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行信息交換的一種通信方式。在移動中實現(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)射天線產生的電磁波進行傳輸?shù)?。在傳輸?shù)據(jù)時，信號發(fā)送方將數(shù)據(jù)轉換為模擬信號，經過調制、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(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，經過解調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)字信號處理中進行解碼、去噪、恢復等處理，使得信號能夠被準確地識別和處理，達到最終的通信目的。

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進行數(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是無線局域網技術，可用于傳輸數(shù)據(jù)和連接互聯(lián)網。它相對于有線網絡，具有移動性、無需線纜、隨時連接的優(yōu)勢，受到了廣泛應用。

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

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

4G/5G通信：4G/5G是第四/五代移動通信技術，是一種用于無線網絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉藴省Ｋ哂懈咚俾?、寬帶、低延遲、高可靠性等優(yōu)點，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，利用紅外線在空氣中進行數(shù)據(jù)傳輸。可用于電視遙控、文件傳輸、通訊等方面，但通訊距離短、易受遮擋等限制。

微波技術是近一個世紀以來最重要的科學技術之一， 從雷達到廣播電視、無線電通信再到微波爐， 微波技術對社會的發(fā)展和人們生活的進步產生著深遠的影響。

微波

微波通常是指頻率范圍在 300MHz ~300GHz 內的電磁波， 其波長約在 1米到1 毫米之間， 可被進一步細分為分米波，厘米波和毫米波， 其對應頻率分別為特高頻( 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， 這相當于把微波的頻率范圍進一步擴大到更高的頻率。因此，有的文獻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。從電子學和物理學觀點來看，微波這段電磁頻譜具有不同于其他波段的如下重要特點：

1、穿透性

微波比其它用于輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠紅外線等波長更長，因此具有更好的穿透性。微波透入介質時，由于微波能與介質發(fā)生一定的相互作用，以微波頻率2450MHz，使介質的分子每秒產生24億五千萬次的震動，介質的分子間互相產生摩擦，引起的介質溫度的升高，使介質材料內部、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)加熱中的熱傳導時間，且在條件為介質損耗因數(shù)與介質溫度呈負相關關系時，物料內外加熱均勻一致。

2、選擇性加熱

物質吸收微波的能力，主要由其介質損耗因素來決定。介質損耗因數(shù)大的物質對微波的吸收能力就強，相反，介質損耗因數(shù)小的物質吸收微波的能力也弱。由于各物質的損耗因數(shù)存在差異，微波加熱就表現(xiàn)出選擇性加熱的特點。物質不同，產生的熱效果也不同。水分子屬極性分子，介電常數(shù)較大，其介質損耗因數(shù)也很大，對微波具有強吸收能力。而蛋白質、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，介質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)化生產的需要。

4、似光性

微波波長非常小，當微波照射到某些物體上時，將產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

微波照射于介質物體時，能深入該物體內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，因而不會改變物質分子的內部結構或破壞其分子的化學鍵，所以微波和物體之間的作用是非電離的。

微波技術發(fā)展簡史

對微波的理論研究以及進行相關實驗起步于20世紀初，但早期的設備不能滿足實驗的需要， 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質性的進展。到了20世紀30年代，高頻率的超外差接受器和半導體混頻器的出現(xiàn)為微波技術的進一步發(fā)展提供了條件， 使得微波技術的發(fā)展取得的一定的進步。

1931 年意大利科學家馬可尼進行了距離為 18 英里的無線通信實驗，實驗中使用 600MHz 的微波來傳輸具有較好質量的話音信號， 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驗。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服務， 從此微波技術由實驗室走向了真正的實際應用。同一時期，雷達的相關概念和理論也逐漸形成，到了20世紀30年代中期， 世界上已經有八個國家在進行相關的研究。

1、高速發(fā)展的二戰(zhàn)時期

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

戰(zhàn)后， 輻射實驗室編著了 28 卷的《輻射實驗室叢書》 并于 1947 出版， 書中記錄了二戰(zhàn)期間輻射實驗室及相關研究機構研究發(fā)展雷達的大量工作。

1886 年， 赫茲就已經發(fā)現(xiàn)電磁波會被固體反射回來， 這實際就是雷達最基本的原理。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， 并為船只進行導航。1933年，美國海軍實驗室展示了發(fā)射 3MHz 的無線電波的雷達， 能夠在 50 英里的范圍內檢測到飛機的存在。1934年，英國物理學家和雷達技術專家沃森瓦特建立了實驗雷達站， 1938年組建了英國東海岸的防空雷達網， 由25MHz的雷達構建而成。二戰(zhàn)中英國戰(zhàn)役的最終勝利， 防空雷達網起了很大的作用。1939年， 美國軍隊裝備了105MHz 的 SCR 270 型雷達用作遠程預警系統(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。1943 年輻射實驗室研制出利用空腔磁控管的微波雷達- 3GHz 的 SCR 584 型雷達， 同年投入生產并廣泛使用在歐洲和太平洋戰(zhàn)場， 這種雷達能夠有效的判斷空中物體的位置并進行火力控制， 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， 微波技術在其他方面的應用也在繼續(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， 該設備利用了脈沖位置調制和數(shù)字調制技術， 美軍和英軍裝備了這種型號的無線電設備。微波測量技術也在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。