無線通信原理

無線通信是利用電波信號可以在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式。在移動中實(shí)現(xiàn)的無線通信又通稱為移動通信，人們把二者合稱為無線移動通信。簡單講，無線通信是僅利用電磁波而不通過線纜進(jìn)行的通信方式。無線通信主要包括微波通信和衛(wèi)星通信。微波是一種無線電波，它傳送的距離一般只有幾十千米。但微波的頻帶很寬，通信容量很大。微波通信每隔幾十千米要建一個微波中繼站。衛(wèi)星通信是利用通信衛(wèi)星作為中繼站在地面上兩個或多個地球站之間或移動體之間建立微波通信聯(lián)系。

無線通信是通過無線電波或紅外線等無線信號來傳輸數(shù)據(jù)和通信的，其原理包含以下幾個方面：

無線信號發(fā)射：無線信號是通過發(fā)射天線產(chǎn)生的電磁波進(jìn)行傳輸?shù)?。在傳輸?shù)據(jù)時，信號發(fā)送方將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號，經(jīng)過調(diào)制、信號放大等過程后，通過天線將信號發(fā)射出去。

空間傳播：發(fā)射的信號會在空間中自由地傳播，這就是一種空間傳播過程。由于傳輸過程中難免遇到各種干擾，如多徑效應(yīng)(即信號在傳播中反射、散射等造成的多重信號)，因此無線通信技術(shù)中采用頻率、編碼等方式來提高傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

信號接收：通過具有接收功能的天線，將傳輸中的電磁信號接收回來，經(jīng)過解調(diào)等過程后還原成原始數(shù)據(jù)，使接收方可以獲取到原始數(shù)據(jù)。

信號處理：接收的信號在數(shù)字信號處理中進(jìn)行解碼、去噪、恢復(fù)等處理，使得信號能夠被準(zhǔn)確地識別和處理，達(dá)到最終的通信目的。

總的來說，無線通信的原理包含了信號發(fā)射、空間傳播、信號接收和信號處理等幾個方面，這些方面的不斷優(yōu)化、升級，才讓我們的無線通信技術(shù)越來越高效、穩(wěn)定和安全。

無線通信有哪些

無線通信是指通過無線電波或紅外線等無線信號傳輸介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信的方法，常見的有如下幾種：

Wi-Fi通信：Wi-Fi是無線局域網(wǎng)技術(shù)，可用于傳輸數(shù)據(jù)和連接互聯(lián)網(wǎng)。它相對于有線網(wǎng)絡(luò)，具有移動性、無需線纜、隨時連接的優(yōu)勢，受到了廣泛應(yīng)用。

藍(lán)牙通信：藍(lán)牙是一種短距離無線通信技術(shù)，可用于連接個人設(shè)備，如手機(jī)、耳機(jī)、藍(lán)牙音響等。藍(lán)牙通信具有高速率、低功耗、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。

NFC通信：NFC是近場通信技術(shù)，它主要用于近距離的兩個設(shè)備之間直接通信，如付款、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。NFC通信速率快、交互簡單、安全性高，已被廣泛應(yīng)用于移動支付、門禁、身份認(rèn)證等領(lǐng)域。

4G/5G通信：4G/5G是第四/五代移動通信技術(shù)，是一種用于無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。它具有高速率、寬帶、低延遲、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，支持視頻流媒體、云存儲、短信通信等。

紅外通信：紅外通信是一種無線傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)，利用紅外線在空氣中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?？捎糜陔娨曔b控、文件傳輸、通訊等方面，但通訊距離短、易受遮擋等限制。

微波技術(shù)是近一個世紀(jì)以來最重要的科學(xué)技術(shù)之一， 從雷達(dá)到廣播電視、無線電通信再到微波爐， 微波技術(shù)對社會的發(fā)展和人們生活的進(jìn)步產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響。

微波

微波通常是指頻率范圍在 300MHz ~300GHz 內(nèi)的電磁波， 其波長約在 1米到1 毫米之間， 可被進(jìn)一步細(xì)分為分米波，厘米波和毫米波， 其對應(yīng)頻率分別為特高頻( UHF,ultra-high frequency)， 超高頻( SHF,super high frequency)， 極高頻( EHF , extremely high frequency)。

隨著現(xiàn)代微波技術(shù)的發(fā)展，波長在 1 毫米以下的亞毫米波也被視為微波的范疇， 這相當(dāng)于把微波的頻率范圍進(jìn)一步擴(kuò)大到更高的頻率。因此，有的文獻(xiàn)里也把微波的頻率范圍定義為 300MHz~3000GHz。

微波通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個特性。對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿透而不被吸收;對于水和食物等就會吸收微波而使自身發(fā)熱;而對金屬類東西，則會反射微波。從電子學(xué)和物理學(xué)觀點(diǎn)來看，微波這段電磁頻譜具有不同于其他波段的如下重要特點(diǎn)：

1、穿透性

微波比其它用于輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠(yuǎn)紅外線等波長更長，因此具有更好的穿透性。微波透入介質(zhì)時，由于微波能與介質(zhì)發(fā)生一定的相互作用，以微波頻率2450MHz，使介質(zhì)的分子每秒產(chǎn)生24億五千萬次的震動，介質(zhì)的分子間互相產(chǎn)生摩擦，引起的介質(zhì)溫度的升高，使介質(zhì)材料內(nèi)部、外部幾乎同時加熱升溫，形成體熱源狀態(tài)，大大縮短了常規(guī)加熱中的熱傳導(dǎo)時間，且在條件為介質(zhì)損耗因數(shù)與介質(zhì)溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系時，物料內(nèi)外加熱均勻一致。

2、選擇性加熱

物質(zhì)吸收微波的能力，主要由其介質(zhì)損耗因素來決定。介質(zhì)損耗因數(shù)大的物質(zhì)對微波的吸收能力就強(qiáng)，相反，介質(zhì)損耗因數(shù)小的物質(zhì)吸收微波的能力也弱。由于各物質(zhì)的損耗因數(shù)存在差異，微波加熱就表現(xiàn)出選擇性加熱的特點(diǎn)。物質(zhì)不同，產(chǎn)生的熱效果也不同。水分子屬極性分子，介電常數(shù)較大，其介質(zhì)損耗因數(shù)也很大，對微波具有強(qiáng)吸收能力。而蛋白質(zhì)、碳水化合物等的介電常數(shù)相對較小，其對微波的吸收能力比水小得多。因此，對于食品來說，含水量的多少對微波加熱效果影響很大。

3、熱慣性小

微波對介質(zhì)材料是瞬時加熱升溫，升溫速度快。另一方面，微波的輸出功率隨時可調(diào)，介質(zhì)溫升可無惰性的隨之改變，不存在“余熱”現(xiàn)象，極有利于自動控制和連續(xù)化生產(chǎn)的需要。

4、似光性

微波波長非常小，當(dāng)微波照射到某些物體上時，將產(chǎn)生顯著的反射和折射，就和光線的反、折射一樣。同時微波傳播的特性也和幾何光學(xué)相似，能像光線一樣地直線傳播和容易集中，即具有似光性。

5、穿透性

微波照射于介質(zhì)物體時，能深入該物體內(nèi)部的特性稱為穿透性。例如微波是射頻波譜中惟一能穿透電離層的電磁波(光波除外)。

6、信息性

微波波段的信息容量是非常巨大的，即使是很小的相對帶寬，其可用的頻帶也是很寬的，可達(dá)數(shù)百甚至上千兆赫。

7、非電離性

微波的量子能量不夠大，因而不會改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞其分子的化學(xué)鍵，所以微波和物體之間的作用是非電離的。

微波技術(shù)發(fā)展簡史

對微波的理論研究以及進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)起步于20世紀(jì)初，但早期的設(shè)備不能滿足實(shí)驗(yàn)的需要， 主要表現(xiàn)為缺乏大功率的信號發(fā)生器和靈敏的信號接收器， 因此早期的研究并沒有取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。到了20世紀(jì)30年代，高頻率的超外差接受器和半導(dǎo)體混頻器的出現(xiàn)為微波技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了條件， 使得微波技術(shù)的發(fā)展取得的一定的進(jìn)步。

1931 年意大利科學(xué)家馬可尼進(jìn)行了距離為 18 英里的無線通信實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中使用 600MHz 的微波來傳輸具有較好質(zhì)量的話音信號， 信號源為巴克豪森管( Barkhausentube )。這是首次利用300MHz以上的微波完成的無線通信實(shí)驗(yàn)。第二年，馬可尼又利用 57 厘米的微波，在相距15英里的梵蒂岡和岡多菲堡之間建立了無線電通信， 并提供電話和電傳打印機(jī)服務(wù)， 從此微波技術(shù)由實(shí)驗(yàn)室走向了真正的實(shí)際應(yīng)用。同一時期，雷達(dá)的相關(guān)概念和理論也逐漸形成，到了20世紀(jì)30年代中期， 世界上已經(jīng)有八個國家在進(jìn)行相關(guān)的研究。

1、高速發(fā)展的二戰(zhàn)時期

第二次世界大戰(zhàn)時期普遍被認(rèn)為是微波技術(shù)發(fā)展的黃金時期， 其背后主要的推動力來自于軍方對雷達(dá)的需求。雷達(dá)在二次大戰(zhàn)中扮演著重要的角色， 為此盟軍投入了大量人力物力進(jìn)行雷達(dá)的研究。在美國， 雷達(dá)的相關(guān)研究主要是在麻省理工學(xué)院的輻射實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行， 1945 年其員工人數(shù)甚至達(dá)到 4000 余人，在該研究室工作過的科學(xué)家中， 后來有 9 人獲得了諾貝爾獎。

戰(zhàn)后， 輻射實(shí)驗(yàn)室編著了 28 卷的《輻射實(shí)驗(yàn)室叢書》 并于 1947 出版， 書中記錄了二戰(zhàn)期間輻射實(shí)驗(yàn)室及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)研究發(fā)展雷達(dá)的大量工作。

1886 年， 赫茲就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)電磁波會被固體反射回來， 這實(shí)際就是雷達(dá)最基本的原理。到了 1903 年， 德國的 Hulsmeyer將其發(fā)明的用于航海的系統(tǒng)申請了專利，該系統(tǒng)利用無線電波的反射來檢測障礙物的存在， 并為船只進(jìn)行導(dǎo)航。1933年，美國海軍實(shí)驗(yàn)室展示了發(fā)射 3MHz 的無線電波的雷達(dá)， 能夠在 50 英里的范圍內(nèi)檢測到飛機(jī)的存在。1934年，英國物理學(xué)家和雷達(dá)技術(shù)專家沃森瓦特建立了實(shí)驗(yàn)雷達(dá)站， 1938年組建了英國東海岸的防空雷達(dá)網(wǎng)， 由25MHz的雷達(dá)構(gòu)建而成。二戰(zhàn)中英國戰(zhàn)役的最終勝利， 防空雷達(dá)網(wǎng)起了很大的作用。1939年， 美國軍隊(duì)裝備了105MHz 的 SCR 270 型雷達(dá)用作遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)， 該系統(tǒng)在后來的珍珠港戰(zhàn)役中， 成功地提前檢測到了日軍的飛機(jī)。1943 年輻射實(shí)驗(yàn)室研制出利用空腔磁控管的微波雷達(dá)- 3GHz 的 SCR 584 型雷達(dá)， 同年投入生產(chǎn)并廣泛使用在歐洲和太平洋戰(zhàn)場， 這種雷達(dá)能夠有效的判斷空中物體的位置并進(jìn)行火力控制， 在其幫助下倫敦戰(zhàn)役中德軍 85%的 V-1 型飛彈被對空火力摧毀。

二戰(zhàn)期間， 微波技術(shù)在其他方面的應(yīng)用也在繼續(xù)向前發(fā)展。在無線通信方面，1943 年 AT&T 研制出 AN/TRC-6 型多頻段微波無線電， 該設(shè)備利用了脈沖位置調(diào)制和數(shù)字調(diào)制技術(shù)， 美軍和英軍裝備了這種型號的無線電設(shè)備。微波測量技術(shù)也在40 年代發(fā)展起來， 其中包括能量檢測， 能量測量， 頻率測量， 相位測量和電壓駐波比等技術(shù)。