無(wú)線通信原理

無(wú)線通信是利用電波信號(hào)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(dòng)中實(shí)現(xiàn)的無(wú)線通信又通稱為移動(dòng)通信，人們把二者合稱為無(wú)線移動(dòng)通信。簡(jiǎn)單講，無(wú)線通信是僅利用電磁波而不通過(guò)線纜進(jìn)行的通信方式。無(wú)線通信主要包括微波通信和衛(wèi)星通信。微波是一種無(wú)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(gè)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(gè)或多個(gè)地球站之間或移動(dòng)體之間建立微波通信聯(lián)系。

無(wú)線通信是通過(guò)無(wú)線電波或紅外線等無(wú)線信號(hào)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)和通信的，其原理包含以下幾個(gè)方面：

無(wú)線信號(hào)發(fā)射：無(wú)線信號(hào)是通過(guò)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(shí)，信號(hào)發(fā)送方將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)制、信號(hào)放大等過(guò)程后，通過(guò)天線將信號(hào)發(fā)射出去。

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

信號(hào)接收：通過(guò)具有接收功能的天線，將傳輸中的電磁信號(hào)接收回來(lái)，經(jīng)過(guò)解調(diào)等過(guò)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(hào)處理：接收的信號(hào)在數(shù)字信號(hào)處理中進(jìn)行解碼、去噪、恢復(fù)等處理，使得信號(hào)能夠被準(zhǔn)確地識(shí)別和處理，達(dá)到最終的通信目的。

總的來(lái)說(shuō)，無(wú)線通信的原理包含了信號(hào)發(fā)射、空間傳播、信號(hào)接收和信號(hào)處理等幾個(gè)方面，這些方面的不斷優(yōu)化、升級(jí)，才讓我們的無(wú)線通信技術(shù)越來(lái)越高效、穩(wěn)定和安全。

無(wú)線通信有哪些

無(wú)線通信是指通過(guò)無(wú)線電波或紅外線等無(wú)線信號(hào)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(wú)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(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)，具有移動(dòng)性、無(wú)需線纜、隨時(shí)連接的優(yōu)勢(shì)，受到了廣泛應(yīng)用。

藍(lán)牙通信：藍(lán)牙是一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，可用于連接個(gè)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(chǎng)通信技術(shù)，它主要用于近距離的兩個(gè)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(jiǎn)單、安全性高，已被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)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(dòng)通信技術(shù)，是一種用于無(wú)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(chǔ)、短信通信等。

紅外通信：紅外通信是一種無(wú)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(gè)世紀(jì)以來(lái)最重要的科學(xué)技術(shù)之一， 從雷達(dá)到廣播電視、無(wú)線電通信再到微波爐， 微波技術(shù)對(duì)社會(huì)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(gè)特性。對(duì)于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿透而不被吸收;對(duì)于水和食物等就會(huì)吸收微波而使自身發(fā)熱;而對(duì)金屬類東西，則會(huì)反射微波。從電子學(xué)和物理學(xué)觀點(diǎn)來(lái)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(zhǎng)更長(zhǎng)，因此具有更好的穿透性。微波透入介質(zhì)時(shí)，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(wàn)次的震動(dòng)，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(shí)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(shí)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(shí)，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(lái)決定。介質(zhì)損耗因數(shù)大的物質(zhì)對(duì)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(duì)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(duì)較小，其對(duì)微波的吸收能力比水小得多。因此，對(duì)于食品來(lái)說(shuō)，含水量的多少對(duì)微波加熱效果影響很大。

3、熱慣性小

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

4、似光性

微波波長(zhǎng)非常小，當(dāng)微波照射到某些物體上時(shí)，將產(chǎn)生顯著的反射和折射，就和光線的反、折射一樣。同時(shí)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(shí)，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(duì)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(huì)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(jiǎn)史

對(duì)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(hào)發(fā)生器和靈敏的信號(hào)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(wú)線通信實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中使用 600MHz 的微波來(lái)傳輸具有較好質(zhì)量的話音信號(hào)， 信號(hào)源為巴克豪森管( Barkhausentube )。這是首次利用300MHz以上的微波完成的無(wú)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(wú)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(shí)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(gè)國(guó)家在進(jìn)行相關(guān)的研究。

1、高速發(fā)展的二戰(zhàn)時(shí)期

第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期普遍被認(rèn)為是微波技術(shù)發(fā)展的黃金時(shí)期， 其背后主要的推動(dòng)力來(lái)自于軍方對(duì)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(guó)， 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(guò)的科學(xué)家中， 后來(lái)有 9 人獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

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(huì)被固體反射回來(lái)， 這實(shí)際就是雷達(dá)最基本的原理。到了 1903 年， 德國(guó)的 Hulsmeyer將其發(fā)明的用于航海的系統(tǒng)申請(qǐng)了專利，該系統(tǒng)利用無(wú)線電波的反射來(lái)檢測(cè)障礙物的存在， 并為船只進(jìn)行導(dǎo)航。1933年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室展示了發(fā)射 3MHz 的無(wú)線電波的雷達(dá)， 能夠在 50 英里的范圍內(nèi)檢測(cè)到飛機(jī)的存在。1934年，英國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(lái)的珍珠港戰(zhàn)役中， 成功地提前檢測(cè)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(chǎng)， 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(duì)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(wú)線通信方面，1943 年 AT&T 研制出 AN/TRC-6 型多頻段微波無(wú)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(hào)的無(wú)線電設(shè)備。微波測(cè)量技術(shù)也在40 年代發(fā)展起來(lái)， 其中包括能量檢測(cè)， 能量測(cè)量， 頻率測(cè)量， 相位測(cè)量和電壓駐波比等技術(shù)。