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高頻電子技術(shù) 教學(xué)目標(biāo) 教學(xué)重點(diǎn) 目標(biāo) 將以現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)為背景 主要講述無線通信的基本概念和關(guān)鍵技術(shù)以及典型無線通信系統(tǒng) 讓同學(xué)對無線通信技術(shù)有較全面的了解 對典型無線通信系統(tǒng)有所了解 重點(diǎn) 無線通信的基本概念 無線通信中的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)和典型無線通信系統(tǒng)相關(guān)知識 2 第一章無線通信概述 3 可以想像 有線電報(bào)就像一只很大的貓 它的尾巴在紐約 而它的腦袋在洛杉磯并喵喵地叫 大家明白這個道理嗎 無線通信的操作方式與此完全相同 這邊發(fā)射信號 那邊接收它 唯一不同的是兩者之間沒有貓 愛因斯坦 1879 1955 4 無線通信定義 定義無線通信是利用無線電波傳播信息的通信方式 無線電波是指在自由空間 包括空氣和真空 傳播的電磁波 引申 通過 無形 的媒體進(jìn)行信息交換的通信稱為無線通信 例如 無線電波 紅外線 紫外線 激光等 無線通信優(yōu)點(diǎn)與有線通信相比 不需要架設(shè)傳輸線路 不受通信距離限制 機(jī)動性能好 建立迅速 靈活性抗災(zāi)性移動性 5 1 1歷史 1 11 1837年莫爾斯 1791 1872 發(fā)明了電報(bào) 1844年5月24日 他用激動得發(fā)抖的手 從華盛頓向40英里外的巴爾的摩城拍發(fā)了世界上第一份長途有線電報(bào) 電文是 圣經(jīng) 上的一句話 上帝創(chuàng)造了何等奇跡 人類社會電通信的時(shí)代 便從此開始了 6 1 1歷史 2 11 1876年美國人貝爾發(fā)明了電話 過了40年美國建成第一條橫貫國土東西的長途電話線 這條線路的修建 足足耗費(fèi)了2960噸銅和13萬根電線桿 貝爾 1847 1922 1868年在倫敦工作1871年去波士頓工作1873年任波士頓大學(xué)教授1875年發(fā)明多路電報(bào)1876年發(fā)明電話一生曾獲許多專利 7 1 1歷史 3 11 1864年麥克斯韋 Maxwell 建立了光的電磁波理論并預(yù)言了電磁波的存在 1887年赫茲 Hertz 首次通過實(shí)驗(yàn)證明了無線電波的存在 這為現(xiàn)代的無線電通信提供了理論根據(jù) 無線電波可以在大氣媒質(zhì)中傳播這一理論的創(chuàng)立大大推動了通信技術(shù)的發(fā)展 8 1 1歷史 4 11 1897年馬可尼 Marconi 第一次在無線傳輸中用莫爾斯碼從船上與岸邊通信 30km 標(biāo)志無線電通信的開始 馬可尼 1874 1937 意大利人1894年在父親的莊園試驗(yàn)1896年去倫敦1897年建立無線電報(bào)公司1899年首次實(shí)現(xiàn)英法無線通信1916年實(shí)現(xiàn)短波無線電通信1929年建立世界性無線通信網(wǎng)曾獲諾貝爾物理獎 9 1 1歷史 5 11 1906年之后的一段時(shí)間里 軍用和商用船舶很快采用了無線電技術(shù) 1912年在泰坦尼克號郵輪沉船事件中拯救了700多個生命而備受稱贊 10 1 1歷史 6 11 1928年 美國底特律警察局率先使用裝備貝茨發(fā)明的能適應(yīng)移動車輛震動影響的無線電收發(fā)信機(jī) 超外差A(yù)M接收機(jī)的警用車輛無線電移動系統(tǒng) 單向 標(biāo)志移動通信開始 1946年第一個公共移動電話系統(tǒng)在美國的5個城市建立 1947年第一個連接紐約和波斯頓的微波中繼系統(tǒng)開始運(yùn)行 11 1 1歷史 7 11 1958年美國宇航局 NASA 發(fā)射第一顆通信衛(wèi)星 第一次通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)語音通信 無線通信進(jìn)入了新時(shí)代 1950 1960年代期間 貝爾實(shí)驗(yàn)室和全世界其他的通信公司一起發(fā)展了蜂窩無線電話的原理和技術(shù) 12 1 1歷史 8 11 進(jìn)入20世紀(jì)70年代 一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家對民用移動電話的需求日益增加 而且伴隨著微電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展 發(fā)展一種較大范圍使用的移動電話系統(tǒng)已經(jīng)具備了理論上 技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的可行性 而且新理論與新體制的不斷發(fā)展和完善 為模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)的誕生奠定了堅(jiān)實(shí)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)基礎(chǔ) 13 1 1歷史 9 11 模擬蜂窩系統(tǒng) 1979年 第一個具有大的覆蓋范圍和自動交換功能的系統(tǒng)由愛立信公司推出 并建立北歐移動電話系統(tǒng) NMT 不久 高級移動電話服務(wù) AMPS 于1983年在北美建立 國內(nèi)外使用的模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)主要有 北美的AMPS日本的HCMTS英國與中國采用的TACS前西德的C450法國的RadioComm2000這些系統(tǒng)分別采用400MHz 450MHz 800MHz和900MHz頻段 14 1 1歷史 10 11 數(shù)字蜂窩系統(tǒng) 1988年 第一個數(shù)字蜂窩系統(tǒng)在歐洲建立 稱為全球移動通信系統(tǒng) GSM 最初打算提供一個泛歐標(biāo)準(zhǔn)來取代當(dāng)時(shí)大量運(yùn)行的不兼容模擬系統(tǒng) GSM之后很快就出現(xiàn)了北美IS 54數(shù)字標(biāo)準(zhǔn) 第二代蜂窩系統(tǒng)最初主要提供語音業(yè)務(wù) 后來逐步演變到可以提供電子郵件 互聯(lián)網(wǎng)接入 短消息等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) 截至2013年3月底 中國共有11 46億移動通信服務(wù)用戶 15 1 1歷史 11 11 無線通信發(fā)展史上的10個里程碑電話的發(fā)明電報(bào)的發(fā)明電磁波的發(fā)現(xiàn)無線電報(bào)的發(fā)明無線電通信發(fā)明尋呼機(jī)誕生蜂窩式移動電話GSM手機(jī)銥星系統(tǒng)新一代手機(jī) 10年后 誰還能笑傲江湖 16 1 2無線通信應(yīng)用 無線通信主要應(yīng)用于哪些領(lǐng)域 17 1 2無線通信應(yīng)用 無線電廣播電視移動通信 蜂窩電話衛(wèi)星電話數(shù)據(jù)傳輸 wifibluetoothzigbeeWiMAX緊急服務(wù) 無線電緊急定位信標(biāo)辨識 RFID RadioFrequencyIdentification 卡其它 業(yè)余無線電雷達(dá)導(dǎo)航 18 1 3無線頻譜劃分 c f c 300000000m s 19 無線通信常用頻段 當(dāng)前用于無線通信的頻率范圍從3kHz擴(kuò)展到約100GHz 絕大多數(shù)無線通信系統(tǒng)工作在30MHz 40GHz的頻率范圍內(nèi) 這是無線通信較為理想的頻段 它不受地球表面曲率影響 天線尺寸適度 還可以穿透電離層 天線尺寸與射頻頻率的關(guān)系 良好接收所需的天線尺寸與發(fā)射頻率成反比 覆蓋范圍與射頻頻率的關(guān)系 發(fā)射頻率越高 傳播損耗越大 全向輻射時(shí) 接收信號功率與頻率的平方成反比 所以頻率越高 實(shí)現(xiàn)大范圍覆蓋的難度越高 20 1 4無線信道與電波傳播特性 無線電波以 橫向電磁波 的形式在空間中傳播 電場 磁場和無線電波的傳播方向都相互垂直的 21 無線電波的極化 無線電波在空間傳播時(shí) 其電場方向是按一定的規(guī)律而變化的 這種現(xiàn)象稱為無線電波的極化 無線電波的電場方向稱為電波的極化方向 如果電波的電場方向垂直于地面 我們就稱它為垂直極化波 如果電波的電場方向與地面平行 則稱它為水平極化波 22 無線電波和光波一樣 它的傳播速度和傳播媒質(zhì)有關(guān) 無線電波在真空中的傳播速度等于光速 在媒質(zhì)中的傳播速度為 p r 式中 r為傳播媒質(zhì)的相對介電常數(shù) 空氣的相對介電常數(shù)與真空的相對介電常數(shù)很接近 略大于 因此 無線電波在空氣中的傳播速度略小于光速 通常我們就認(rèn)為它等于光速 23 四種傳播機(jī)制 直射 自由空間傳播反射 當(dāng)電磁波遇到比波長大得多的物體時(shí) 發(fā)生反射 反射發(fā)生在地球表面 建筑物和墻壁表面 繞射 當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的傳播路由被尖銳的邊緣阻擋時(shí) 發(fā)生繞射 散射 當(dāng)電磁波的傳播路由上存在小于波長的物體 并且單位體積內(nèi)這種障礙物體的數(shù)目非常巨大時(shí) 發(fā)生散射 散射發(fā)生在粗糙表面 小物體或其它不規(guī)則物體 如 樹葉 街道標(biāo)志和燈柱等 24 無線信道的物理過程 25 自由空間傳播 什么是自由空間 是一個理想的空間 在自由空間中 電波沿直線傳播 不發(fā)生反射 折射 繞射 散射和吸收等現(xiàn)象 如圖所示 輻射功率為Pt 發(fā)射天線增益為Gt 則以發(fā)射源為中心 r為半徑的球面上單位面積的功率為 球面上的功率流 Pt r 26 自由空間的傳播損耗 無線電波在自由空間傳播時(shí) 其單位面積中的能量會因?yàn)閿U(kuò)散而減少 它僅與傳輸距離r和電波頻率f有關(guān) 可用下式來表示 27 1 4 2地面?zhèn)鞑?無線電波傳播方式1 在低頻或中頻段 30MHz時(shí)電波傳播的主要形式是視距傳播 28 無線電視距 指收發(fā)天線間的電波傳播路徑完全沒有任何阻擋 電波射線可以直達(dá)的距離 Tx Rx 直射波 R 29 視距通信的最大傳播距離跟發(fā)射天線以及接收天線的高度有關(guān)系 并受到地球曲率半徑的影響 圖1 3顯示出了天線高度的增加對于最大傳播距離的影響 在位于一定高度處的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的最大距離近似值計(jì)算公式 1 8 B A O 接收天線高h(yuǎn)r 發(fā)射天線高h(yuǎn)t 30 圖1 3視距傳播示意圖 31 1 5無線通信的發(fā)展趨勢 1 全球第三代移動通信 3G 商用進(jìn)程加快2 寬帶化 移動化趨勢3 多種無線技術(shù)在演進(jìn)中走向融合4 移動 寬帶業(yè)務(wù)融合時(shí)機(jī)成熟 32 3G商用進(jìn)程加快 3G是3rdGeneration的縮寫 指第三代移動通信技術(shù) 四種標(biāo)準(zhǔn)有 WCDMA CDMA2000 TD SCDMA WiMAX WCDMA 采用國家為歐洲和日本 繼承基礎(chǔ)為GSM CDMA2000 采用國家為美國和日本 繼承基礎(chǔ)為窄帶CDMA TD SCDMA 采用國家為中國 繼承基礎(chǔ)為GSM WiMAX 應(yīng)用前景不樂觀 33 TD SCDMA 該標(biāo)準(zhǔn)是由中國大陸?yīng)氉灾贫ǖ?G標(biāo)準(zhǔn) 1999年6月29日 中國原郵電部電信科學(xué)技術(shù)研究院 大唐電信 向ITU提出 WCDMA由中國聯(lián)通公司于2009年10月1日正式商用Cdma2000由中國電信于2009年起開始運(yùn)營TD SCDMA由中國移動于2009年6月建成并投入商業(yè)化運(yùn)營 34 寬帶化 移動化趨勢 WiMAX提出和推進(jìn) 寬帶業(yè)務(wù)的移動化2004年初IEEE802 16系列標(biāo)準(zhǔn) WiMAX 提出IEEE802 16標(biāo)準(zhǔn)工作于2 66GHz 覆蓋范圍可高達(dá)50km 主要應(yīng)用于城域網(wǎng) WiMAX論壇 http www wimaxforum org E3G標(biāo)準(zhǔn)化啟動和加速 移動業(yè)務(wù)的寬帶化第三代合作伙伴計(jì)劃 3GPP 和第三代合作伙伴計(jì)劃2 3GPP2 分別在2004年底和2005年初開始3G演進(jìn)技術(shù) E3G 的標(biāo)準(zhǔn)化工作 35 多種無線技術(shù)在演進(jìn)中走向融合 無線通信領(lǐng)域各種技術(shù)的互補(bǔ)性日趨鮮明 這主要因?yàn)楝F(xiàn)在不同的接入技術(shù)具有不同的覆蓋范圍 不同的適用區(qū)域 不同的技術(shù)特點(diǎn)和不同的接入速率 未來的無線通信網(wǎng)絡(luò)將是一個綜合的 一體化的解決方案 36 移動 寬帶業(yè)務(wù)融合時(shí)機(jī)成熟 通信網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)正發(fā)生著根本性的變化主要體現(xiàn) 1 提供的業(yè)務(wù)將從傳統(tǒng)的語音業(yè)務(wù)為主向提供綜合信息服務(wù)的方向發(fā)展2 通信的主體將由人與人之間的通信擴(kuò)展到人與物 物與物之間的通信融合將是全方位多層次的 包括網(wǎng)絡(luò)融合 業(yè)務(wù)融合和終端融合 為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)需采用多種無線接入技術(shù)和固定接入技術(shù) 37 1 6本章小結(jié) 本章在介紹了無線通信的概念和定義后 對無線通信的發(fā)展簡史進(jìn)行了回顧 介紹了無線通信的基本應(yīng)用模式 對無線通信所涉及的頻譜范圍和電波傳播的特點(diǎn)進(jìn)行了描述 最后展望了無線通信的未來發(fā)展 38 39