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无线维护基础理论精编版
无线维护基础理论
第一章通信技术概论
第一节信号
一、信号传递方式
通信的任务是传递信息。
人类社会中需要传递的信息可以是声音、文字、符号、音乐、图像和数据等。
在现代通信技术中，主要运用的传输方式是电通信技术，即以电信号的形式来传递信息。
在实际通信中以电的形式来传递信息，首先是在发送端采用传感器将一般的信息转换成电信号，然后在接收端将收到的电信号还原。
二、信号的分类
电信号通常分为模拟信号和数字信号两大类。
1.模拟信号
模拟信号是指电信号的某一参量的取值范围是连续的，因此可有无限多个取值，如话筒产生的话音电压信号，摄像机所产生的图像电流信号等。
模拟信号通常是时间连续函数，也有时间离散函数的情况，但无论时间是否连续，其取值一定是连续的。
最简单的模拟信号如图1-1所示，图1-2为时间离散的模拟信号。
图1-1时间连续的模拟信号
图1-2时间离散的模拟信号
2.数字信号
数字信号是指电信号的某一参量携带着离散信息，其取值是有限个数值，如电报信号、数据信号等，如图1-3所示。
图1-3数字信号
第二节通信系统的基本概念
实现信息转换成信号这一过程的全部技术设备和设施统称为系统。
在通信领域中将实现通信过程的全部技术设备和设施称为通信系统。
一、基本模型
通信是将信息从发信者传递给在另一个时空点的收信者。
由于完成这一信息传递的通信系统的种类繁多，因此它们的具体设备和业务功能可能各不相同，经过抽象概括，通信流程可用图1-4所示的基本模型图来表示。
图1-4通信系统的基本模型图
整个流程是由信源、发送变换器、信道（或传输媒介）、噪声、接收变换器和信宿（收信者）等六部分组成。
1.信源
信源是指发出信息的信息源。
在人与人之间通信的情况下，信源就是指发出信息的人；在机器与机器之间通信的情况下，信源就是发出信息的机器，如计算机或其它机器等。
2.发送变换器
发送变换器的基本功能是将信源和传输媒介匹配起来，即将信源产生的信息信号变换为利于传送的信号形式送往传输媒介。
变换方式是多种多样的，在需要频率搬移时，调制是最常见的变换方式。
发送变换器还包括为达到某些特殊要求所进行的各种处理，如多路复用、保密处理和纠错编码处理等。
3.信道
信道是信号传输媒介的总称。
传输信道的类型有两种，一种是使电磁信号在空间中传输，这种信道叫无线信道；另一种是使电磁信号约束在某种传输线上传输（如架空明线、电缆、光缆及波导等），这种信道叫有线信道。
4.噪声
噪声并不是人为实现的实体，但在实际通信系统中又是客观存在的。
在模型中的噪声是以集中形式表示的，实际上这种干扰噪声可能在信源信息初始产生的周围环境中就混入了，也可能从构成发送变换器的电子设备中引入。
另外，传输信道中的电磁感应以及接收端各种设备中引入的干扰都要产生影响。
在模型中我们把发送、传输和接收端各部分的干扰噪声集中地由一个噪声来表示。
5.接收变换器
接收变换器的主要作用是将来自信道的带有干扰的发送信号加以处理，并从中提取原始信息，完成发送过程的逆变换——解调、译码等。
6.信宿
信宿是指信息传送的终点，也就是收信者。
它可以与信源相对应构成人—人通信或者机—机通信，也可以与信源不一致，构成人—机通信。
二、通信系统的构成要素
一个实际的通信系统往往由终端设备、传输链路和交换设备三大部分组成。
1.终端设备
终端设备的主要功能是把待传送的信息和在信道上传送的信号相互转换。
这就要求有发送传感器来感受信息和接收传感器将信号恢复成能被利用的信息，还应该有能处理信号的设备以便能与信道匹配。
另外还需要有能产生和识别通信系统内所需的信令信号或规约。
对应不同的通信业务有不同的信源和信宿，也就有着不同的变换和反变换设备，因此对应不同的通信业务也就有不同的终端设备，如电话业务的终端设备就是电话机，电报业务的终端设备就是电报终端，数据业务的终端设备就是数据终端机等。
2.传输链路
传输链路是连接源点和终点的媒介和通路，除对应于通信系统模型中信道部分之外，还包括一部分变换和反变换设备。
传输链路的实现方式很多，一种是物理传输媒介本身就是传输链路，如实线和电缆；一种是采用传输设备和物理传输媒介一起形成的传输链路，如载波链路和光通信链路；还有一种是传输设备利用大气传播的传输链路，如微波和卫星通信链路。
3.交换设备
交换设备是现代通信网的核心，其基本功能是完成接入交换节点链路的汇集、转接和分配。
对不同通信业务网络的转接，交换设备的性能要求也不同。
例如，对电话业务网的交换设备的性能，其实时性强。
因此目前主要采用直接接续通话电路的电路交换方式。
对于主要用于计算机通信的数据业务网，由于数据终端或计算机终端可有各种不同速率，同时为了提高链路利用率，可将流入信息流进行分组、存储，然后再转发到所需链路上去，这种方式叫做分组交换方式。
例如分组数据交换机就按这种方式进行交换，这种方式可以比较高效地利用传输链路。
第三节通信系统的分类
通信系统的分类方法很多，既可以按用途来分，也可以按传输信号的特征来分，还可以按工作方式来分。
以下仅对图1-4所示的通信系统模型图所引出的分类方法进行讨论。
1.按信源分类
按照信源发出消息的物理特征不同可分为电话、电报、数据和图像的通信系统。
其中电话通信目前最发达，其它通信常借助于公用电话通信系统传递信息。
2.按传输媒介分类
通信系统模型中的信道是指传输信息的媒介或信号的通道。
按传输媒介分类，通信系统可分为有线和无线两大类。
有线信道常用的是对称电缆、同轴电缆和光缆，因此可构成电缆通信系统和光纤通信系统。
目前长途通信系统中主要采用的是光纤通信系统，而电缆通信系统大都用在本地通信系统中。
无线信道按照所使用的频段和通信手段可分为短波通信系统、微波中继通信系统、移动通信系统和卫星通信系统。
3.按传输信号的特征分类
根据传输信号的特征，通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统两大类。
（1）模拟通信系统
在模拟通信系统中传输的是模拟信号。
图1-5所示的是模拟通信系统的基本组成。
在图中用调制器取代图1-4中的发送变换器，用解调器取代图1-4中的接收变换器。
这里的调制器和解调器对信号的变换起着决定性的作用，直接关系着通信质量的优劣。
图1-5模拟通信系统的基本组成图
（2）数字通信系统
在数字通信系统中传输的是数字信号。
数字通信系统的基本组成如图1-6所示。
数字通信系统除包括调制器和解调器外，还包括信源编码器、信道编码器、信道译码器、信源译码器和同步系统等。
图1-6数字通信系统的基本组成图
①数字通信系统的组成
A.信源编码器
信源编码器的主要作用是提高数字信号传输的有效性。
如果信息源是数据处理设备，还要进行并/串变换，以便进行数据传输。
通常的数字加密也可归并到信源编码器中。
收端的信源译码是信源编码的逆变换。
B.信道编码器
信道编码器主要是为了提高数字信号传输的可靠性。
由于传输信道内噪声的存在和信道特性不理想造成的码元间干扰，通信系统很容易产生传输差错，而信道的线性畸变所造成的码间干扰可通过均衡办法基本消除，因此信道中的噪声是导致传输差错的主要原因。
减小这种差错的基本作法是在信码组中按一定规则附加上若干监视码元（或称冗余度码元），使原来不相关的数字信息序列变为相关的新的序列，然后在接收端根据这种相关的规律性来检测或纠正接收序列码组中的误码，提高可靠性，因此信道编码器又称差错控制编码器。
接收端的信道译码器是信道编码器的逆过程。
C.同步系统
同步系统用于建立通信系统收、发相对一致的时间关系。
只有这样，收端才能确定每位码的起止时间，并确定接收码组与发送码组的正确对应关系，否则接收端无法恢复发端的信息。
因此同步是数字通信系统正常工作的前提，通信系统能否有效地、可靠地工作，很大程度上依赖于同步系统性能的好坏。
同步可分为载波同步、位同步、帧同步和网同步四大类。
②数字通信系统的特点
模拟通信系统与数字通信系统各有特点，但从总体上看，数字通信系统与模拟通信系统相比，具有以下特点：
A.抗干扰能力强，数字通信系统可通过再生中继器消除噪声积累；
B.可采用差错控制技术，从而提高数字信号传输的可靠性；
C.便于进行各种数字信号处理，如计算机存储和处理，使数字通信和计算机技术相结合而组成综合化、智能化的数字通信网；
D.数字通信系统可使传输与交换相结合，电话、数据和图像传输相结合，有利于实现综合业务数字网；
E.数字通信系统的器件和设备易于实现集成化、微型化。
③数字通信系统的主要性能指标
A.有效性指标
信息传输速率：
信息传输速率通常是以每秒钟所传输的信息量多少来衡量的。
符号传输速率：
符号传输速率也叫码元速率，它是指单位时间内所传输的码元数目，其单位为“波特”。
频带利用率：
频带利用率是指单位频带内的所能实现的信息传输速率。
B.可靠性指标
误码率：
误码率是指在传输过程中系统出现错误码元的数目与所传输码元总数之比值。
这个指标是多次统计结果的平均量，所以这里指的是平均误码率。
误比特率：
误比特率是指传错信息的比特数与所传送的总信息比特数之比值。
第二章无线通信基础知识
第一节无线通信的基本概念
一、无线通信的概念和特点
根据传送信息的媒介不同，现代通信可以分为有线通信和无线通信两大类。
有线通信是利用导线（如电缆、光缆等）来传递信息，无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。
无线通信在使用中又分为两种：
一种是固定点与固定点进行通信的固定无线电通信，另外一种是固定点与移动体或移动体与移动体之间进行联系的移动无线通信，简称移动通信。
无线通信具有以下一些明显的优点：
（1）跨越空间的能力很强，短则百米，长则数千、数万公里甚至更远。
（2）信息传输速度快，无线电波每秒传播速度可达30万公里。
所以地球上任何两点之间的无线电信息传递基本上都是实时的。
（3）在较高的频率上具有很大的信息容量。
二、无线通信系统组成
无线通信系统主要由发送设备、接收设备和传输媒体组成，主要部分的基本功能如图2-1所示。
图2-1无线通信系统组成图
1．发送设备
（1）信息源：
提供需要传送的信息。
（2）变换器：
将被发送的信息变换为电信号，例如话筒将声音变为电信号。
（3）发射机：
将变换器输出的电信号变为足够强度的高频信号。
（4）发射天线：
将高频信号变成电磁波向传输媒质辐射。
2．接收设备
（1）接收天线：
将空间传播到其上的电磁波变换成高频电信号。
（2）接收机：
将高频电信号放大、变换成较低频率的电信号。
（3）变换器：
将电信号变换成所传递信息。
（4）受信人：
信息的最终接受者。
3．传输媒体
无线通信的传播媒体是无线电波，不同频段无线电波信号的产生、放大和接收的方法不同,传播的能力和方式也不同。
在自由空间中,波长与频率存在以下关系：
c=fλ。
其中c为光速，f和λ分别为无线电波的频率和波长。
三、调制与解调
在无线通信系统中，对信号变换起重要作用的是调制和解调。
1.调制
由无线通信理论可知，当天线的几何尺寸和要传递的电信号的波长相近时，电信号才能有效地从天线以电磁波的形式辐射出去。
以语音信号为例，语音信号变换为电信号后其频率范围从几十Hz到几千Hz，一般将300Hz到3000Hz的频率发送出去即可取得较满意的话音传输效果，但300Hz到3000Hz电信号所对应的波长为1000km～100km，要建立起这样长的天线系统显然是不能的。
再者，即使能将该频率范围的话音信号发送出去，不同电台发送的音频信号电磁波将在空中混杂在一起，相互干扰，使接收机无法选择接收，即无法实现多路传输的问题。
要解决上述问题，就要采取调制的方法。
用所要传送的基带信号控制高频振荡信号的某一个参数（如幅度、频率或相位），即把基带信号“附加”到高频振荡上，使基带信号变换为适合传输的高频带通信号，这一过程就是调制。
通常将待传输的基带信号称为调制信号；将高频振荡信号称为载波信号，而将加载了基带信号的高频信号称为已调信号。
调制的种类很多，分类方法也不一致。
按调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制。
模拟调制包括幅度调度（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）；数字调制有幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）以及快速频移键控（FFSK）、高斯最小频移键控（GMSK）等。
在450MHz列车无线调度通信系统中，语音信息采用FM调制，而调度命令、车次号校核数据信息采用FFSK调制；在铁路数字移动通信系统GSM-R中，则采用GMSK调制。
2.解调
解调是调制的逆过程，其作用是从接收的已调信号中恢复原调制信号，即基带信号。
常用的解调方式有两种：
即相干解调和非相干解调（包络检波、鉴频器）。
四、无线通信的工作方式
无线通信的工作方式主要有单工通信、双工通信和半双工通信三种。
1.单工通信方式
所谓单工方式，是指通信双方只能交替地进行发信和收信。
根据通信双方是否使用相同的频率，单工制又分为同频单工和异频单工，如图2-2所示。
单工通信方式的收、发信机可使用同一副天线，而不需天线共用器，设备简单，功耗小，但操作不方便。
在使用过程中，往往会出现通话断续现象。
图2-2单工方式
2.双工方式
双工方式是指通信双方收发信机可同时工作，如图2-3所示。
这种工作方式虽然耗电量大，但使用方便。
双工方式主要用于公用移动通信网和铁路移动通信GSM-R中。
图2-3双工方式
3.半双工方式
半双工方式是指通信双方中有一方使用双工方式，而另一方则采用单工方式，如图2-4所示。
这种方式的特点是设备简单、功耗小，克服了通话断断续续的现象，但操作仍不太方便。
半双工方式主要用于汽车调度系统、列车无线调度等系统中。
图2-4半双工方式
第二节发射机
一、发射机的工作过程
我们知道，人耳能听到的声音频率约在20Hz~20kHz的范围内，通常把这一频率范围叫音频。
声波在空气中传播速度很慢，约340m/s，而且衰减很快。
一个人无论怎样尽力高喊，他的声音也不会传的很远。
自从发明了电与电声器件后，可以把声音变成电信号，再经对方的耳机恢复成原来的声音，从而把声音传到远方，这就是有线电话。
怎样才能不用导线，将声音信号由自由空间传播出去呢？
由电磁波理论可知，交变的电震荡可以利用天线向空间敷设电能，这电能以波的形式向外传播，称为电磁波，它的传播速度等于光速，但是天线的尺寸必须足够长，这种电磁辐射才有效。
具体的说，天线尺寸与被辐射信号的波长相比拟时（波长λ的1/10~1），信号才能被天线有效的辐射出去。
对于音频范围20Hz~20kHz来说，这样的天线不可能实现。
所以电磁波辐射要使用高频。
直接将音频信号辐射出去是困难的，即使能辐射出去，因各个电台的发射信号频率范围大致相同，接收机也无法区分。
只有利用高频电振荡，并设法将音频信号“转载”到高频电振荡之中，然后由天线辐射出去。
高频电振荡又称“载频”，不同的电台可以采用不同的载频频率，避免相互之间的干扰。
把音频信号“装载”到高频振荡信号上的过程叫做调制。
根据音频信号控制高频振荡的方法不同，可分为调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三种调制方式，它们是以音频信号分别控制高频振荡的幅度、频率和相位而区分的。
专用电台多采用调频方式。
二、发射机的结构
无线电发射机的任务是产生一个功率足够大的高频振荡，并使高频振荡按照待传递的信息变化，最后以电磁波的形式把能量辐射出去到达远方。
如图2-2所示，它主要由音频放大器（话音处理电路）、调制、变频器、高频功率放大器等组成。
图2-2典型的移动通信电台组成图
发射机各部分功能
（1）音频放大器（话音处理电路）一般由三部分电路组成：
①预加重电路
其与接收机中的去加重电路结合，改善话音传输的信噪比，提高话音质量。
②瞬时频偏控制电路
完成对瞬时话音信号进行限幅，防止出现过大的调制度，保证调制的最大频偏小于
5kHz。
③低通滤波器
将话音频率限制在300～3000Hz，保证话音信号的最高频率小于3kHz。
（2）调制就是对话音进行处理并装载到高频信号上，使其变为适合于信道传输的形式的过程，装载话音信号的高频信号又称为载波。
（3）变频器是将已调信号的频率提高，使之达到信道的工作频率。
（4）高频功率放大器一般包括高频激励放大器和输出功率放大器，完成对已调高频信号的功率放大，使发射机的输出功率满足要求，并送至天线以一定的功率向外辐射。
三、对无线电发射机的主要技术要求
1．要有一定的工作波段和足够的频率准确度和稳定度
各类电台都要按国家无线电管理委员会分配的波段范围工作，不允许任何电台擅自超越
波段范围发射无线电波，以保证无线电通信有秩序地进行，避免相互干扰。
频率准确度是指发射机实际工作频率偏离规定工作频率的程度。
频率稳定度是指发射机在工作过程中载频频率的稳定程度。
频率准确度与稳定度是发射机的两个重要指标，发射机频率准确度愈高，对准频率愈容易，沟通通信愈迅速；发射机频率稳定度愈高，对邻近波道的干扰愈小，并提高了通信的可靠性。
2．要有足够的功率输出
发射机的输出功率是通信距离的一个重要因素。
很显然，发射机的输出功率愈大，通过天线辐射出去的能量愈大，就可达到更远的通信距离。
但发射机的输出功率大小，取决于它的用途，一般固定的基地台功率较大，而移动电台的发射机输出功率都比较小，有的电台只有1W左右。
并且，输出功率应和要求覆盖的服务范围相适应，盲目地增大输出功率不仅会造成浪费，更重要的会增加系统的干扰，不利于频率的有效利用。
同时，还应有较高的效率，在给出的全机输入总功率条件下（一般是指直流电源消耗功率），发射机产生的输出功率越大，则发射机的效率越高。
发射机的效率高不仅能大大节约电源消耗，而且可减小设备的体积和重量，这点对于便携电台尤为重要。
3．调制性能要好
调制是发射机的主要工作部分，因此，调制性能的好坏，对发射机至关重要。
发射机的调制性能包括：
调制灵敏度、调制频率特性和调制线性等。
调制性能好，就意味着发射机传送信号的信号噪声比提高，频率特性改善，非线性失真减小。
4．要尽量减小寄生辐射；
发射机中产生的谐波分量如果通过天线辐射出去，将对其他电台产生有害的干扰，因此必须将谐波辐射抑制到一定程度，从而减小干扰。
5．移动电台
移动电台更要注意体积小、重量轻、结构简单可靠、使用与维修方便。
第三节接收机
接收无线电信号的设备叫做无线电接收机，接收机从空间中接收到微弱信号，通过射频滤波器从众多的电波中选出有用信号，并经过高频放大、混频、中频放大到解调器所要求的电平值后，再由解凋器解调，还原话音信号，其结构如图2-2所示。
（一）对无线电接收机的主要技术要求
（1）应工作于规定的波段和采用适当的解调方式，并根据系统设计与实际情况决定。
（2）应具有高的接收灵敏度。
接收机灵敏度是指正常工作时，即在接收机的输出端有额定的输出功率和信号噪声比时，接收机输入端所需的最小信号电压值。
它表示接收机接收微弱信号的能力，这个值愈小说明接收机灵敏度愈高，接收机灵敏度主要由接收机的总放大量和噪声决定。
当输出功率一定时，放大量愈大，天线上需要的感应电势愈小，灵敏度愈高。
接收机在放大信号的同时，噪声也会随之增大，因此接收机的灵敏度受到噪声的限制。
（3）应有好的选择性。
当接收机工作时，除有用信号进入接收天线外，还有许多频率的干扰信号进入天线。
接收机的选择性，就是表示它选取有用信号和抑制其他无用信号的能力。
值得注意的是，接收机的选择性概念，一定要与通频带宽度联系起来才有意义。
也就是说，必须在保证通频带宽的前提下提高接收机的选择性，否则，将会使输出信号产生失真。
（4）应有好的保真度。
保真度是指接收机输出信号与输入端高频信号调制波形相似的程
度。
通信的基本任务是要求接收机输出的信号波形与原来调制信号的波形一样。
实际上，信
号通过接收机，不可避免地产生失真，接收机的失真愈小，则它的保真度愈高。
接收机产生失真的原因很多，可分为频率失真、非线性失真和相位失真。
（5）应有高的工作稳定度。
为了使通信经常保持通畅，接收机必须工作可靠，性能稳定。
工作稳定度包括两个方面：
在工作过程中，接收机质量指标的变动，不应超出允许范围；在任何情况下，接收机不应该有自激现象。
（二）无线电接收机的工作过程
接收机的工作过程正好与发射机相反，它的任务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。
接收机的组成框图如图2-3所示。
图2-3接收机的组成框图
第四节天线
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信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信机的输出阻抗和天线的输入阻抗相匹配。
表征天线性能的主要参数有方向图，增益，输入阻抗，驻波比，极化方式，双极化天线的隔离度，及三阶交调等。
（1）方向图
天线方向图是表征天线辐射特性空间角度关系的图形。
以发射天线为例，是从不同角度方向辐射出去的功率或场强形成的图形。
一般地，用包括最大辐射方向的两个相互垂直的平面方向图来表示天线的立体方向图，分为水平面方向图和垂直面方向图。
平行于地面在波束场强最大位置剖开的图形叫水平面方向图；垂直于地面在波束场强最大位置剖开的图形叫垂直面方向图。
描述天线辐射特性的另一重要参数半功率宽度，在天线辐射功率分布在主瓣最大值的两侧，功率强度下降到最大值的一半（场强下降到最大值的0.707倍，3dB衰耗）的两个方向的夹角，表征了天线在指定方向上辐射功率的集中程度。
（2）方向性参数
不同的天线有不同的方向图，为表示它们集中辐射的程度，方向图的尖锐程度，我们引入方向性参数。
理想的点源天线辐射没有方向性，在各方向上辐射强度相等，方向是个球体。
我们以理想的点源天线作为标准与实际天线进行比较，在相同的辐射功率某天线产生于某点的电场强度的平方E2与理想的点源天线在同一点产生的电场强度的平方E02的比值称为该点的方向性参数D=E2/E02。
（3）天线增益
增益和方向性系数同是表征辐射功率集中程度的参数，但两者又不尽相同。
增益是在同一输出功率条件下加以讨论的，方向性系数是在同一辐射功率条件下加以讨论的。
由于天线各方向的辐射强度并不相等，天线的方向性系数和增益随着观察点的不同而变化，但其变化趋势是一致的。
一般地，在实际应用中，取最大辐射方向的方向性系数和增益作为天线的方向性系数和增益。
另外，表征天线增益的参数有dBd和dBi。
dBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd是相对于对称阵子天线的增益，dBi=dBd+2.15。
相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。
习惯上我们采用dBi来表征天线的增益。
（4）输入阻抗
输入阻抗是指天线在工作频段的高频阻抗，即馈电点的高频电压与高频电流的比值，可用矢量网络测试分析仪测量，其直流阻抗为0Ω。
（5）驻波比
由于天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗不可能完全一致，会产生部分的信号反射，反射波和入射波在馈线上叠加形成驻波，其相邻的电压最大值与最小值的比即为电压驻波比VSWR。
（6）极化方式
根据天线在最大辐射（或接收）方向上电场矢量的取向，天线极化方式可分为线极化，圆极化和椭圆极化。
线极化又分为水平极化，垂直极化和±45°极化。
发射天线和接收天
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