无线电通信实现原理是什么()

说到收音机，很多人可能会觉得是一个很老的概念。事实上，收音机在我们的生活中起着非常重要的作用。目前，广播已经成为最受欢迎的大众媒体。据工信部统计，全球95%的人口都能接收到无线电信号。在我们的生活中，收音机无处不在。手机的使用，Wi-Fi连接，隐形收音机给人们的日常生活带来了很多便利。但由于无线电技术的复杂性，目前大众对无线电的了解并不多。今天就让我们一起走进广播的世界。

无线电诞生之路

无线电的理论基础来自英国物理学家麦克斯韦的电磁场理论。德国物理学家赫兹于1887年通过实验首次发现电磁波的存在。世界上所有的物体都会发出电磁波。比如光就是太阳发出的电磁波。人体和小动物发出的红外线也属于电磁波。虽然这种电磁波是人眼观察不到的，但蛇有这种能力，并依靠其敏锐而独特的感知能力在夜间捕捉猎物。这些在自由空中传播的电磁波，在物理学上就是无线电。这种无线电不仅存在于空气体中，也存在于真理空中，人们通过无线电波传递信号的技术就是无线电技术。

意大利发明家马可尼被称为“无线电通信之父”，因为他受到赫兹实验的启发，开始尝试无线电传输。1894年，他获得了数米的传输距离。真正具有里程碑意义的事件发生在1901年12月12日。这一天，经过多次试验和长期探索，马可尼第一次完成了跨大西洋的无线电通信，他在美国也能收到英国发来的电讯。这个消息给当时的人们带来了极大的震撼。在人类历史上，快速传递消息一直是一个不可改变的夙愿，也是一个难题。从中国古代的“烽火台”到现代的大航海，人们为了追求更多的交流做出了很多努力。自从马可尼的发明，人类交流进入了一个新时代。不再需要依赖动物力量的传递和信件的传递。从此，无线电可以让新闻随时传送到全世界。

不久，马可尼发明的无线电报在全世界广泛使用。现实生活中，无线电技术最早的应用是导航。那时，人们用莫尔斯电报机在船只和陆地之间传递信息。许多国家的海岸和要塞上都建立了马可尼式的广播电台。但是它仍然有许多缺点。首先，马可尼发射机的振荡器电路和天线合二为一，使得发射机的功率很低；其次，马可尼使用的无线通信无法调谐，这使得马可尼发出的无线电波很容易相互干扰。更令人不安的是马可尼无线电报系统缺乏可靠的电报接收器。

针对马可尼电报设施的弊端，德国物理学家卡尔·费尔丁和布劳恩进行了改进。从1902年开始，他在英国工程师约瑟夫·洛奇的调谐粉末探测器的基础上发明了一种新的调谐技术，使无线电报能够在不同的频段定向发送和接收，从而减少干扰。这项技术也是无线电的基础。他还发明了磁耦合天线，独立设计振荡电路和天线，并耦合在一起。这一全新的设计大大增强了无线电报的发射能力。1909年，诺贝尔奖评委会将诺贝尔物理学奖授予马可尼和布劳恩，以表彰他们对人类无线电工程的贡献。

无线电技术的开端

在无线电技术诞生之初，我们在老电影中经常看到的莫尔斯电码是一个“杀手锏”，曾经每个无线电报务员都要熟练掌握。这是因为最早的无线电报所能传递的信息非常有限，所以人们试图用断续的信号代码来代替信息，著名的莫尔斯电码就这样产生了。在莫尔斯电码中，有两种信号，短信号和延时信号。人们可以通过不同的信号组合来表达不同的意思，比如“——”代表字母A，“——”代表字母d，这样，在莫尔斯电码的加持下，简单的符号也能传达出一段意味深长、有趣的文字。目前，随着科技的发展，莫尔斯电码已经从我们的日常生活中消失了。但由于这种发信方式可以在非常恶劣的通信条件下工作，而且信息密度非常高，所以很多无线电爱好者和军事广播员仍在使用。

收音机的出现也直接导致了广播的诞生，广播在很大程度上丰富了人们的生活。1920年，世界上第一次官方广播在美国开始，其他许多国家的无线电广播也蓬勃发展。

无线电技术的工作原理

为什么无线电技术可以传播信息？有这样一个典型的比喻来描述这个过程:当你像平静的湖面扔一块石头，水波就会扩散到很远的地方。如果这些波可以记录信息，那么随着波纹的分散，信息也可以传播到很远的地方。无线电波可以在自由空空间中传播(比如空气体和真空)，只要人类在特定频率的无线电波上加载信息，就可以达到传递信息的目的。具体来说，这项技术的工作原理是，当导体中的电流强度发生变化时，就会产生无线电波。通过导体中电流强度的变化产生无线电波，经过调制后可以将信息加载到无线电波上。空之间传播的电波到达接收端时，电波引起的电磁场变化会在导体中产生电流。此时，通过解调从电流变化中提取信息，实现信息传输。

无线电技术的发展。

虽然起初，无线电波只能传递一些简单的“滴滴”声，但随着技术的不断发展，人们对无线电的研究逐渐深入，无线电被广泛应用于通信、导航、雷达、供暖、电力、遥控、天文等诸多领域。其中无线电在通信领域的应用最为人熟知，广播、电话、电视、应急服务(定位)和数据传输在人们生活中的应用已经非常普遍。随着计算机技术和信息技术的不断发展，基于无线传输技术的各种无线网络正在成为人们生活的重要组成部分。

无线电的发展史，很大程度上就是人们对各种波段的研究和应用的历史。人们对无线电的开发和应用大概经历了软件无线电和认知无线电两个阶段。软件无线电是一种无线电广播通信技术，由科学家在20世纪90年代初正式提出。其特点之一是基于软件定义的无线通信协议，而不是硬连线。可以通过下载和更新软件来升级频带空中接口协议和功能，而无需完全替换硬件。

经过几十年的普及和世界范围内的深入研究，软件无线电的概念不仅得到了普遍认可，而且得到了广泛应用。3G、4G、多频段多模式电台、联合战术无线电系统都是用软件无线电的概念设计开发的。即使是功能单一的GPS，也要用软件来设计，以适应导航技术的发展需要。

认知无线电是指包括智能收发器的无线通信技术。它是科学家在21世纪初为提高空空闲频谱的利用率而提出的。认知无线电中的智能收发器可以检测哪些频带未被占用，哪些频带正在被使用。当检测到某些频段空空闲时，CR系统可以暂时使用该频段进行通信。认知无线电可以感知周围的电磁环境，通过无线电知识描述语言(RKRL)与通信网络进行智能通信，调整传输参数(通信频率、发射功率、调制方式、编码体制等。)实时进行，使通信系统的无线电参数既能适应规则，又能与环境相匹配，从而实现通信系统随时随地的高可靠性和频谱利用的高效率。

与认知无线电相比，软件无线电侧重于通过软件对无线电系统进行信号处理。后者强调无线系统能够感知传播环境的变化，并据此调整系统的工作参数，达到最佳适应。从这个意义上说，认知无线电是一个更高层次的概念，不仅包括信号处理，还包括根据相应的任务、政策、规则和目标进行推理和规划的高级活动。

无线通信的实现

一百多年来，通信技术飞速发展，电报、电话、广播、电视等通信技术的应用，大大加快了现代生活的步伐，使古代人“听风”和“千里眼”的梦想成为现实。

无线电通信需要发送和接收无线电波。天线是发射和接收无线电波的必要设备。我们经常可以看到各种天线。在无线电通信中，我们必须首先发射无线电波。无线电发射机中有一个重要的部件叫振荡器，可以产生高频交流电。当高频交流电流过天线时，在空之间产生高频电磁场。因为这个电磁场是周期性变化的，所以在其周围会产生一个新的电磁场...所以，电磁波就发射出来了。

收音机传送声音，而电视不仅传送声音，还传送图像。振荡器产生的高频交流电用来承载声音、图像等信息，称为载波。把要传输的信息加到载体上发出去，这样就可以把信息传到很远的地方。在载波上加上信息，就是让载波随着信号而变化。这种技术被称为调制。有两种调制方式。一种常见的方法是使高频载波的幅度随信号而变化。这种方式称为调幅(AM)。中波和短波波段的无线电广播使用调幅。在微波波段，电视广播的图像信号也采用调幅。另一种调制方式是使高频载波的频率随信号而变化，这种方式称为调频(FM)。

调频幅度恒定，抗干扰能力强，传输过程中失真小。但FM接收机的结构比AM更复杂，服务半径更小。我们熟悉的很多电台都属于FM电台，可以播放高质量的音乐和语言类节目。

世界上有很多电台和电视台，无时无刻不在发射电磁波。所以我们一周有很多电磁波。在接收无线电广播时，你必须首先从众多的电磁波中选择你所需要的。当我们转动收音机的旋钮选择电台时，实际上是在选择我们需要的电磁波，这在技术上叫做调谐。调谐后，接收机得到带有信息标记的高频电流。这个高频信号电流本身并不是所需要的信号。为了获得所需的声音和图像信息，必须将它们从高频信号电流中“提取”出来。这个过程称为解调。解调获得的信号必须被放大。如果传递声音信息，扬声器可以发出声音；如果图像信息被传输，显像管可以显示图像。

无线电技术的应用

今天，我们离不开无线电，无线电的应用形式越来越多样，不仅包括无线数据网络，还包括各种移动通信和无线电广播。

无线电最早的应用是在通讯领域，人们第一次可以远距离传输信息。曾经，在茫茫大海上，船只很难传递信息。无线电技术出现后，很快被应用到航海领域，军舰会用它发出和接收指令，通报情况。民用船只也将使用它来寻求帮助，或发送其他信息。手机是目前使用最广泛的无线通讯设备，只要在信号覆盖的区域内，人们就可以自由通话。此外，无线局域网、蓝牙等技术都是利用无线电技术在短距离内传输数据。

无线电导航可以引导人们顺利到达目的地。在这项技术中，卫星可以通过无线电波测量车辆的导航参数(如方位、速度等)，计算出与预定路线的偏差，从而及时修正，保持正确的路线。如果这个过程持续下去，收音机可以不断定位，最终实现无线电导航。无线电导航不受时间和天气的限制，精度高，速度快，操作简单。现代无线通信技术更加发达，空之间的通信技术也越来越成熟。在日常生活中，移动通信已经变得不可或缺。移动通信经历了1G(模拟)、2G(数字)、3G(高速)时代，目前已经进入5G时期。自3G时代以来，移动通信真正将人们带入了多媒体移动通信时代。网页、音乐、图片、视频等。都能在智能手机上实现良好的客户体验。

无线局域网广泛应用于医疗、企业网络覆盖、仓库管理、餐饮零售、视频监控等领域。日常生活中，WiFi热点网的标识随处可见。其实WiFi是WLANA(无线局域网联盟)的商标，WiFi是WLAN的技术标准之一。WiFi覆盖半径可达300英尺左右(约90m)，WLAN(加天线)覆盖半径可达5km。

在信息技术飞速发展的时代，物联网(IoT)风头正劲。这个物联网通过网络把所有的物体连接起来。显然，如果通过有线网络连接，这种场景是不可想象的。物联网广泛应用于多个领域，如智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、安全家居、智能消防、工业监控、环境监测、老人护理、个人健康、花卉种植、水系监控、食品溯源、敌情侦察和情报收集等。具有非常广阔的应用前景。

今日无线电技术

现实生活中，无线电技术的存在感也很高，声音的传播需要无线电，如无线电报、AM广播、FM广播、航海导航用的语音电台空等。电话、电视、紧急服务、数据传输、蓝牙、导航、雷达、供暖、电力、天文等领域也离不开无线电技术。

有人把广播总结为人们实现自由交流的“立交桥”。随着无线电通信技术的飞速发展，手机不仅满足了人们随时随地自由交流的需求，而且成为一种集通讯、拍照、娱乐、理财、购物等功能于一体的个人智能移动终端。早在2013年，就有数据显示，中国手机用户数超过11亿，居世界第一。传呼机、调度指挥用对讲机、短距离无线通信用蓝牙、无线局域网和卫星电话用Wi-Fi等。曾经风靡全国的广播都离不开收音机。公众移动通信经历了五代演进。从仅仅满足人们在移动中打电话的需求，到移动通信的高速下载能力(5G)，无线电在其中扮演着重要的角色。广播也是丰富人们文化生活的“七道彩虹”。广播和电视依靠无线电波将世界各地每天发生的新闻呈现给千里之外的我们。经过几十年的发展，中国的广播电视网已经成为世界上最大的广播电视网。2013年的统计数据显示，中国超过一半的家庭通过无线电视网络观看电视，拥有超过1.5万个电视发射台和超过3万个电视发射机。可以说，我们今天的便捷生活是建立在无线电技术应用的基础上的。

注意无线电安全。

长期以来，收音机的安全性也引起了人们的思考。以认知无线电为例，它面临五种安全威胁。第一，信息窃取。由于无线电通信的信息传输介质是开放的空，大大降低了非法截获通信信号的难度。而且由于对信号的拦截是被动的，通过信号检测发现问题的难度更大。第二，恶意干扰。接收天线在空旷空的房间里，在接收有用信号的同时，也会受到空房间里各种无用信息的干扰。比如一些恶意攻击者可以任意插入接收机的传输信道，降低接收机的输入信噪比，影响通信的有效性。此外，一些恶意攻击者可以通过模仿有用的信号使接收方获得错误信息。第三，认知用户对授权用户的干扰。由于隐藏的终端效应等环境因素，认知用户对主用户的感知会不准确、不及时，授权用户可能会受到干扰，造成用户间的不公平。第四，模仿授权用户的攻击。当频谱资源紧缺时，将有限的频谱据为己有，会在一些恶意攻击中破坏频谱资源的可用性。第五，拒绝服务攻击。在认知无线电网络中，公共控制信道是节点间传输频谱感知信息的物理基础。通过发送大量无用的控制信息，攻击者使控制信道饱和，使其他认知用户无法使用它。同时，认知无线电还面临着其他一些安全威胁。比如攻击者可以利用应用层各种协议的安全漏洞，通过病毒、木马等恶意程序降低认知无线电的服务质量。

面对这些安全威胁，扩频通信技术是解决信息窃取和干扰问题的有效途径。扩频通信主要包括直接扩频、跳频等。其主要思想是通过扩展通信信号的带宽来增强信号的隐蔽性和抗干扰能力。此外，还可以使用更严格的认证机制来防止信息和数据的泄露。一个合适的密码算法可以使通信信号即使被截获也无法向窃听者提供感兴趣的信息。更好地识别授权用户信号是抵御模仿授权用户攻击的根本方法。因此，可以通过使用物理特征而不是信号本身来进行多维辨别。

为提高人们对广播重要性的认识，应宣传广播作为传播载体在促进教育发展、传播信息和发布自然灾害重要信息方面的重要作用。2011年11月3日，联合国教科文组织决定将每年的2月13日定为“世界无线电日”。我们在享受无线电技术带来的便利的同时，也要注意它的安全性。各种广播服务在不同的频率上“各行其是”。无线电管理机构通过对这些“道路”的科学规划和管理，确保无线电波的安全有序，为各类无线电业务的正常运行保驾护航。当然，构建和谐、绿色、安全的电磁环境也需要全社会的共同努力。

作者:程

文:白双玲

科学综述:中国计量院电磁环境测量专家沈庆飞，中国计量院副研究员、电磁环境测量专家、副研究员沈庆飞。

本文来自:中国数字科技馆