移动通信网络中的无线电通讯原理
2019-12-15 22:01 云物互联 阅读(2969) 评论(0) 编辑 收藏 举报目录
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法拉第的电磁感应定律
法拉第发现了电磁感应现象，继而提出了电磁感应定律。
电磁感应现象：是指闭合电路的一部分导体在磁场中作切割磁感线运动，导体中就会产生电流的现象。这种利用磁场产生电流的现象叫做电磁感应现象，产生的电流叫做感应电流，产生的电动势（电压）称为感应电动势。
电磁感应定律：是电磁学中的一条基本定律，跟变压器、电感元件及多种发电机的运作有密切关系。定律指出：任何封闭电路中感应电动势的大小等于穿过这一电路磁通量的变化率。
麦克斯韦的电磁波
法拉第的电磁感应定律最初是一条基于观察的实验定律，由于法拉第的数学研究偏弱（相对而言），所以一直没能够使用数学对电磁感应定律进行解释。直到麦克斯韦读到了法拉第的《电学实验研究》。
1855 年，麦克斯韦发表了论文《论法拉第的力线》，法拉第如获至宝，立刻寻找这位年轻人，这一找就是五年。两人相遇后又过了五年，麦克斯韦推导出了最优美的麦克斯韦方程组。再两年后，法拉第与世长辞，不过法拉第了无遗憾，因为他看到了历史上最优美的方程 —— 麦克斯韦方程组。
麦克斯韦方程组，是麦克斯韦在 19 世纪建立的一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程。麦克斯韦方程组由四个方程组成，分别是描述电荷如何产生电场的高斯定律、表明磁单极子不存在的高斯磁定律、解释时变磁场如何产生电场的法拉第感应定律，以及说明电流和时变电场怎样产生磁场的麦克斯韦-安培定律。
牛顿统一了天和地（力），而麦克斯韦统一了电和磁，把所有的电磁现象都用方程组完美的描述，并在 1862 年预言了电磁波的存在，还给出了电磁波的速度就是光速，这意味着光也是一种波。后来，由赫兹通过实验证实了电磁波的存在。麦克斯韦的《电磁学通论》与牛顿的《自然哲学的数学原理》还有达尔文的《物种起源》齐名。
赫兹的电磁波证明
电磁波：是指同相振荡且互相垂直的电场与磁场，在空间中以波的形式传递能量和动量，其传播方向垂直于电场与磁场的振荡方向。电磁波不需要依靠介质进行传播，在真空中其传播速度为光速。电磁波可按照频率分类，从低频率到高频率，主要包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。人眼可接收到的电磁波，波长大约在 380 至 780nm 之间，称为可见光。
第一个证明电磁波存在的是德国物理学家赫兹。1888 年 2 月，他用自己设计的仪器完成了这一轰动科技界的实验。
赫兹很早就被麦克斯韦的《电磁学通论》所吸引，并多次研读这一巨著。麦克斯韦在书中说到：“电磁场的变化也会像水波一样向四面八方扩散出去，这个扩散出去的电磁场我把它叫做 —— 电磁波。虽然我现在还无法用实验的方法证明它的存在，但我坚信它一定存在”。显然，赫兹也坚信着电磁波的存在。
赫兹首先要做的，就是制造电磁波，并且找到可以产生迅速变化的电磁场的办法。1886 年，29 岁的赫兹在做放电实验时，偶然发现身边的一个线圈两端发出电火花，赫兹意识到，这个跳动的小火花可能正是可以产生变化的电场和磁场 —— 火花隙放电。
赫兹的实验装置很简单：两块锌板，每块都连着一根端上装着铜球的铜棒，两个铜球离得很近。两根铜棒分别与高压感应圈的两个电极相连，这就是电磁波发生器；此外，赫兹还制作了一个十分简单而又非常有效的电磁波探测器 —— 谐振环。就是把一根粗铜丝弯成环状，环的两端各连一个金属小球，球间距离可以调整。
开始实验时，赫兹把门窗遮得严严实实，不让一丝光线射进来。当他合上电源开关时，电磁波发射器的两个铜球间闪出耀眼的火花，发出劈劈啪啪的响声。但这并不是赫兹要观察的目标。他紧张地调节着电磁波探测器的螺丝，让两个铜球越靠越近。突然，两个铜球的空隙也跳跃着微弱的电火花。这就是电磁波！
以现在的话来说，赫兹实践的就是一个 LC 震荡电路。发射端由电磁震荡发出的电磁波，接收端通过电磁共振来接受电磁波。从此，人们对电磁波的研究从理论转向实践，人们开始研究如何使用电磁波来进行通信，即无线通信。
此外。赫兹还有一个重大发现，就是光电效应，证明了电磁波与光一样，可以发生反射、折射，其速度与光速一样，为 30 万千米每秒。后来爱因斯坦解释了光电效应，获得了诺贝尔奖，顺便还提出了波粒二象性。
特斯拉的无线电
无线电：又称无线电波、射频电波、电波，或射频，是指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波。在电磁波谱上，其波长长于红外线光（IR）。频率范围为 300 GHz 以下，其对应的波长范围为 1 毫米以上。就像其他电磁波一样，无线电波以光速前进。经由闪电或天文物体，可以产生自然的无线电波。由人工产生的无线电波，被应用在无线通讯、广播、雷达、通讯卫星、导航系统、电脑网络等应用上。
无线电到底由谁最先发明？自 1896 马可尼在英国申请了自己无线电的商业专利（专利号 12039）开始，多少年来，前后有过许多人声称自己首先发明了无线电，结果把事情弄得面目全非。在这些人当中，除了马可尼以外，比较知名的有洛奇、普平、爱迪生、费先登、斯拉比、布朗、汤姆孙和斯图恩等国际名家。这种混乱现象一直到 1943 年才正式得到美国最高法院澄清 —— 1943 年 6 月 21 日，就在特斯拉去世后不久，美国最高法院推翻了承认马可尼发明权的原判，美国最高法院裁定：尼古拉.特斯拉提出的基本无线电专利早于其他竞争者，无线电专利发明人是尼古拉.特斯拉。这场无线电大战正如当年牛顿与莱布尼茨关于微积分的发现，这多年之间同样有着许多耐人寻味的故事，我们暂且不作展开。
为纪念无线电发明的主题的邮票，左上为特斯拉，中上为波波夫，左下为马可尼。可以说，如果没有无线电这一通讯的基石，今天就不会有如此繁荣的移动互联网。
波波夫的无线电发射天线
天线：就是一个接受和发射无线电的装置，本质是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线
每年 5 月 7 日是苏联物理学界一年一度的 “无线电节”，因为在 1895 年 5 月 7 日，波波夫设计了世界上第一台无线电接收机，他第一次在接收机上使用了天线，这也是世界上的第一根天线。波波夫为无线电的运用奠定了基础。当天，波波夫演示了在相距 245 米的大楼之间通过以摩斯代码发送 “Heinrich Hertz” 实现无线信号传送。
这台无线电接收机的核心部分用的是改进了的金属屑检波器，波波夫采用电铃作终端显示，电铃的小锤可以把检波器里的金属屑震松。电铃用一个电磁继电器带动，当金属屑检波器检测到电磁波时，继电器接通电源，电铃就响起来。
有一次，波波夫在实验中发现，接收机检测电波的距离突然比往常增大了许多。波波夫反复检查却一直找不出原因，一天，波波夫无意之中发现一根导线搭在金属屑检波器上。他把导线拿开，电铃便不响了；他把实验距离缩小到原来那么近，电铃又响了起来。波波夫喜出望外，连忙把导线接到金属屑检波器的一头，并把检波器的另一头接上。经过再次试验，结果表明使用天线后，信号传递距离剧增。无线电天线由此而问世。
用今天的话来说，天线可以增大无线电波的传输距离的原因是：固有频率越小，电磁波的信号越容易传播。
无线电通信的原理
无线信号的调制
首先我们需要了解，从无线电发射装置发射出来的信号一般是高频信号，因为低频信号是传不远的。而语音信号的频率一般为：20Hz ~ 20kHz，属于低频信号。所以，使用无线电来传输数据时，首先要将低频信号（内容）变成高频信号（快递），这个过程就称之为调制。最常见的调制方式为：AM（幅度调制）和 FM（频率调制）。
在无线传输中，信号是以电磁波的形式通过天线辐射到空间的。为了获得较高的辐射效率，天线的尺寸一般应大于发射信号波长的四分之一。然而，基带信号包含的较低频率分量的波长较长（低频波长），致使天线的尺寸过长而难以实现。由此，通过调制，把基带信号的频谱搬至较高的载波频率上（高频波短），可以大大减少辐射天线的尺寸。另外，调制可以把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。最后，调制可以扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，提高传输的信噪比。信噪比的提高是以牺牲传输的带宽为代价的。因此，在通信系统中，选择合适的调制方式是关键。
简而言之，调制信号目的有三点：
- 便于无线发射，减少天线尺寸
- 频分复用，提高通信容量
- 提高信号抗干扰能力
为了充分利用信道容量，满足用户的不同需求，通信信号采用了不同的调制方式。随着电子技术的快速发展，以及用户对信息传输要求的不断提高，通信信号的调制方式经历了由模拟到数字，由简单到复杂的发展过程。
无线信号的发射（谐振感应耦合）
谐振感应耦合，是当松散耦合的线圈之间的次级侧发生谐振时耦合由松散状况转为强化状态的现象。最基本的谐振感应耦合由初级侧驱动线圈和次级侧谐振电路组成。在这种情况下，由初级侧观察次级侧的谐振状态时，可发现为一对的两个谐振频率，其中的一个称为反谐振频率（并联谐振频率 1），另一个称为谐振频率（串联谐振频率 1’）。次级线圈由短路电感和谐振电容组合为谐振电路。以次级侧的谐振频率（串联谐振频率）驱动初级侧线圈时，初级侧与次级侧线圈的磁场达到相位同步。结果因互磁通增加，在次级线圈得以产生最高电压，并且初级线圈的铜损降低，发热减少，效率相对提高。谐振感应耦合广泛应用于谐振变压器，无线供电和 JR 磁浮的车上供电。
通过谐振感应耦合来发射无线电的方式称为 —— 磁耦合谐振式无线电能传输，是众多无线电能传输技术中的一种，但因其传输距离远、效率高、功率大，潜在的实用价值高，近年来（2015年）受到各国学者和爱好者关注。
**无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT）**是通过发射器将电能转化为其它形式的中继能量，如电磁场能、激光、微波及机械波等，隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现电能无线传输。根据能量传输过程中，中继能量形式的不同，可分为磁（场）耦合式、电（场）耦合式、电磁辐射式和机械波耦合（超声波耦合）式。因传输功率大、效率高，磁耦合式无线电能传输应用较其它方式更为广泛。
无线信号的传播方式
无线传输（Wireless transmission）是指利用无线技术进行数据传输的一种方式。无线传输和有线传输是对应的。随着无线技术的日益发展，无线传输技术应用越来越被各行各业所接受。常见的，有以下几类无线传输技术：
- GPRS/CDMA/OFDM 无线通信技术
- 数传电台通信：
- 扩频微波通信
- 无线网桥
- 卫星通信
- 短波通信
这里我们主要展开一下应用于移动通信网络中的 GPRS/CDMA/OFDM 无线通信技术。
GPRS（通用无线分组业务）
GPRS 是由中国移动开发运营的一种基于 GSM 通信系统的无线分组交换技术，是介于第二代和第三代之间的技术，通常称为 2.5G。GPRS 是实现的是分组交换（Packet Switch）的概念，将数据封装成许多独立的包（Packet），再将这些包一个一个传送出去，形式上有点类似寄包裹，其优势在于有数据需要传送时才会占用频宽，而且是以数据量计价，有效的提高网络的利用率。相比原来的 GSM 的电路交换数据传送方式，GPRS 能够同时支持电路交换数据和分组交换数据，从而 GPRS 能够方便的和因特网互相连接。
CDMA（码分多址）
CDMA 由中国电信运行的一种基于码分技术和多址技术的新的无线通信系统，其原理基于扩频技术。
码分多址是指利用码序列相关性实现的多址通信，其基本思想是靠不同的地址码来区分的地址。每个配有不同的地址码，用户所发射的载波（为同一载波）既受基带数字信号调制，又受地址码调制，接收时，只有确知其配给地址码的接收机，才能解调出相应的基带信号，而其他接收机因地址码不同，无法解调出信号。划分是根据码型结构不同来实现和识别的。一般选择伪随机码（PN 码）作地址码。由于 PN 码的码元宽度远小于 PCM 信号码元宽度（通常为整数倍），这就使得加了伪随机码的信号频谱远大于原基带信号的频谱，因此，码分多址也称为扩频多址。
码分多址的特点是：网内所有用户使用同一载波、占用相同的带宽、各个用户可以同时发送或接收信号。码分多址通信系统中各用户发射的信号共同使用整个频带，发射时间又是任意的，各用户的发射信号在时间上、频率上都可能互相重叠。因此，采用传统的滤波器或选通门是不能分离信号的，这样对某用户发送的信号，只有与其相匹配的接收机，通过相关检测器才可能正确接收。
根据最新的消息，中国电信已明确要求从 2020 年起，所有 5G 终端不允许存在 CDMA 频段和制式，同时要求不允许存在 VoLTE 开关。这就意味着，5G 时代，CDMA 将彻底离开我们。
OFDM（正交频分复用）
OFDM 由 MCM（Multi Carrier Modulation，多载波调制）发展而来，是多载波传输方案的实现方式之一，通过频分复用实现高速串行数据的并行传输，它具有较好的抗多径衰弱的能力，能够支持多用户接入。它的调制和解调是分别基于快速傅利叶变换（IFFT/FFT）来实现的，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。
在通信系统中，信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽要宽得多。如果一个信道只传送一路信号是非常浪费的，为了能够充分利用信道的带宽，就可以采用频分复用的方法。OFDM 的思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除码间串扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。
无线信号的接受（调谐）
谐振频率：指的是在含有电容和电感的电路中，如果电容和电感并联，可能出现于某个很小的时间段内：电容的电压逐渐升高，而电流却逐渐减少；电感的电流却逐渐增加，电感的电压却逐渐降低。而在另一个很小的时间段内：电容的电压逐渐降低，而电流却逐渐增加；电感的电流却逐渐减少，电感的电压却逐渐升高。电压的增加可以达到一个正的最大值，电压的降低也可达到一个负的最大值，同样电流的方向在这个过程中也会发生正负方向的变化，称为电路发生电的振荡。当谐振电路外部输入电压的正弦频率达到某一特定频率（即该电路的谐振频率）时，谐振电路的感抗与容抗相等，Z=R，谐振电路对外呈纯电阻性质，即为谐振。发生谐振时，谐振电路将输入放大 Q 倍，Q 为品质因数。
无线信号接收器在接收到电磁波之后就会激起感应电流，而且感应电流的大小与电磁波的频率是有关系的，只有那些和接收装置的固有频率一致的电磁波激起的感应电流才会最大的。那么，通过调节接收装置的固有频率就可以实现接收不同频率的电磁波了，这个调节的过程，我们称之为调谐。
在无线接收电路中有一个重要的模块就是 “调谐器”，电磁波接收下来的功率还太小，不能直接放大，否则噪声会大大盖过信号本身，所以必须要经过 “调谐” 这个过程。调谐就是调节接收电路中的振荡器的频率，使之与要接收的频率的电磁波的频率一致，从而发生谐振，以便把一定频率的电磁波选出来。
通常情况下一个系统只会接收一定频率范围内的电磁波，所以这个系统的所有组件都是根据这个频率设计的。高频滤波器、PA/LNA、天线设计所以这个系统的所有组件都是根据这个频率设计的。高频滤波器、PA/LNA、天线设计，为了保证平均性能最佳，一般会把天线匹配到中间的 6 频道。
用软件来接收和处理无线电信号的技术叫做 SDR，但并不是把所有的频率都接受下来然后滤波，而是通过软件进行调谐，在一个相对较广的范围内（例如几十 MHz 到几 GHz）接收电磁波。为了接收特定的频率，有时也要更换对应的天线。
无线信号的解调
需要注意的是，在通过无线信号接收器接收到电磁波之后，只是接收到了 “快递” 而已。与无线信号发射时候的调制相反，无线信号接收时需要解调，将高频信号（快递）解调为低频信号（语音、图像）。
