信是指用微波频率作载波携带信息进行通信的方式。 视距传播，是指发射天线和接收天线处于相互能看见的视线距离内的传播方式。地面通信、卫星通信以及雷达等都可以采用这种传播方式。第第3章章 无线技术无线技术图3.5 视线距离 第第3章章 无线技术无线技术 对于长距离通信可采用接力的方式：（1）微波中继通信，或称微波接力通信。（2）对流层散射通信：利用对流层传播进行通信。（3）卫星通信：利用人造卫星进行信号中继。第第3章章 无线技术无线技术3. 微波炉微波炉 微波炉是利用微波辐射烹饪食物的厨房电器。微波炉主要由壳体、整流装置、磁控管、波导、加热室等组成

7、。交变电流经电源变压器升压到10千伏左右后，再经高压电容器和整流器整流、滤波，变为直流电输给磁控管。第第3章章 无线技术无线技术图 3.6 微波炉第第3章章 无线技术无线技术 常规加热方式效率低, 加热时间长。 微波加热是一种“冷热源”, 它在产生和接触到物体时, 不是一般热气, 而是电磁能, 要在生物体内经过分子内部作用才能转化为热能。因此,使用这种能源加热时,不会像其他能源那样由外向内传输热能, 当内部发热时,外表就可能焦糊了。 微波炉的安全非常重要。由于使用很高微波功率源，泄漏电平必须很小，以避免使用户暴露在有害的辐射中。第第3章章 无线技术无线技术3.3 天线技术3.3.1 概述 无线

8、通信系统，利用无线电波来传递信息，如电视、广播、雷达、导航、移动通信、卫星等无线通信系统。 信 息 源信 号 变 换发 射 机接 收 机信 号 变 换受 信 者图3.7 无线通信系统框图 第第3章章 无线技术无线技术 发射系统由发射机、馈线和发射天线组成；接收系统由接收天线、馈线和接收机组成。 （1）在发射端，信号经发射机，调制成导行波能量，经馈线传输到发射天线，通过发射天线，将其转换为某种极化的电磁波能量，并辐射到预定方向。 （2）在无线信道中，电波传播到达接收点。 （3）在接收端， 接收天线将接收的电波，转换为已调制的高频电流能量，经馈线输送至接收机输入端。经接收机解调后取出信号，就完成了

9、信息的传送。 第第3章章 无线技术无线技术天线的种类很多，可以有不同的分类方法：（1） 按用途，将天线分为通信天线、导航天线、广播电视天线、雷达天线和卫星天线等。（2） 按工作波长，将天线分为超长波天线、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，将天线分为线天线和面天线。 （4） 按天线特性。第第3章章 无线技术无线技术3.3.2 天线主要参数（1）方向性系数（2）天线效率（3）天线增益（4）输入阻抗（5）天线的极化第第3章章 无线技术无线技术3.3.3 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、

10、后的电流分布相似。 ll2a图3.8 对称天线 第第3章章 无线技术无线技术（2）单极天线 单极天线如图3.9（a）所示。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 3.9（b）所示。 lllrzo(a)(b)图3.9 单极天线（a）及其镜像（b） 第第3章章 无线技术无线技术（3）喇叭天线 喇叭天线，是波导口逐渐张开，根据惠更斯原理，终端开口的波导管可以构成一个辐射器。EEEab(a)(b)(c)(d)图3.10 各种喇叭天线第第3章章 无线技术无线技术（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。图3.11 旋转抛物面

11、天线第第3章章 无线技术无线技术（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。双反射器天线由主反射器、副反射器和辐射器三部分组成。副 反 射 器辐 射 器主 反 射 器图3.12 卡塞格伦天线第第3章章 无线技术无线技术3.3.4 智能天线 智能天线的概念 智能天线通过某种智能算法来合并信号、自动适应不同的信号环境。对于给定的方向，天线增益是可以调整的。 智能天线也就是自适应天线，由多个天线单元组成，构成一个天线阵列。在每个天线后面接一个复数加权器，最后用相加器进行合并输出。 所谓智能或者自适应，就是指这些加权器的系数，根据一定的智能或者自适应算法更

12、新调整。智能天线具有以下优点： 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。 第第3章章 无线技术无线技术第第3章章 无线技术无线技术2. 数字智能天线数字智能天线 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。 智能天线的核心在于数字信号处理部分，它根据一定的准则，使天线阵产生定向波束指向用户，并自动地调整系数来实现所需的空间滤波。 智能天线需要解决的两个关键问题：（1）辨识信号的方向。（2）数字赋形的实现。 第第

13、3章章 无线技术无线技术3.3.5 多输入多输出技术 发送到接收机的信号会受到传播环境中地形、地物的影响而产生绕射、反射或散射，因而形成多径传播。多径传播将使接收端的合成信号在幅度、相位和到达时间上发生随机变化，严重地降低接收信号的传输质量，这就是所谓的多径衰落。 为提高移动通信系统的抗衰落能力，可以采用分集接收技术。分集接收技术有多种实现方法。第第3章章 无线技术无线技术 最初在衰落信道环境中提出的是天线分集接收技术。天线分集包括：（1）空间分集。（2）极化分集。（3）角度分集。 常见的是空间分集。在空间分集技术中，天线阵列的阵元之间的间隔需要大于相干距离，以便获得比较低的衰落相关性。 在移

14、动通信系统中，为抗击多径衰落，若采用多天线系统代替单天线系统，则系统的抗衰落性能会有很大提高。 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。采用多输入多输出系统，可以有效提高信道容量。 若接收天线数目不少于发射天线数目，则多输入多输出系统的信息容量随着发射天线数目的增加而线性增加。第第3章章 无线技术无线技术第第3章章 无线技术无线技术3.4 电波传播3.4.1 概述 无线电波，是指频率在几赫至数千吉赫范围内的电磁波。 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过程，称为无线电波传播。 在传播过程中，无线电波有可能受到反射、折射、绕射、散射和吸收，电磁波强度将发生衰减

15、，传播方向、传播速度或极化形式将发生变化， 传输波形将产生畸变。第第3章章 无线技术无线技术3.4.2 无线信道 在无线通信中，信号传输的信道是无线的。无线电波在无线信道中的传播可以分为以下3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。第第3章章 无线技术无线技术 大气衰减大气衰减 无线电波在大气中传播，大气对电波的衰减主要来自两个方面：（1）云、雾、 雨等小水滴对电波的热吸收及水分子、氧分子对电波的谐振吸收。热吸收与小水滴的浓度有关，谐振吸收与工作波长有关。 （2）云、 雾、 雨等小水滴对电波的散射， 散射衰减与小水滴半径的六次方成正比，与波长的四次方成反比。第第

16、3章章 无线技术无线技术2. 电离层影响电离层影响 电离层是地球高空大气层的一部分，从离地面60km的高度，一直延伸到1000 km的高空，电离层是非均匀媒质，电波在其中传播必然有反射、折射与散射等现象发生。 电离层的电子浓度变化具有：1）昼夜变化规律。2）季节变化规律。3）太阳黑子周期（11年）变化规律。第第3章章 无线技术无线技术3. 外层空间外层空间 电磁波，经低空大气层和电离层，到达外层空间的传播方式称为外层空间传播。如卫星传播， 宇宙探测等均属于这种远距离传播。 由于电磁波传播的距离很远，且主要是在大气以外的宇宙空间内进行的，而宇宙空间近似于真空状态，因而电波在其中传播时，它的传输特

17、性比较稳定。第第3章章 无线技术无线技术3.4.3 无线信道的电波传播 地面波 地面波传播是指电磁波沿着地球表面传播的情况。当天线低架于地面，天线架设长度比波长小得多，且最大辐射方向沿地面时，电波是紧靠着地面传播的。第第3章章 无线技术无线技术2. 电离层波电离层波电离层波具有以下特点： （1）频率的选择很重要。（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。 （3）电离层所能反射的频率范围是有限的，一般是短波范围。（4）电离层传播是靠高空电离层的反射进行的，受地面的吸收及障碍物的影响较小，传输损耗较小。 （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。 第第3

18、章章 无线技术无线技术3.4.4 信道特征根据研究问题的不同，选择不同的信道模型。编码器输入调制器发转换器媒质收转换器解调器译码器输出编 码 信 道调 制 信 道图3.13 信道的基本组成第第3章章 无线技术无线技术 调制信道和编码信道，是通信系统中常用的两种广义信道。 调制信道，指从调制器的输出端，到解调器的输入端的部分。包括发转换装置、 媒质和收转换装置三部分。 编码信道，指从编码器输出端，到译码器输入端的部分。包括调制器、调制信道和解调器。 无线信道的传输函数，随时间随机快变化，是随机参量信道，简称随参信道。第第3章章 无线技术无线技术（1）陆地移动信道 陆地移动通信信道，是指基站天线、

19、和手机天线之间的传播路径。陆地移动通信工作频段主要在射频与微波频段，电波传播特以直射波为主。由于城市建筑群和其他地形地物的影响，电波在传播过程中会产生反射波、散射波、地面波以及它们的合成波，电波传输环境较为复杂 。发射天线接收天线图3.14 陆地移动通信信道第第3章章 无线技术无线技术（2）卫星通信信道 卫星与地面站之间的信号要经过电离层传播。微波信号经过电离层，会产生法拉第旋转，使电波的极化发生偏转。因此，在卫星通信中需要使用圆极化波信号。地球AB图3.15 卫星通信信道第第3章章 无线技术无线技术3.5 软件无线电3.5.1 硬件无线电 所谓硬件无线电，是指无线电设备的功能是由硬件结构确定

20、的，系统的工作很少有软件参与，它们在功能上是确定的。军事无线装备具有如下特点：（1）品种多；（2）系列多；（3）通用性差；（4）协同能力差。这种问题的解决方案就是软件无线电。第第3章章 无线技术无线技术3.5.2 软件无线电的概念 软件无线电是20世纪末发展起来的通信新技术，是通信领域的第三次革命。这三次革命分别为：（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”。第第3章章 无线技术无线技术 软件无线电的定义 定义1：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

21、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。 定义2：软件无线电是一种新型的无线电体系结构，它通过硬件和软件的结合，使无线网络和用户终端具有可重配置能力。第第3章章 无线技术无线技术2. 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。 软件无线电可以使整个系统（包括网络和用户终端）采用动态的软件编程对设备进行重配置。也就是说，相同的硬件可以通过软件定义来完成不同的功能。第第3章章 无线技术无线技术3. 软件无线电的特点软件无线电的优势主要体现在：（1）系统结构通用，功能实现灵活，升级换代方便；

22、（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的能力。第第3章章 无线技术无线技术3.5.3 软件无线电的系统组成宽带/多频段天线RF部分A/D/ADDCDUC高速DSP专用可编程处理器低速DSP其它终端语音天线/RF段高速处理段低速处理段DDC-数字下变频DUC-数字上变频图3.16 软件无线电结构示意图第第3章章 无线技术无线技术 天线耦合器 射频前端下变频本振上变频滤波滤波ADCDAC 数字信号处理 系统控制部分图3.17 实际的软件无线电系统的基本组成第第3章章 无线技术无线

23、技术软件无线电系统的基本组成包括以下部分：（1）天线：发射与接收天线阵列。（2）射频前端。（3）变频部分：本振、上变频、下变频。（4）滤波器部分。（5）模数转换部分：ADC、DAC。（6）数字信号处理部分。（7）系统控制部分。第第3章章 无线技术无线技术软件无线电系统接收信号的过程如下：（1）天线接收模拟无线电信号。（2）信号经过天线耦合到射频部分。（3）经过下变频降低频率。（4）模拟信号由ADC经过采样、量化、编码，得到数字信号。（5）数据经数字信号处理，存储或输出给信宿。第第3章章 无线技术无线技术系统发射信号的过程如下：（1）发射信号经数字信号处理，成为需要的数字信号。（2）数字信号经D

24、AC转换成模拟信号。（3）经上变频升高至射频。（4）经天线耦合器耦合至天线。（5）经天线发射出去。第第3章章 无线技术无线技术3.5.4 软件无线电的关键技术（1）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 智能天线是这样一种天线阵列系统，它通过智能算法来合并天线阵因子的信号，以自动适应不同的信号环境。智能天线对于给定的方向，它的天线增益是可以自动调节的，以适应不同通信的需求。第第3章章 无线技术无线技术（3）多输入多输出技术 在多径环境中，可以使用多天线系统代替单天线系统。这样

25、，利用空间分集技术，可以大大提高系统的抗衰落性能。（4）采样技术 1）采样； 2）量化； 3）编码。第第3章章 无线技术无线技术（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。 第第3章章 无线技术无线技术（6）数字信号处理技术软件无线电对信号处理的要求包括：1）能够执行大量的乘累加运算；2）具有某些特定模式；3）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。第第3章章 无线技术无线技术（7）软件

26、设计技术软件无线电的软件设计包括：1）软件的功能；2）软件与硬件之间的关系；3）软件的体系结构。软件无线电的软件应该具有以下特点：1）具有良好的开放性；2）采用模块化结构；3）具有可重用性。第第3章章 无线技术无线技术（8）信息安全技术 由于无线通信系统的开放性，信息传输中的信息安全是一个非常重要的问题。在公用无线通信网络中，存在着各种各样的安全漏洞和威胁，所以信息安全涉及的领域相当广泛。 信息安全需要研究的领域包括：1）信息的保密性；2）信息的完整性；3）信息的可用性；4）信息的真实性；5）信息的可控性。第第3章章 无线技术无线技术（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

27、为定时。 同步技术是数字通信系统的关键技术之一，按照同步技术的功用不同，可以分为：1）载波同步；2）位同步；3）群同步；4）网同步。 第第3章章 无线技术无线技术（10）电磁兼容技术 电磁兼容（EMC：Electromagnetic Compatibility），是指电气及电子设备在共同的电磁环境中、能执行各自功能的共存状态。即，要求在同一电磁环境中的各种电气、电子设备都能完成自身的功能，而不致于在其环境中产生不允许的干扰。第第3章章 无线技术无线技术3.5.5 软件无线电的应用 软件无线软件无线电应用项目的典型是美军的易通话（Speak Easy）计划。 易通话计划的实施分两个阶段：（1）完

28、成基于软件无线电构建电台的可行性研究与适用性验证。（2）创建一个可行的软件无线电结构。第第3章章 无线技术无线技术3.6 认知无线电3.6.1 从软件无线电到认知无线电 通信中的基本矛盾：日益增长的用户需求、和日见拥挤的频谱资源之间的矛盾越来越突出。 由于授权频段的独享性和非授权频段的饱和，频谱资源的紧张已经成为制约无线通信业务发展的瓶颈。 认知无线电（CR：Cognitive Radio）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。第第3章章 无线技术无线技术 频谱重用频谱重用 在频谱重用技术的研究中，有以下两个方向：（1）降低信号的功率谱密度，来进行频谱复用。（2）采

29、用灵活的频谱管理技术，来提高频谱利用率。 当前存在最主要问题，不是没有频谱可用，而是现有的频谱利用率严重不足，这就是所谓频谱空洞问题。 认知无线电的思想是：在授权用户不使用的情况下，未授权用户可以接入频谱空洞，以提高频谱的利用率。第第3章章 无线技术无线技术2. 认知概念认知概念 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。学习组件决策参数推理组件外部系统图3.18 基本的机器学习体系结构第第3章章 无线技术无线技术3. 认知无线电的发展认知无线电的发展1999年，Joseph Mitola III发表文章，首次提出了认知无线电的概念。2000年5月，Joseph Mitola III给出了认知无线电的概念综述。2002年，美国联邦通信委员会发表了可能改变频谱政策的报告，筹备了认知无线电工作组。2003年5月，认知无线电工作组在华盛顿成立。2003年2月，明确只要具备认知无线电功能，即使是其用途未经许可的无线终端，也可以使用需要无线许可的现有无线频带。2004年5月，允许未授权用户在不影响授权用户业务的前提下，通过基于认知无线电的技术使用电视广播频段中的空闲无线资源。2004年10月，IEEE正式成立IEEE 802.22工作组无线区域网络工作组。第第3章