公务员考试无线通信原理

无线通信原理——基本原理：无线通信是利用电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。在移动中实现的无线通信又通称为移动通信，人们把二者合称为无线移动通信。简单讲，无线通信是仅利用电磁波而不通过线缆进行的通信方式。

1、无线频谱

所有无线信号都是随电磁波通过空气传输的，电磁波是由电子部分和能量部分组成的能量波。声音和光是电磁波得两个例子。无线频谱(也就是说，用于广播、蜂窝电话以及卫星传输的波)中的波是不可见也不可听的——至少在接收器进行解码之前是这样的。

“无线频谱”是用于远程通信的电磁波连续体，这些波具有不同的频率和波长。无线频谱包括了9khz到300 000Ghz之间的频率。每一种无线服务都与某一个无线频谱区域相关联。例如，AM广播涉及无线通信波谱的低端频率，使用535到1605khz之间的频率。

无线频谱是所有电磁波谱的一个子集。在自然界中还存在频率更高或者更低的电磁波，但是他们没有用于远程通信。低于9kz的频率用于专门的应用，如野生动物跟踪或车库门开关。频率高于300 000Ghz的电磁波对人类来说是可见的，正是由于这个原因，他们不能用于通过空气进行通信。例如，我们将频率为428570Ghz的电磁波识别为红色。图2显示了整个电磁波谱。

图2电磁波谱

当然，通过空气传播的信号不一定会保留在一个国家内。因此，全世界的国家就无线远程通信标准达成协议是非常重要的。ITU就是管理机构，它确定了国际无线服务的标准，包括频率分配、无线电设备使用的信号传输和协议、无线传输及接收设备、卫星轨道等。如果政府和公司不遵守ITU标准，那么在制造无线设备的国家之外就可能无法使用它们。

2、无线传输的特征

虽然有线信号和无线信号具有许多相似之处——例如，包括协议和编码的使用——但是空气的本质使得无线传输与有线传输有很大的不同。当工程师门谈到无线传输时，他们是将空气作为“无制导的介质”。因为空气没有提供信号可以跟随的固定路径，所以信号的传输是无制导的。

正如有线信号一样，无线信号也是源于沿着导体传输的电流。电子信号从发射器到达天线，然后天线将信号作为一系列电磁波发射到空气中。信号通过空气传播，直到它到达目标位置为止。在目标位置，另一个天线接收信号，一个接收器将它转换回电流。图3显示了这个过程。

图3 无线发送和接收

注意，在无线信号的发送端和接收端都使用了天线，而要交换信息，连接到每一个天线上的收发器都必须调整为相同的频率。

3、天线

每一种无线服务都需要专门设计的天线。服务的规范决定了天线的功率输出、频率及辐射图。天线的“辐射图”描述了天线发送或接收的所有电磁能的三维区域上的相对长度。“定向天线”沿着一个单独的方向发送无线电信号。这种天线用在来源需要与一个目标位置(如在点对点连接中)通信时。定向天线还可能用在多个接收节点排列在一条线上时。或者，它可能用在维持信号的一定距离上的强度比覆盖一个较广的地理区域更重要时，因为天线可以使用它的能量在更多的方向发送信号，也可以在一个方向上发送更长的距离。使用定向天线无线服务的一些例子包括卫星下行线路和上行线路，无线LAN以及太空、海洋和航空导弹。图4显示了一个定向天线的辐射示意图。

图4 定向天线的辐射示意图

与之相比，“全向天线”在所有的方向上都与相同的强度和清晰度发送和接收无线信号。这种天线用在许多不同的接收器都必须能够获得信号时，或者用在接收器的位置高度易变时。电视台和广播站使用全向天线，大多数发送移动电话的发射塔也是如此。图5显示了全向天线的辐射图。

图5全向天线的辐射图

无线信号传输中的一个重要考虑是天线可以将信号传输的距离，同时还使信号能够足够强，能够被接收机清晰地解释。无线传输的一个简单原则是，较强的信号将传输的比较弱的信号更远。

正确的天线位置对于确保无线系统的最佳性能也是非常重要的。用于远程信号传输的天线经常都安装在塔上或者高层的顶部。从高处发射信号确保了更少的障碍和更好的信号接收。

4、信号传播

在理想情况下，无线信号直接在从发射器到预期接收器的一条直线中传播。这种传播被称为“视线”(Line Of Sight,LOS)，它使用很少的能量，并且可以接收到非常清晰的信号。不过，因为空气是无制导介质，而发射器与接收器之间的路径并不是很清晰，所以无线信号通常不会沿着一条直线传播。当一个障碍物挡住了信号的路线时，信号可能会绕过该物体、被该物体吸收，也可能发生以下任何一种现象：发射、衍射或者散射。物体的几何形状决定了将发生这三种现象中的那一种。(1)反射、衍射和散射无线信号传输中的“反射”与其他电磁波(如光或声音)的反射没有什么不同。波遇到一个障碍物并反射——或者弹回——到其来源。对于尺寸大于信号平均波长的物体，无线信号将会弹回。例如，考虑一下微波炉。因为微波的平均波长小于1毫米，所以一旦发出微波，它们就会在微波炉的内壁(通常至少有15cm长)上反射。究竟哪些物体会导致无线信号反射取决于信号的波长。在无线LAN中，可能使用波长在1~10米之间的信号，因此这些物体包括墙壁、地板天花板及地面。

在“衍射”中，无线信号在遇到一个障碍物时将分解为次级波。次级波继续在它们分解的方向上传播。如果能够看到衍射的无线电信号，则会发现它们在障碍物周围弯曲。带有锐边的物体——包括墙壁和桌子的角——会导致衍射。

“散射”就是信号在许多不同方向上扩散或反射。散射发生在一个无线信号遇到尺寸比信号的波长更小的物体时。散射还与无线信号遇到的表面的粗糙度有关。表面也粗糙，信号在遇到该表面是就越容易散射。在户外，树木会路标都会导致移动电话信号的散射。

另外，环境状况(如雾、雨、雪)也可能导致反射、散射和衍射

(2)多路径信号

由于反射、衍射和散射的影响，无线信号会沿着许多不同的路径到达其目的地。这样的信号被称为“多路径信号”。多路径信号的产生并不取决于信号是如何发出的。它们可能从来源开始在许多方向上以相同的辐射强度，也可能从来源开始主要在一个方向上辐射。不过，一旦发出了信号，由于反射、衍射和散射的影响，它们就将沿着许多路径传播。图6显示了这三种信号所导致的多径信号。

图6 多径信号

无线信号的多路径性质既是一个优点又是一个缺点。一方面，因为信号在障碍物上反射，所以它们更可能到达目的地。在办公楼这样的环境中，无线服务依赖于信号在墙壁、天花板、地板以及家具上的反射，这样最终才能到达目的地。

多路径信号传输的缺点是因为它的不同路径，多路径信号在发射器与接收器之间的不同距离上传播。因此，同一个信号的多个实例将在不同的时间到达接收器，导致衰落和延时。

5、窄带、宽带及扩展频谱信号

传输技术根据它们的信号使用了无线频谱的部分大小而有所不同。一个重要区别就是无线使用窄带还是宽带信号传输。在“窄带”，发射器在一个单独的频率或者非常小的频率范围上集中信号能量。与窄带相反，“宽带”是指一种使用无线频谱的相对较宽频带的信号传输方式。

使用多个频率来传输信号被称为扩展频谱技术，换句话说，在传输过程中，信号从来不会持续停留在一个频率范围内。在较宽的频带上分布信号的一个结果是它的每一个频率需要的功率比窄带信号传输更小。信号强度的这种分布使扩展频谱信号更不容易干扰在同一个频带上传输的窄带信号。

在多个频率上分布信号的另一个结果是提高了安全性。因为信号是根据一个只有获得授权的发射器和接收器才知道的序列来分布的，所以未获授权的接收器更难以捕获和解码这些信号。

扩展频谱的一个特定实现是“跳频扩展频谱”(Frequency Hopping Spread Spectrum ,FHSS)。在FHSS传输中，信号与信道的接收器和发射器知道的同一种同步模式在一个频带的几个不同频率之间跳跃。另一种扩展频谱信号被称为“直接序列扩展频谱”(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)。在DSSS中，信号的位同时分布在整个频带上。对每一位都进行了编码，这样接收器就可以在接收到这些位时重组原始信号。

6、固定和移动

每一种无线通信都属于以下两个类别之一：固定或移动。在“固定”无线系统中，发射器和接收器的位置是不变的。传输天线将它的能量直接对准接收器天线，因此，就有更多的能量用于该信号。对于必须跨越很长的距离或者复杂地形的情况，固定的无线连接比铺设电缆更经济。

不过，并非所有通信都适用固定无线。例如，移动用户不能使用要求他们保留在一个位置来接收一个信号的服务。相反，移动电话、寻呼、无线LAN以及 其它许多服务都在使用“移动”无线系统。在移动无线系统中，接收器可以位于发射器特定范围内部的任何地方。这就允许接收器从一个位置移动到另一个位置，同时还继续接受信号。

无线电通信的基本原理 罗杰 摩托罗拉的双向无线电通信系统于五十余年前第二次世界大战时由军方率先采用，让军人在行动时以无线电对讲机彼此通话，当时的手机称为步话机（walkie－talkies）。 双向无线电在军方使用非常普遍，在无电话线路的地区，军方人员就采用无线电。在今天，无线电已经广泛地用于保安、公共服务和公用事业，以及商业和个人等用途。 双向无线电的主要优点是直接点对点，不须任何基本设施，只要双方调到相同的频率，便可彼此通话。 双向无线电通信的原理 双向无线电对讲机是用于发射和接收语音信息。每一部双向无线电对讲机包含一个发射器和一个接受器、一个麦克风和一个扩音器、一条天线和一组电源。手提式双向无线通讯以电池为电源，而车装式无线电可使用汽车的电源。 用户对着麦克风说话，语音信号即转换为电子信号。此信号经发射器处理放大为无线电信号，再传送至天线，由天线把无线电信号发射至空中。 受信方的天线接收无线电信号，把此信号送到接收器。接收器将此无线电信号转变为原来的语音，再由无线电对讲机的扩音器放出来，此时就可听见原来的信息。 简单的双向无线电系统 两部以上的无线电对讲机彼此“对话”时，它们必须在同一个频率上运作。在单一频率单工系统，每位无线电用户可以在任何时间发射或接收信息。这与电话系统不同，电话是双工系统，可以同时发言和聆听。 因而，用户在发话前，必须注意无线电系统的频道是否开放。 高效率双向无线电通信步骤 如果所有无线电用户都遵守下列规则，就可达成高效率的双向无线电通信。 1．不打断其它用户的发言。随时注意频道上的通话情形。大部份双向无线电对机上都有一个监听按钮。压下此按钮便可听到频道上的通话情形。发送前频道必须是空白的。 2．把对讲机维持在垂直位置，扩音器？？麦克风维持在嘴巴正前方三寸处。 3．发话时，对着麦克风缓慢地、清楚地说话。长话短说，才不会霸占语音频道太久。 噪音抑制 噪音抑制是指降低、抑制或消除无用的无线电信号或噪声，让它们不会从扩音器传出来。无线电对讲机所出现的背景噪声是未使用噪音抑制的结果。大部份无线电对讲机都配备噪音抑制模式（载波抑制或编码抑制）和抑制水准的选择开关或按钮。 载波抑制和编码抑制 载波抑制在不发射时防止噪声自扩音器出来，因而属于安静的备用作业。 编码抑制让无线电以编码方式只听到他们所要的信息。换言之，它过滤了转往特定无线电用户以外的所有其它信息，只有编码相同的无线电对讲机在编码模式下才能听到所发的信号。编码抑制分为PL（Private Line专用线路）的单音编码抑制和DPL（Digital Private Line 数字化专用线路）的数字化编码抑制两种。 大部份无线电对讲机都配备一个监听按钮，让客户取消噪音抑制、解除编码抑制模式。压下此按钮时，扩音器即传出频道上的所有语音通话。以相同的频率而以不同的抑制编码通话时，发话前必须先聆听、确定频道上无其它语音通话。否则，同时发话会破坏已经在进行中的通话。 PL和DPL编码噪音抑制系统 单音编码抑制系统使用次音频，可使用42种不同的单音编码。数字化编码抑制系统的功能和单音编码抑制系统相同，但可使用84种不同的数字编码，不使用音频来“开启”扩音器。 虽然这些系统都称为“专用线路”，但实际上不具保密功能。如果用户遵守规律，多少还有点隐密性，但任何用户接听时，都可以在频率上听见。因而，用户必须了解编码抑制的效益和限制。 频率和频道 频率和频道是无线电通信中常用的术语。每一部双向无线电产品的规格上都会清楚地列出其作业频率。同时，主管机构发出的使用执照上也列出其作业的特定频率。 无线电用户增加、频谱愈来愈拥挤时，频率使用管制愈为必要。 简言而之，频道就是无线电发射和接收信息的频率。然而、频道负载是指同一频道所指定的用户数目。在无线电使用频繁的地区，频道负载可能有效地限制了可使用的频道数和客户的通话能力。 无线电对讲机可使用数条频道时，用户就可一条一条地测试，找到可以使用的空白频道。同时、可使用的频道较多时，用户群组的组织更方便。 如无线电对讲机具备PL／DPL编码噪音抑制功能，如果用户群组都具有相同的PL？DPL编码，就可加以组合，从而在同一条频道上作业。除非他们要转换频道，转到其它频率，他们就可设定在其通话小组的频率上。 涵盖范围 无线电涵盖范围指它的可能通话距离。涵盖范围视许多因素定，诸如： ■无线电对讲机的功率，即发射无线电信号的强度：1W－5W ■无线电信号所必须经过的地形：郊外/市区 ■作业频率：VHF/UHF 低频率无线电涵盖的距离大于高频率。一般而言，无线电信号受各种障碍物以及空气中各种颗粒、例如水蒸气和灰尘的影响。树木、浓密的树叶、 建筑物和混凝土地板也会限制涵盖范围。总之，郊区的无线电通话距离比都市内远。 户外 一瓦特功率输出的UHF无线电在户外的涵盖范围、即在非常开阔的环境、山岗和树木等障碍物非常少时，一般可达两公里。如地形上的障碍增加，则涵盖范围缩短。 大楼建筑 在大楼建筑中，一瓦特功率输出的UHF无线电的涵盖范围可达二至二十层楼，但涵盖范围会受建筑物造形和建筑材料的影响。