[科普中国]-无线电网络

无线电通讯为无线联网和移动计算提供支持。无线网中不需要用线缆互连工作站，代替线缆的是安装在电信局的中心发送器/接收器（或叫收发器），通过它把信号广播给各工作站。 无线局域网设备是一个收发器，它通过以太网电缆连向服务器或其它网段。有两种无线电技术用于构成无线网。

组成无线电网络Radio Networks。

无线局域网设备是一个收发器，它通过以太网电缆连向服务器或其它网段。有两种无线电技术用于构成无线网：窄带无线电通信（Narrow-Band Radio） 这种技术类似于无线电台的广播，必须把发送器和接收器都调拨到同一频带。无线电信号可以穿越墙物，在一个很广的域内传播，所以不必把它调聚成束。然而，窄带射频发送有无线电波反射的问题，并受联邦通信委员会管制，它们必须准确地进行调谐，以防其它频率的干扰。

扩频无线电通信（Spread Spectrum Radio） 这种技术是在一个很宽的频率范围内广播信号，避免在窄带无线电通信中遇到的问题。用一种编码来传播信号，接收站用同一编码来恢复信号。用这种方法，扩频无线电信号能工作在其它信号所占据的频率范围内。扩频无线电信号不会干涉常规的无线电广播，这是因为它的能量十分微弱。

移动无线电网Mobile Radio Networks。

有两种相互竞争的移动式无线电技术。第一种基于分组无线电技术和上联卫星的链路，第二种是使用现有的蜂窝式电话系统。移动无线电网正逐步成熟起来。服务公司为流行的通信服务和网络提供信关，如AT& T Mail、MCI Mail、CompuServe和因特网。像Microsoft（微软）这样的操作系统和软件供应商正在为移动用户专门设计软件包。

分组无线电通信（Packet-Radio Communication）分组无线电通信把（PRC）发送的信息分成若干数字分组，每一个分组都包括源地址、目的地址和纠错信息。这些分组被链接发送给卫星，然后进行广播，各接收设备只接收目的地址是自己的分组，由于传送是双向的，所以可以使用检错和纠错方法。从事分组无线电通信的公司有位于依利诺州Linco lnshire的Ardis、新泽西州Woodbridge的RAM Mobile Data和加州Lafayette的Nextel等。

蜂窝数字分组通信（Cellular Digital Packte Communication）蜂窝数字分组数据（CDPD）是一个允许顾客通过现行蜂窝网络发送计算机数据的蜂窝无线网规范。CDPD中定义的分组方法为突发方式的计算机数据传送提供了有效的方法，典型的象E-mail交换和数据库查询。由于设备具有双向传送性能，所以传送过程中还可以进行检错和纠错。CDPD是一个由蜂窝电信局和计算机公司组成的国际性组织定义的。其中包括九个地方贝尔运营公司中的八个、IBM公司、McCaw Data公司、Contel Cellular公司和GTE Mobilnet公司。1

无线电技术无线电是指在所有自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波，是其中的一个有限频带，上限频率在300GHz（吉赫兹），下限频率较不统一， 在各种射频规范书， 常见的有3KHz~300GHz（ITU－国际电信联盟规定），9KHz~300GHz，10KHz~300GHz。

原理无线电技术是通过无线电波传播信号的技术。无线电技术的原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。

用途

无线电的最早应用于航海中，使用摩尔斯电报在船与陆地间传递信息。无线电有着多种应用形式，包括无线数据网，各种移动通信以及无线电广播等。

以下是一些无线电技术的主要应用：2

通信无线通信在现代通信中占据着极其重要的位置，几乎任何领域都使用无线通信，包括有商业、气象、金融、军事、工业、民用等。我们可从通信系统、调制方式、多址方式等几方面可看到无线通信系统种类的繁多。 类 别 种 类 通信系统 卫星通信系统、蜂窝移动通信系统、无线寻呼系统、短波通信系统、微波通信系统等 调制方式 AM、FM、LSB、USB、ISB、FSK、PSK、MSK、GMSK、QAM等 多址方式 时分多址（TDMA）、频分多址（ FDMA）和码分多址（CDMA）等。

1.声音

声音广播的最早形式是航海无线电报。它采用开关控制连续波的发射与否，由此在接收机产生断续的声音信号，即摩尔斯电码。调幅广播可以传播音乐和声音。调幅广播采用幅度调制技术，即话筒处接受的音量越大则电台发射的能量也越大。这样的信号容易受到诸如闪电或其他干扰源的干扰。调频广播可以比调幅广播更高的保真度传播音乐和声音。对频率调制而言，话筒处接受的音量越大对应发射信号的频率越高。调频广播工作于甚高频段（Very High Frequency，VHF）。频段越高，其所拥有的频率带宽也越大，因而可以容纳更多的电台。同时，波长越短的无线电波的传播也越接近于光波直线传播的特性。调频广播的边带可以用来传播数字信号如，电台标识、节目名称简介、网址、股市信息等。在有些国家，当被移动至一个新的地区后，调频收音机可以自动根据边带信息自动寻找原来的频道。

航海和航空中使用的话音电台应用VHF调幅技术。这使得飞机和船舶上可以使用轻型天线。政府、消防、警察和商业使用的电台通常在专用频段上应用窄带调频技术。这些应用通常使用5KHz的带宽。相对于调频广播或电视伴音的16KHz带宽，保真度上不得不作出牺牲。民用或军用高频话音服务使用短波用于船舶，飞机或孤立地点间的通讯。大多数情况下，都使用单边带技术，这样相对于调幅技术可以节省一半的频带，并更有效地利用发射功率。陆地中继无线电（Terrestial Trunked Radio， TETRA）是一种为军队、警察、急救等特殊部门设计的数字集群电话系统。

2.电话

蜂窝电话或移动电话是当前最普遍应用的无线通信方式。蜂窝电话覆盖区通常分为多个小区。每个小区由一个基站发射机覆盖。理论上，小区的形状为蜂窝状六边形，这也是蜂窝电话名称的来源。当前广泛使用的移动电话系统标准包括：GSM，CDMA和TDMA以及LTE。运营商提供的3G移动通信服务，其主导标准为UMTS和CDMA2000，运营商提供的4G移动通信服务TD-LTE和FDD-LTE。卫星电话存在两种形式：INMARSAT 和铱星系统。两种系统都提供全球覆盖服务。 INMARSAT使用地球同步卫星，需要定向的高增益天线。铱星则是低轨道卫星系统，直接使用手机天线

3.电视

通常的模拟电视信号采用将图像调幅，伴音调频并合成在同一信号中传播。

数字电视采用MPEG-2图像压缩技术，由此大约仅需模拟电视信号一半的带宽。

4.紧急服务

无线电紧急定位信标（emergency position indicating radio beacons，EPIRBs），紧急定位发射机或 个人定位信标是用来在紧急情况下对人员或测量通过卫星进行定位的小型无线电发射机。它的作用是提供给救援人员目标的精确位置，以便提供及时的救援。

5.数据传输

数字微波传输设备、卫星等通常采用正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）。QAM调制方式同时利用信号的幅度和相位加载信息。这样，可以在同样的带宽上传递更大的数据量。

IEEE802.11是当前无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）的标准。它采用2GHz或5GHz频段，数据传输速率为11 Mbps或54 Mbps。

蓝牙（Bluetooth）是一种短距离无线通讯的技术。

6.辨识

利用主动及被动无线电装置可以辨识以及表明物体身份。（参见射频识别）

7.其它

业余无线电是无线电爱好者参与的无线电台通讯。业余无线电台可以使用整个频谱上很多开放的频带。爱好者使用不同形式的编码方式和技术。有些后来商用的技术，比如调频，上边带调幅，数字分组无线电和卫星信号转发器，都是由业余爱好者首先应用的。2

导航所有的卫星导航系统都使用装备了精确时钟的卫星。导航卫星播发其位置和定时信息。接收机同时接受多颗导航卫星的信号。接收机通过测量电波的传播时间得出它到各个卫星的距离，然后计算得出其精确位置。

Loran系统也使用无线电波的传播时间进行定位，不过其发射台都位于陆地上。

VOR系统通常用于飞行定位。它使用两台发射机，一台指向性发射机始终发射并象灯塔的射灯一样按照固定的速率旋转。当指向型发射机朝向北方时，另一全向发射机会发射脉冲。飞机可以接收两个VOR台的信号，从而通过推算两个波束的交点确定其位置。

无线电定向是无线电导航的最早形式。无线电定向使用可移动的环形天线来寻找电台的方向。

雷达雷达通过测量反射无线电波的延迟来推算目标的距离。并通过反射波的极化和频率感应目标的表面类型。

导航雷达使用超短波扫描目标区域。一般扫描频率为每分钟两到四次，通过反射波确定地形。这种技术通常应用在商船和长距离商用飞机上。

多用途雷达通常使用导航雷达的频段。不过，其所发射的脉冲经过调制和极化以便确定反射体的表面类型。优良的多用途雷达可以辨别暴雨、陆地、车辆等等。

搜索雷达运用短波脉冲扫描目标区域，通常每分钟2－4次。有些搜索雷达应用多普勒效应可以将移动物体同背景中区分开来。

气象雷达与搜索雷达类似，但使用圆极化波以及水滴易于反射的波长。风廓线雷达利用多普勒效应测量风速，多普勒雷达利用多普勒效应检测灾害性天气。

加热微波炉利用高功率的微波对食物加热。（注：一种通常的误解认为微波炉使用的频率为水分子的共振频率，而实际上使用的频率大概是水分子共振频率的十分之一。）

电力传输日本科学家提出了在太空中建立大型的太阳能电站，将电能转化为微波送回地球。

2007年06月08日新浪科技新浪科技讯北京时间6月8日消息，据英国《泰晤士报》报道，美国麻省理工学院的科学家们完成了一项实验，他们使用两个相距2米的铜线圈，成功地通过无线电力传输点亮了一个功率为60瓦的电灯泡。

动力无线电波可以产生微弱的静电力和磁力。在微重力条件下，这可以被用来固定物体的位置。

宇航动力： 有方案提出可以使用高强度微波辐射产生的压力作为星际探测器的动力。

天文学是通过射电天文望远镜接收到的宇宙天体发射的无线电波信号可以研究天体的物理、化学性质。这门学科叫射电天文学。2

认知无线电网络远程医疗监护系统简介一种基于认知无线传感网络的远程医疗监护系统，该系统由基于FPGA的信号采集处理模块和CC2530的认知无线传输模块两个模块组成，并且信号采集处理单元具有最高150MHz、12位的信号采集能力和强大的实时信号处理能力，可以满足多数常见医学信号的采集处理，可实现远程医疗监护的目的。3

总体方案设计本系统以FPGA芯片为核心，由各种医学传感器组成的传感器模块、信号采集处理模块、认知无线传输模块、键盘显示模块以及报警模块等组合而成。系统整体框图如图所示。

前端的传感器模块负责采集医学信号，并将其输入信号采集处理模块，经过信号调理和AD转换后变为数字信号输入FPGA进行数字信号处理，处理后的信号传输到认知无线传输模块，通过模块上的认知无线协议栈接入认知无线传感网络，实现医学信号的采集、处理和无线认知传输的过程。终端监控设备能接收由前端采集处理后的医学信号，并将其与预设数值进行比较，如果超出预设数值，则由报警模块进行报警。

信号采集处理模块信号采集处理模块完成的是信号输入、调理、放大滤波、数字处理等过程。医学信号通过接收前端接口进入信号采集处理模块，经过低噪信号放大器放大并转换为差分信号，再通过三阶巴特沃兹滤波器进行抗混叠滤波，然后进入高速AD转换器芯片进行采样。采样取得的信号传入到FPGA中进行数字信号处理，再传输至认知无线传输模块，完成原始医学信号的采集处理过程。信号采集处理模块由信号调理、高速AD转换、FPGA信号处理以及电源组成。

1、信号调理

信号在接入前端电路后需要经过信号放大调理、滤波后才能输入到AD芯片进行采样。人体的体征信号微弱，并且噪声大，所以需要引进低噪声放大器对原始信号进行调理。医学信号多种多样，需要设计一个通用性强，能够适配各种各样模拟信号的前端采集模块，可以选用高精度、高速的AD。既能提高前端适配信号的频率范围，又便于后续通过采样等方法灵活地提高采样精度。放大电路采用兼容单端和差分输入的低噪声信号放大器ADA4960作为输入信号的前级放大，并将输入信号转换为差分信号。ADA4960的增益由增益电阻的大小控制，同时受到负载影响。

2、高速AD转换

高速AD转换的实现是对经过调理和滤波信号的采样处理，采用的是AD9230芯片。AD9230是12位的高精度低能耗芯片，其采样信噪比达到65dB，最高采样率可达到250MSPS，并通过LVDS高速总线接入FPGA，最大功耗仅为434MV，适用于高速微弱信号的采样。同时，可以接受较宽范围的时钟输入，支持通过接口的线上编程，方便灵活控制其采样行为

3、FPGA数字系统设计

生物医学的原始信号引入的干扰较大，需要经过一系列的算法处理才能被还原，这要求处理模块具备较高的运算效率，可以实时处理一定复杂度的算法；另外，由于前端采集的信号类型各异，其处理单元也要具备较强的重配置和可编程的能力。因此，采用现场可编程门阵列（FPGA）作为信号处理单元的方案。

FPGA芯片还为外围应用提供了丰富的接口，该系统采用的外围模块主要有作为键盘接口的GPIO接口、RS232接口及控制芯片、Flash储存芯片等基于认知无线电网络的远程医疗监护系统是慢性病病人、老人和孩子实时健康监护的重要依托。系统使用多种医疗监测传感器实现了对人体各项机能指标的实时监测，同时使用认知无线网络进行数据传输，使得被监护人可以在更多的空间内自由活动。该系统不仅实现了频谱的高效利用，还有效地缓解了频谱资源紧张的问题。在不远的未来，基于认知无线电的远程监护系统会得到普遍运用。3

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学