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无线通信中的“无线”机制,你了解多少?(上篇)

关键词:无线通信 5G Murata

时间:2024-01-16 10:32:27      来源:网络

可以毫不夸张地说,通信(communication)技术的进步是人类社会进步的标志。今天人们提到的“通信”特指使用电力的通信(电信)——自从250多年前发明电信以来,经历了各种技术创新。今天,手机、Wi-Fi、广播、交通IC卡、电视播放等现代社会的生活基础,均完全离不开通信技术的支持,而且,通信技术的进步还在继续——通过5G、物联网等无线技术,通过数字化技术的发展。

通信技术还在进步,特别是通过5G、物联网等无线技术以及数字化。

可以毫不夸张地说,通信(communication)技术的进步是人类社会进步的标志。今天人们提到的“通信”特指使用电力的通信(电信)——自从250多年前发明电信以来,经历了各种技术创新。今天,手机、Wi-Fi、广播、交通IC卡、电视播放等现代社会的生活基础,均完全离不开通信技术的支持,而且,通信技术的进步还在继续——通过5G、物联网等无线技术,通过数字化技术的发展。

电信已经成为社会基础设施的一部分,但由于其规格和用途多种多样,人们很难对它全面掌握。本文尝试以无线通信为焦点,针对需要无线知识的初学者和对通信本身感兴趣的人员,在介绍本公司与通信相关的组件和模块的同时,提供理解无线通信所需要的基本资料,包括技术方面的知识。文章将分两次发布,内容分配如下:

目录

01. 引子:无线通信的历史和演变
02. 什么是无线通信?
03. 无线通信的用途事例
04. 无线通信系统的基本构成
05. 无线通信的方式
06. 数据传输方向
07. 什么是通信协议?
08. 附录:电波及其频率简介

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无线通信的历史和演变

无线通信的历史可以追溯到1864年。英国理论物理学家麦克斯韦(J.C.Maxwell)在他的论文《电磁场的动力学理论》中预言了电波的存在。但是,当时它太难理解了,以至于没有人能理解它的内容。

证明电波存在的人是德国人赫兹(H.R.Hertz)。1888年,赫兹成功地通过人工造出了电波。他揭示了电波在反射、折射、衍射及干涉方面与光具有相同的特性。此外,意大利发明家马可尼(G.Marconi)是第一个将利用电波的无线电信投入实际应用的人。1896年,也就是1837年莫尔斯利用电线成功实现有线通信约60年后,马可尼在英国利用莫尔斯电码成功实现了约3km的无线通信。此外,无线电通信于1899年成功跨越多佛海峡,并于1901年成功跨越大西洋(下图)。


无线通信的发展和通信距离的个性化

人们很自然地想到将无线通信用到船舶上,以实现以前未能实现的从陆地到海洋、从海洋到陆地、从海洋到海洋的移动通信,1897年,人们实施了这种试验。

在这段无线通信黎明期中具有重大历史意义的事件是1912年泰坦尼克号的沉没事故。众所周知,这艘船在首航时就与冰山相撞而沉没,但当时它通过无线电通信用莫尔斯电码发出了求救信号“SOS”。在附近航行的卡帕西亚号等接收到求救信号并立即赶赴现场,救出了711人。

1900年代初期,出现了使用莫尔斯电码以外的方法进行无线传输音频和视频的无线电广播和电视播放等。无线电广播于1906年在美国首次实现,东京放送局(NHK)于1925年在日本开设。

就在同一时期,人们发明了黑白电视机,电视播放于1950年左右开始。此外,彩色电视机在黑白电视机发明三年后出现,发达国家在20世纪60年代引入彩色电视播放,为电视播放奠定了基础。此后,直到2000年代初,电视播放一直是模拟方式,但自2010年下半年以后,全世界都在逐步向数字方式过渡。

如今,在播放以外的其他领域,无线通信也正在渗透到我们的生活中。随着警察、消防、防灾、铁路、机场等特定业务专用无线(业务无线)的普及,以及作为个人无线通信代表的手机的普及,其使用范围大幅扩大。1993年左右,手机在各国开始数字化(第2代:2G),此后开始迅速向速度更快、容量更大的方向发展。4G于2009年在日本海外出现,2012年在日本出现,其水平大幅提升。在进入2020年代的今天,5G已处于普及阶段(下图),而且,下一代——Beyond 5G/6G构想的讨论正在不断取得进展。


伴随手机发展的数据传输速度提高

那么,什么是“无线通信”呢?

什么是无线通信?

用一句话来说,不使用电线和电缆而使用电磁波(电波)、磁场和电场的无线电信,以及使用光的光通信就是无线通信。

其中利用电波的电信可以进行公里级以上的长距离通信,并且能传输大量数据(信息),因此,几乎所有无线通信系统中都使用电波。本系列也将重点主要放在“电波”上进行说明。

使用电波的无线通信系统利用空间作为传输路径(或通信路径),其构成是将从发送器发送到接收器的电波上承载的数据作为信号传送(下图)。


无线通信系统中的简易模型的构成

这里,我们经常提到“数据”、“信息”和“信号”。它们的“区别”如下:

·  数据:表示事实的记号和符号的集合;
·  信息:声音、文字和图像等人类可以理解并可用于对事物进行判断和采取行动等的数据;
·  信号:通过空间或电缆等传输路径(通信路径)随时间传输的数据或信息。

为了方便起见,后文中我们将不再区分“信息”和“数据”,如无特别说明,将统一使用“数据”一词。

无线通信的用途事例

无线通信应用于多种领域,其用途和种类非常广泛。下表总结了使用电波传输数据的无线通信的大致分类以及每种分类的代表性用途。

近年来,无线通信的发展已经超越了这些分类的界限,例如,将卫星通信纳入移动通信(在智能手机中配备连接卫星的功能)的卫星移动通信服务已在各国开始。


无线通信的分类及各自的用途

这里,我们对上表中的术语做简单对照说明:

无线通信系统的基本构成和要素

无线通信系统(以及有线通信系统)的基本模型构成如下图所示,其构成要素在下表中进行了说明。将该基本模型进一步简化后即如上部分“什么是无线通信”中的图示。


通信系统的基本模型构成

通信系统的基本模型构成要素包括:

无线通信的方式:调制和解调

基于上部分图中介绍的通信系统的基本模型,图3显示了描述无线通信系统的基本功能——调制和解调的构成。


无线通信系统的构成

无线通信中,如果尝试以电波的形式直接发送数据,则无法远距离传输,由于诸如此类的原因,为了使远距离发送数据成为可能,发射器就需要进行将数据转换为能远距离传输的信号——“调制”操作。另一方面,接收器则需进行将调制后的信号还原到原来的数据——“解调”操作。

下表总结了代表性的调制技术及其采用示例。


无线通信的调制技术和采用示例(双击图表放大查看)

上表中中有很多一般不被人们熟知的术语,但在这里您可以将其视为手机、广播、电视播放等当今部分生活基础设施所需要的技术。详细信息今后将在其他的页面上进行解说。

未完待续:下篇将为您介绍数据传输方向、通信协议、以及有关电波的基本知识。敬请期待!

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