射频和无线技术入门--传统技术--7
射频和无线技术入门--传统技术--7
- 1.广播
- 1.1 广播的概念
- 1.1.1 特性
- 1.1.2 约束
- 1.2 频率的角色
- 1.2.1 分配
- 1.2.2 传播
- 1.3 调谐
- 1.3.1 调谐器
- 1.4 电视传输
- 1.4.1 途径
- 2.雷达
- 2.1 雷达的概念
- 2.1.1 定义
- 2.1.2 频率的角色
- 2.2 工作原理
- 2.2.1 反射的作用
- 2.2.2 测定距离
- 2.2.3 测定方位
- 2.2.4 确定速度
- 2.3 雷达系统
- 2.3.1 脉冲雷达系统
- 2.3.2 多普勒雷达系统
- 3.卫星通信
- 3.1 为什么使用卫星
- 3.2 卫星如何工作
- 3.2.1 同步轨道
- 3.2.2 上行/下行链路
- 3.2.3 覆盖区
- 3.3 GPS
- 3.3.1 什么是GPS
1.广播
1.1 广播的概念
1.1.1 特性
广播只不过是一个RF系统，该系统通过一个广阔的地理区域传输它的信号，并且有目的地传送给广大听众。广播属于一对多系统，即一个发送者多个接收者。所有的广播都有一个共同点：在特定频带内工作(频带是由它的上边频和下边频的频率范围)。这些频带被划分成更小频带，称为信道。
1.1.2 约束
给每个广播公司分配一个信道(频率范围)，它们只能在这个信道内传送RF能量，称为频率约束。授权某个地区发送广播信号，则为地域约束。广播公司传输功率最大值有限制，称为功率约束。
1.2 频率的角色
1.2.1 分配
分配信道(在频域)越宽，能传输的广播信息就越多。
1.2.2 传播
在环境中，广播信号的行为方式与它的频率有关。当RF信号在空间传输，遇到固体物体时，信号或发射或吸收，或两种情况都发生。这种行为使得RF信号被认为是视距(LOS)信号，这就意味着传输天线必须看到接收天线，在建立无线连接时，它们之间没有遮挡物。
1.3 调谐
1.3.1 调谐器
电视机内部的电子器件只能适应0-6MHz之间的信号，但是没有传输信号在0-6MHz之间。它们都在某一较高频率上。电视机通过使用调谐器使得这么高的传输信号频率降低到电视机内部电子器件能适应的频率。现在的调谐器是各种混频器、滤波器和其他器件构成的精密电子器件。
1.4 电视传输
1.4.1 途径
目前有3种基本途径接收电视信号：通过空间、电缆和卫星。它们使用完全不同方法传播信号，但目标是一致的：尽力让你的电视机接收到更多不同6MHz频道。通过空间传输的电视信号，6MHz频道的数目受到FCC分配频谱(频带)数量的限制。这使得电缆和卫星占据了优势。
在电缆传输情况下，电缆本身能承载0到接近1000MHz的信号。按每频道6MHz，那么理论上，电缆有承载166个不同频道的能力。它能传输这么多信号的原因在于信号被限制在电缆内，因此不与通过空间的信号互相干扰。6MHz带宽是模拟电视的要求，这意味着调制到RF载频上的信号是模拟的。在较新的数字电视系统中，同样的信息能填入少于6MHz，它能转化成更多TV频道。
卫星能传输很多的电视频道，因为它使用数字信号并且使用数字信号处理。
还有4种电视信号传输方法，它是其他3种的混合，称为多信道多点分布式服务(MMDS)。
2.雷达
2.1 雷达的概念
2.1.1 定义
雷达radar即Radio Detecting And Ranging，用来探测到物体4个方面的鲜明特性，雷达能探测到物体是否存在，物体有多远，在哪里以及移动速度。雷达在很多地方得到应用，包括地面(称为地面基站)，船上(称为船上基站)，空间(称为空间基站)以及外太空(称为太空基站)。
2.1.2 频率的角色
一些雷达分配频带如下：
雷达频带|频率范围|应用
UHF|220MHz-225MHz|预警、卫星监视
VHF|420MHz-450MHz|预警、卫星监视
L-波段|960MHz-1215MHz|空中交通控制
S-波段|2.3GHz-2.5GHz，2.7GHz-3.0GHz|预警、船载军用
C-波段|5.25GHz-5.925GHz|高度计、气象雷达
X-波段|8.5GHz-10.55GHz|飞行军事、气象雷达、公安部门使用
Ku-波段|13.4GHz-14GHz，15.7GHz-17.7GHz|飞行军事、公安部门使用
在雷达系统中影响频率选择的因素：
| 因素 | 含义 |
|---|---|
| 频率增大，空气吸收衰减增大 | 若雷达要检测远距离物体，需用低频 |
| 频率增大，系统器件尺寸减小 | 若空间受限(如在飞机上)，需用高频率 |
| 给定频率，天线尺寸越大，波束宽度越窄 | 若需要高精度雷达，需要大尺寸天线 |
| 输出功率增大，系统尺寸和重量增大 | 若需要高功率，雷达要占用大空间 |
2.2 工作原理
2.2.1 反射的作用
当RF信号遇到固体物体时，RF能量的一部分会被反射。对于这种RF反射来说，一个关键的概念是雷达横截面。每个面体物体都有雷达横截面。雷达基本原理：横截面面积越大，呗反射的RF能量越多，相应物体酒更容易被发现。因此它与被测物体的尺寸无关，但与物体的雷达横截面面积有关。
2.2.2 测定距离
为了确定物体的距离，从而判断它的位置，雷达应用了一个简单的公式：距离等于速度乘以时间。雷达系统已知速度，通过光速传播。
测距时，雷达发射机发射信号，雷达内的超快速电子器件计算发射信号到达接收机的时间。用来测距的雷达系统称为脉冲雷达，因为它是用脉冲控制发射机的开和关。在发射机的短暂开启时间期间，发射机以一特定频率发送RF能量。在它处于关闭期间，接收机监听反射信号。既然发射信号和发射信号频率相同，在接收机监听反射信号的时候，发射机必须处于关闭状态。否则，所有接收机准备监听到的都是被发射的信号。
2.2.3 测定方位
雷达通过移动天线进行扫描来确定物体的位置。扫描指天线指向单一方向，在这个方向上发射信号，等待放射信号。如果接收到了反射信号，雷达知道天线的指示方向，因此就知道物体所在方位。
经过短时间候，天线移动一个小的角度，并重复以上过程。雷达重复这3个处理步骤(移动天线，发射信号，等待反射)，直到覆盖所有感兴趣区域。然后指示天线又回到最先位置，再重复处理一次。这里需要使用波束宽度。波束宽度越窄，发现物体所需时间就越长，天线在扫描处理中移动越频繁，而允许雷达测定的物体方位精度就越高。雷达经常用于战斗机中，起先用宽波束宽度来扫描，仅仅确定那里是否存在物体，一旦物体被探测到了，就用窄波束宽度来确定目标的实际位置。实现窄波束宽度需要两个因素：要么有一个大天线，要么有高的发射频率。
2.2.4 确定速度
从一个移动物体发射的声波，其频率随物体的移动而改变。被观察到的频率平移(称为多普勒频移)同物体移动速度成比例。这就是多普勒雷达的基本原理。多普勒雷达用于确定物体速度。
2.3 雷达系统
2.3.1 脉冲雷达系统
脉冲雷达系统用于确定物体是否出现在可计算距离内。使用脉冲雷达系统的两个普通系统是自动开门，在这种应用场合，系统不断发射雷达脉冲并等待响应。根据系统感知到的时间间隔来判断做什么。
脉冲雷达的一个新应用是近距离物体探测系统或NODS，NODS将一个廉价的脉冲雷达安装在汽车缓冲器尾部。倒汽车时，开启雷达并开始记录回应。当倒车时，若车距一个物体太近即时延太短，就会发出告警信号。
2.3.2 多普勒雷达系统
多普勒雷达用于战斗机中，称为射击控制雷达(之所以称为射击控制雷达，是因为用它控制导弹发射)。在今天的现代化航天器中，脉冲多普勒雷达用于测定位置和速度。用脉冲模式下的宽波束宽度来扫描天空，判断周围存在的威胁。一旦扫描到威胁，雷达用窄波束锁定目标。然后接收机分析返回信号，分析它是否出现以下3种情况：频率是否变化，较低频或较高频。
3.卫星通信
3.1 为什么使用卫星
卫星技术是为解决RF行为视距传输局限而提出的。如果地球是平坦的，这种视距不会成问题。携带足够能量的任何方向的发射信号都能达到它的目的接收机，这都是针对短距离而言。当RF信号需长距离传输时，就会出现问题，接收机由于地球存在曲率而被遮挡。
3.2 卫星如何工作
3.2.1 同步轨道
卫星系统用于大陆间通信和电视节目转播的唯一原因是：它相对地球静止。在静止地球轨道上，卫星绕地球转动速度同地球自转速度相同。
3.2.2 上行/下行链路
卫星进入同步地球轨道候，接下来需要关心上行和下行链路。上行链路指的是信号从地面(地球站)到达卫星接收机，下行链路指的是信号从卫星发送机到达地面接收机。卫星系统使用的上行和下行链路频带由美国FCC分配。但有些卫星用于国际通信，下行链路频率会影响美国以外的国家。分配这些国际频率就由国际电信联盟(ITU)。上下行链路工作的频带不同。在不同传输方向，使用不同频带的通信系统称为双工通信（如果不同方向，能在同一时间通信，就称为全双工通信）。
3.2.3 覆盖区
从卫星产生的天线的方向图投射到地球表面，称为天线覆盖区。辐射进这个覆盖区的功劳要考虑天线增益，称其为有效全向辐射功率或EIRP。
3.3 GPS
3.3.1 什么是GPS
全球定位系统GPS是由美国政府发展起来的卫星系统，它由24颗卫星组成，它仅联系发送一个奇怪的但很有用的信号。它不提供接收用户信号的设备。GPS卫星发送的信号主要用在两个方面：导航和定时，这些信号允许携带GPS接收器的人能大概知道自己在地球表面的位置，也可以用来告知现在的时间。
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