第1章

移动通信概述

1.1 无线通信系统概述

1.1.1 概述

利用电磁波的辐射和传播，经过空间传送信息的通信方式称为无线电通信（Radio Communication），也称为无线通信。利用无线通信可以传送电报、电话、传真、数据、图像，以及广播和电视节目等通信业务。

1.1.2 无线通信的频率和波段

1895年意大利的G.马可尼（Guglielmo Marconi）利用电火花产生的电磁波，先后在9m、975m和3000m的地方收到电报信号（差不多同时，俄国的A.C.波波夫也进行了电磁波传送电报信号的实验），从此开辟了无线通信的先河。无线通信初创时期使用的频率较低，频率范围较窄，波段主要限于长波和中波。随着科学技术的不断进步，使用的频率范围逐步扩大。目前无线通信使用的频率从超长波波段到亚毫米波段（包括亚毫米波以下），以至光波。无线通信使用的电磁波的频率范围和波段见表1-1。

表1-1 无线通信使用的电磁波的频率范围和波段

由于种种原因，在欧、美、日等一些西方国家常常把部分微波波段分为L、S、C、X、Ku、K、Ka等波段（或称子波段），具体如表1-2所示。

表1-2 无线通信中使用的部分微波波段的名称

1.1.3 无线通信与地球大气层的关系

无线通信中的电磁波传播会涉及地球大气层，这里主要介绍一下地球大气层的相关知识。

地球大气层的结构如图1-1所示。地球大气层中最低的一层是对流层，其厚度平均为10～20km，由于其贴近地球表面，大气的温度随着高度增加而下降，空气对流十分频繁。所谓“对流”的称谓就是基于“空气对流剧烈”而确定的。对流层的平均高度随地域变化而有所差异，温带地区为10～12km，赤道附近为16～18km。在对流层集中了大气中90%以上的水汽和3/4以上的大气质量。

在对流层的上面一层是平流层，又称同温层，距地面约20～40km。在平流层上面是电离层。

电离层是地球大气层的一部分。处于这种高度的大气，其对流作用甚小，在太阳的辐射作用及宇宙射线的影响下产生电离，形成相当多的离子和自由电子。按离地球表面的高度，电离层依次分为D层、E层、F1层和F2层等四层，如图1-2所示。在白天，这四层电离层均存在；在晚上，D层消失，F1层和F2层合并为一层（这时仍称为F2层）。

1.1.4 无线通信的电磁波传播

无线通信中的电磁波按照其波长的不同具有不同的传播特点，下面按波长分述如下。

1.极长波传播

极长波是指波长为10000～100000km（频率为3～30Hz）的电磁波。理论研究表明，这一波段的电磁波沿陆地表面和海水中传播的衰耗极小。

2.超长波传播

超长波是指波长为1000～10000km（频率为30～300Hz）的电磁波。这一波段的电磁波传播十分稳定，在海水中衰耗很小（频率为75Hz时衰耗系数为0.3dB/m），对海水穿透能力很强，可深达100m以上。

3.甚长波传播

甚长波是指波长10～100km（频率为3～30kHz）的电磁波。无线通信中使用的甚长波的频率为10～30kHz，该波段的电磁波可在大地与低层的电离层间形成的波导中进行传播，距离可达数千km乃至覆盖全球。

4.长波传播

长波是指波长1～10km（频率为30～300kHz）的电磁波。其可沿地球表面传播（地波）和靠电离层反射传播（天波）。天波虽然可由电离层反射传播较远，但电离层对其吸收较强，且由于低层电离层参数变化大，极不稳定，衰落严重。地波传播主要与大地的导电率有关，传播较为稳定，在陆地一般传播距离为几十到几百公里。当天波、地波同时存在时，会产生相互干涉，也会形成衰落。当地波在海面上传播时，由于海水电导率高，因而电磁波衰耗较小，传播距离比陆地要远得多，可达数百乃至数千公里。该波段的低端（30～60kHz）的电磁波能穿透一定深度的海水，可用于对潜艇通信。

5.中波传播

中波是指波长100～1000m（频率为300～3000kHz）的电磁波。中波可沿地球表面传播（地波）和靠电离层反射传播（天波）。中波沿地球表面传播时，受地球表面的吸收比长波严重。中波的天波传播与昼夜变化有关。在白天，电离层的D层对中波吸收较为严重，中波难以天波的形式传播，只能靠地波传播。在夜间，电离层的D层消失，E层电子密度下降，高度上升，对中波的吸收减小，因而中波可由电离层的E层反射。在夜间，中波除靠地波传播之外，还靠天波传播。

6.短波传播

短波是指波长为10～100m（频率为3～30MHz）的电磁波。短波可沿地球表面传播（地波），沿空间以直接或绕射方式传播（空间波）和靠电离层反射传播（天波）。由于地球表面对短波的吸收强烈（与中波相比），且随频率的升高而明显增大。因而，短波的地波传播一般不超过几十公里（在短波的低端）。短波的空间波传播主要是靠电波的直射和绕射传播。空间波传播方式不是短波的主要传播方式。短波的天波传播是短波传播的主要方式。短波的天波传播与电离层的变化（昼夜变化，季节和年的变化，以及磁暴、太阳黑子变化、核爆炸等）密切相关，也与天线的仰角和工作频率密切相关。由于电离层折射系数的梯度分布及与频率的关系，短波的传播过程中存在着多径效应，因而存在着严重的衰落现象。

7.超短波传播

超短波是指波长为1～10m（频率为30～300MHz）的电磁波。由于地球表面对超短波的吸收严重，同时也由于超短波对电离层的穿透能力强，其在电离层中的折射系数趋近于1，因而经电离层反射（天波）的能量很小。所以超短波难以靠地波和天波传播，而主要以直射方式（即所谓的“视距”方式）传播。另外，由于对流层中的大气湍流气团对超短波有散射作用，因而超短波利用这种散射作用，可实现超短波的“超视距”传播，超短波具有一定的绕射传播能力，其频率越高，绕射能力也就越差。

8.微波传播

微波是指波长小于1m（频率高于300MHz）的电磁波。目前又按其波长的不同，分为分米波（特高频UHF）、厘米波（超高频SHF）、毫米波（极高频EHF）和亚毫米波（至高频THF）。

微波的传播类似于光波的传播，是一种视距传播。其主要在对流层内进行。总的说来，这种传播方式比较稳定，但其传播也受到大气折射和地面反射的影响。另外，对流层中的大气湍流气团对微波有散射作用。利用这种散射作用可实现微波的超视距传播。

9.激光传播

鉴于光也是一种电磁波，而激光是相干性好的单色光，因而激光的传播也是一种电磁波的传播。激光在大气中的传播主要是视距传播，易受气候影响。大气中的氧、氮、二氧化碳、水蒸气等对激光信号有吸收作用；大气分子密度的不均匀和悬浮在大气中的尘埃、烟、水晶、盐粒子、微生物和微小水滴对光信号均有散射作用，由地球表面的空气对流引起的大气湍流可对激光传播产生光束偏转、光束扩散和光速闪烁，某些波长的激光（如A=0.5μm的蓝绿激光）可在水中传播。

1.1.5 无线通信系统的组成

无线通信系统一般由发信机、收信机及与其相连接的天线（含馈线）构成。

1.发信机

发信机的主要作用是将所要传送的信号首先对载波信号进行调制，形成已调载波；已调载波信号经过变频（有的发射机不经过这一步骤）成为射频载波信号，送至功率放大器，经功率放大器放大后送至天（馈）线。一种短波发信机的组成框图如图1-3所示。

2.天线

天线是无线通信系统的重要组成部分。其主要作用是把射频载波信号变成电磁波或者把电磁波变成射频载波信号。按照规范性的定义：“天线就是把导行模式的射频电流变成扩散模式的空间电磁波的传输模式转换器，及其逆变换的传输模式转换器”。

馈线的主要作用是把发射机输出的射频载波信号高效地送至天线。这一方面要求馈线的衰耗要小；另一方面其阻抗应尽可能与发射机的输出阻抗和天线的输入阻抗相匹配。

3.收信机

收信机的主要作用是把天线接收下来的射频载波信号首先进行低噪声放大，然后经过变频（一次、两次甚至三次变频）、中频放大和解调后还原出原始信号，最后经低频放大器放大后输出。一种短波收信机的组成框图如图1-4所示。

目前实用的无线通信系统，大多数采用双工方式，因而通信双方各自都有发信机、收信机及与其相连的天（馈）线，而且收/发信机做在一起且带有双工器。

1.1.6 无线通信系统的分类

目前分类方法较多，尚不完全统一。从下面可以看出：无线通信系统种类繁多，从其内涵或外延上来说，无线通信技术包含的内容非常广泛，在此只是给出简要介绍，不同的分类方法只是代表着不同的观点，不作为课程的重点。

1.按技术体制分类

无线通信系统分为数字无线通信系统、模拟无线通信系统、数/模兼容无线通信系统。

2.按工作波长分类

无线通信系统分为超长波通信系统、甚长波通信系统、长波通信系统、中波通信系统、短波通信系统、超短波通信系统、微波通信系统、分米波通信系统、厘米波通信系统、毫米波通信系统、激光通信系统。

3.按传输方式分类

无线通信系统分为短波自适应通信系统、超短波中继通信系统、微波中继通信系统、卫星通信系统、对流层散射通信系统、流星余迹通信系统、大气激光通信系统。

4.按工作状态分类

无线通信系统分为固定无线通信系统、移动无线通信系统、可搬移无线通信系统。

5.按在通信网中所处地位分类

无线通信系统分为无线传输系统、无线接入系统。