无线射频技术基础知识介绍-03

电磁波

• 电磁波，是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性。电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场种电磁波在真空中速率固定，速度为光速。见麦克斯韦方程组。

• 电磁波伴随的电场方向，磁场方向，传播方向三者互相垂直，因此电磁波是横波。当其能阶跃迁过辐射临界点，便以光的形式向外辐射，此阶段波体为光子，太阳光是电磁波的一种可见的辐射形态，电磁波不依靠介质传播，在真空中的传播速度等同于光速。

• 电磁辐射由低频率到高频率，主要分为：无线电波、微波、电磁辐射量与温度有关，通常高于绝对零度的物质或粒子都有电磁辐射，温度越高辐射量越大，但大多不能被肉眼观察到。
• 频率是电磁波的重要特性。按照频率的顺序把这些电磁波排列起来，就是电磁波谱。
• 如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线。
• 通常意义上所指有电磁辐射特性的电磁波是指无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线。而X射线及γ射线通常被认为是放射性辐射特性的[1]  。

无线频谱

• 无线电波是频率介于3赫兹和约300G赫兹之间的电磁波，也作射频电波，或简称射频、射电。
• 无线电技术将声音讯号或其他信号经过转换，利用无线电波传播。

• 极低频 ELF (3Hz–30Hz) 极长波 100,000千米– 10,000千米 潜艇通讯或直接转换成声音。

• 超低频 SLF (30Hz–300Hz) 超长波 10,000千米– 1,000千米 直接转换成声音或交流输电系统（50-60赫兹)。

• 特低频 ULF (300Hz–3KHz) 特长波 1,000千米– 100千米 矿场通讯或直接转换成声音。

• 甚低频 VLF (3KHz–30KHz) 甚长波 100千米– 10千米 直接转换成声音、超声、地球物理学研究。

• 低频 LF (30KHz–300KHz) 长波 10千米– 1千米 国际广播。

• 中频 MF (300KHz–3MHz) 中波 1千米– 100米 调幅(AM)广播、海事及航空通讯。

• 高频 HF (3MHz–30MHz) 短波 100米– 10米 短波、民用电台。

• 甚高频 VHF (30MHz–300MHz) 米波 10米– 1米 调频(FM)广播、电视广播、航空通讯。

• 特高频 UHF (300MHz–3GHz) 分米波 1米– 100毫米 电视广播、无线电话通讯、无线网络、微波炉。

• 超高频 SHF (3GHz–30GHz) 厘米波 100毫米– 10毫米 无线网络、雷达、人造卫星接收。

• 极高频 EHF (30GHz–300GHz) 毫米波 10毫米– 1毫米 射电天文学、遥感、人体扫描安检仪。

• 300GHz以上 - 红外线、可见光、紫外线、射线等。

载波

• 无线通信的基础是载波，基本的载波如下图所示，这个信号在发射器部分产生，并不带有任何信息，在接收器部分也作为不变的信号出现。
• 构成数据的最小单位是比特，发射机采用某种方式发送0和1，以便在两地之间传输数据。交流或直流信号本身不具备传输数据的能力，不过如果信号发生哪怕是微小的波动或变化，发送端和接收端就可以将信号解析出来，从而成功地收发数据。转换后的信号可以区分0和1，一般将其称为载波信号。调整信号以产生载波信号的过程称为调制。
• 载波是指被调制以传输信号的波形，一般为正弦波。一般要求正弦载波的频率远远高于调制信号的带宽，否则会发生混叠，使传输信号失真。 可以这样理解，我们一般需要发送的数据的频率是低频的，如果按照本身的数据的频率来传输，不利于接收和同步。
• 使用载波传输，我们可以将数据的信号加载到载波的信号上，接收方按照载波的频率来接收数据信号，有意义的信号波的波幅与无意义的信号的波幅是不同的，将这些信号提取出来就是我们需要的数据信号（调制与解调，后面内容有涉及）。
• 可以对电波的3种分量进行调制以产生载波信号，这3种分量是振幅、频率和相位。

波长

• 波长是指在某一固定的频率里，沿着波的传播方向、在波的图形中，离平衡位置的“位移”与“时间”皆相同的两个质点之间的最短距离。波长反映了波在空间上的周期性。

如右图所示

无线电波以光速传播，其波长 λ=c/f λ是无线电波的波长 c是光速，值是299792458m/s f是频率，单位是赫兹（Hz）

• 射频通信的基本过程如下：射频发射机产生无线电信号，并被另一端的接收机拾取。射频波与海洋或湖波中的波浪类似。波主要由波长和振幅两部分组成。
• 2.4GHz无线电波的波长是12.5厘米。
• 5GHz无线电波的波长是6厘米。
• 5.8GHz无线电波波长是5.2厘米。

振幅

• 振动物体离开平衡位置的最大距离叫振动的振幅。振幅A在数值上等于最大位移的大小。

 

• 振幅是波的高度、力度或能量。当波浪从大海袭向岸边时，大波浪的力量要比小波浪的力量强的多。发射机的工作原理与其类似，不过发射机发射的是无线电波。
• 电波越小，越不易被接收天线识别。电波越大，所产生的电信号越大，越容易被接收天线接收。接收机根据振幅来区分波的大小。
• 振幅单位用米（m）或厘米（cm）表示。 振幅描述了物体振动幅度的大小和振动的强弱。 在无线网络里，无线电波的振幅反映无线信号的强弱。

相位

• 相位是对于一个波特定的时刻在它循环中的位置，一种对于它是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度，通常以度（角度）或弧度作为单位，也称作相角。
• 波形循环一周即为360° 2π=360 ° 57.3°=1 弧度
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• 相位是一个相对术语，它描述了两个同频波之间的关系。为测定相位，将波长划分为360份，每一份称为1°。我们将度作为波传播的起始时间，如果一个波在0°点时开始传播，另一个波在90°点时开始传播，就称二者90°异相。

周期与频率

• 物体完成一次全振动经过的时间为一个周期T，其单位为秒(s)。
• 一秒钟内振动质点完成的全振动的次数叫振动的频率f，其单位为赫兹(HZ) 。
• 周期和频率的关系： f=1/T 周期越长，振动越慢；频率越大，振动越快。

• 频率描述了波的行为。波从产生它的原点处向外传播。波传播速度的快慢称为频率，更具体地说，频率是1秒钟内产生的波的数量。

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调制与解调

• 调制：将各种数字基带信号转换成适于信道传输的数字调制信号。分为：调幅、调频和调相。
• 解调：在接收端将收到的数字频带信号还原成数字基带信号。
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• 根据所控制的信号参量的不同，调制可分为：

  • 调幅：调幅是使高频载波信号的振幅随调制信号的瞬时变化而变化。也就是说，通过用调制信号来改变高频信号的幅度大小，使得调制信号的信息包含入高频信号之中，通过天线把高频信号发射出去，然后就把调制信号也传播出去了。这时候在接收端可以把调制信号解调出来，也就是把高频信号的幅度解读出来就可以得到调制信号了。

  • 调频：调频是使载波频率按照调制信号改变的调制方式。已调波频率变化的大小由调制信号的大小决定，变化的周期由调制信号的频率决定。已调波的振幅保持不变。调频波的波形，就像是个被压缩得不均匀的弹簧。

  • 调相：载波的相位对其参考相位的偏离值随调制信号的瞬时值成比例变化的调制方式，称为相位调制，或称调相。即载波的初始相位随着基带数字信号而变化，例如数字信号1对应相位180°，数字信号0对应相位0°。

菲涅耳区

• 菲涅耳区是一个椭球体，在该区域内存在阻挡物，会大大影响信号传输效果。相反，若不被阻挡，则可以获得近似*空间的传播条件。
• 菲涅尔区是一个虚构的椭球体区域，它环绕在点对点收发天线之间的可视视距周围，如图所示。 信号不沿所有方向传输，而是聚焦成束。而要形成视线路径，在发送方和接收方的天线之间，信号不能受任何障碍物的影响。 在大楼或城市之间的路径中，通常有其他大楼、树木或其他可能阻断信号的物体。在这种情况下，必须升高天线，使其高于障碍物，以获得没有障碍的路径。
• 远距离传输时，弯曲的地球表面也将成为影响信号的障碍物。距离超过两英里时，将无法看到远端，因为它稍低于地平线。尽管如此，无线信号通常沿环绕地球的大气层以相同的曲度传输。但如果传输路径非常长，弯曲的地球表面也将进入菲涅耳区并导致问题。 通常，应增加视线系统的高度，使菲涅耳区的下边缘也比所有障碍物高。