2.1　无线通信基础

无线通信技术是指通过电磁波传输信息的一种技术，其原理是通过调制将待传输信息加载到电磁波上并通过天线发射出去。无线通信技术与有线通信技术有很多共同点，如信号都要经过发送端的编码和调制处理，以及接收端的解调和解码处理。两者不同之处在于无线通信的传输媒介是电磁波，而且无线信道也比有线信道复杂。

电磁波在无线信道中有直射、反射、散射和折射等传播方式，它的传播与环境联系非常密切。在传播的过程中，电磁波的能量会被一些障碍物吸收，造成电磁波的损耗。为了减少对传输的影响，在无线通信中通常会使用一些抗衰减技术，常用的抗衰减技术有扩频技术、信道编码技术、信道均衡技术和分集接收技术。

无线通信是以电磁波作为传输媒介，利用电磁波来传输信息的通信系统。无线通信具有建设成本低、周期短、覆盖范围广、扩容灵活和维护简单等优点。

2.1.1　无线通信简介

1.概述

无线通信始于19世纪后期，英国的麦克斯韦是人类历史上第一个预言电磁波存在的人，他于1864年提出了电磁场的动力学理论，又于1873年出版了科学名著《电磁理论》，该著作系统、全面、完美地阐述了电、磁、光相统一的电磁理论，这一理论成为经典物理学的重要支柱之一，为无线通信奠定了坚实的理论基础。

无线通信可用来传输电报、电话、传真、图像数据和广播电视等，与有线通信相比，无线通信无须架设传输线路、不受通信距离限制、机动性能好、建立速度快。

通信方式是指通信双方或多方之间的工作形式和信号传输方式。根据不同的标准，无线通信方式也有不同的分类。

（1）按通信对象数量的不同，通信方式可分为点对点通信（两个对象之间的通信）、点对多点通信（一个对象和多个对象之间的通信）和多点对多点通信（多个对象和多个对象之间的通信），这三种通信方式的示意图如图2.1所示。

（2）按信号传输方向与传输时间的不同，任意两点间的通信方式可分为单工、半双工和双工通信，如图2.2所示。单工通信是指在任何一个时刻，信号只能从甲方向乙方单向传输，甲方只能发送信号，乙方只能接收信号，如广播电台与收音机、电视台与电视机的通信、遥控玩具、航模、寻呼等均属于单工通信。半双工通信是指在任何一个时刻，信号只能单向传输，或从甲方向乙方，或从乙方向甲方，双方不能同时收发信号，如对讲机、收发报机之间的通信。双工通信是指在任何一个时刻，信号能够双向传输，双方能同时收发信号，如普通电话、手机之间的通信。

（3）按信号传输顺序的不同（主要指数字通信），通信方式可分为串行通信与并行通信，如图2.3所示。串行通信是指将表示一定信息的数字信号序列按信号变化的时间顺序一位接一位地从发送端经过信道传输到接收端。并行通信是指将表示一定信息的数字信号序列按码元数分成多路（通常n为一个字长，如8路、16路、32路等），同时在多路并行信道中传输，发送端一次可以将n位数据发送到接收端。例如，在传输数字信号10011010时，并行方式则将该序列的8位码用8路信道同时传输。

（4）按同步方式的不同，通信方式可分为同步通信和异步通信。异步通信以字符为通信单位，同步信息由硬件附加在每一个字符的数据帧上。与异步通信不同，同步通信不是对每个字符单独同步，而是以数据块为传输单位并对其进行同步。每个数据块的头部和尾部都要附加一个特殊的字符或比特序列，以标志数据块的开始与结束，这里数据块是指由一批字符或二进制符号序列组成的数据。

无线信号传输所经历的环境与有线信号传输相比要复杂得多，在传输过程中会受到发送端和接收端间的复杂地形、移动物体、空气温度湿度以及它们的变化特性的影响，呈现出许多不稳定的传输损耗。

2.无线通信系统结构组成

实现信号传输所需的一切技术设备和传输媒介的总和称为通信系统，无线通信系统通常包括信源、发送设备、天线、无线信道、接收设备、信宿等部分，无线通信系统的组成如图2.4所示。

信源（或称信息源）是把待传输的信息转换成原始电信号（也可以称为基带信号），该信号属于低频信号。基带信号可分为模拟基带信号和数字基带信号，同样，信源也分为模拟信源和数字信源。

发送设备的基本功能是将信源和无线信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合在无线信道中传输的信号。变换方式可能是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。调制器可以将低频的基带信号加载到高频的载波上，变换成发射时所需的频带信号，再经功率放大后由天线发射到自由空间中进行传播的电磁波。为了传输数字信号，发送设备又常常采用信源编码和信道编码等技术。

无线信道是电磁波传输的通道，对于无线通信来说，无线信道主要是指自由空间，也包括水等。对于电磁波而言，它在无线信道中传输时，并没有一个有形的连接，其传播路径也往往不止一条，因此电磁波在传输过程中必然会受到多种干扰的影响而产生各种衰减，从而造成系统通信质量的下降。噪声与干扰是无线通信系统中各种设备及无线信道中所固有的，对于无线通信，无线信道中的噪声和干扰对信号传输的影响较大，是不可忽略的。

接收设备的功能与发送设备的功能作用相反。接收设备选取相应的频带信号进行放大，通过解调、译码、解码等过程，最终将频带信号转换为原始电信号。

信宿也称受信者，它可将复原的原始电信号转换成相应的信息。

无线通信系统可以根据传输方法、频率范围、用途等分为很多类型。不同的无线通信系统，其设备组成和复杂度都有较大的差异，但是组成设备的基本电路及其原理都是类似的。在无线通信设备内部通常既包括发射机也包括接收机，它们共用同一个天线。

3.无线通信系统分类

无线通信系统可分为无线模拟通信系统和无线数字通信系统，目前多采用无线数字通信系统。

（1）无线模拟通信系统。在信道中传输模拟信号的系统称为无线模拟通信系统，该系统主要完成两种信息的重要变换。其一是把信息变换成电信号（即原始电信号，在信源完成），其二是将电信号恢复成最初的信息（在信宿完成）。信源输出的电信号（基带信号）具有频率较低的频谱分量，一般不能直接在信道中传输。因此，无线模拟通信系统常采用调制方式将基带信号变换成适合信道传输的信号，这一变换由调制器完成。在接收端同样需经相反的变换，它由解调器完成。经过调制后的信号通常称为已调信号，已调信号具有携带信息、适合在信道中传输和频谱具有带通形式，且中心频率具有较高频率三个基本特性。因此，已调信号又常称为频带信号。通常，在一个通信系统里可能还有滤波、放大、天线发射与接收、控制等环节。

（2）无线数字通信系统。在信道中传输数字信号的系统称为无线数字通信系统。无线数字通信系统可进一步细分为无线数字频带传输通信系统、无线数字基带传输通信系统、无线模拟信号数字化传输通信系统三种类型。

①无线数字频带传输通信系统。无线数字通信系统的基本特征是其信号具有“离散”或“数字”的特性，其特点如下：

●　在传输数字信号时，信道噪声或干扰所造成的差错原则上是可以控制的（可通过差错控制编码来实现），这样在发送端就需要增加一个编码器，而在接收端相应需要增加一个解码器。

●　当需要实现保密通信时，可对数字信号进行人为“扰乱”（加密），此时在接收端就必须进行解密。

●　由于无线数字通信系统是按一定节拍传输数字信号的，因而接收端必须有一个与发送端相同的节拍。否则，就会因收发节拍不一致而造成混乱。

●　为了表述信息内容，基带信号都是按信息特征进行分组的，因此在收发两端之间的分组的规律也必须一致，否则接收端将无法恢复原来的信息。在无线数字通信系统中，节拍一致称为位同步或码元同步，分组一致称为群同步或帧同步，故无线数字通信中还必须解决同步这个重要问题。

综上所述，常用的无线数字频带传输通信系统框图如图2.5所示，图中加密器/解密器、编码器/译码器、调制器/解调器等环节在具体的通信系统中是否全部采用取决于具体设计条件和要求。如果发送端中具有调制、加密、编码功能，则在接收端中就必须具有解调、解密、译码功能。通常把采用调制器/解调器的无线数字通信系统称为无线数字频带传输通信系统。

②无线数字基带传输通信系统。与无线数字频带传输通信系统相对应，把没有采用调制器/解调器的无线数字通信系统称为无线数字基带传输通信系统，其框图如图2.6所示。

在无线数字基带传输通信系统中，基带信号形成器中应包括编码器、加密器以及波形变换等，接收滤波器包括译码器、解密器等。

③无线模拟信号数字化传输通信系统。在上面论述的无线数字通信系统中，信源输出的信号均为数字基带信号。实际上，在日常生活中大部分信号（如语音信号）都是连续变化的模拟信号。要想在数字系统中传输模拟信号，就必须在发送端将模拟信号数字化，即进行A/D转换；在接收端需要进行相反的转换，即进行D/A转换。无线模拟信号数字化传输的通信系统框图如图2.7所示。

2.1.2　无线通信系统的主要技术参数和性能指标

1.无线通信系统的主要技术参数

不同的无线数字通信系统有不同的技术参数，主要包括无线信道带宽、数据传输速率、信噪比、频带利用率和差错率等。

（1）无线信道带宽。带宽即频带宽度，一般是指波长、频率或能量带的范围，用B表示，单位是Hz。不同的带宽，其含义是不同的，因此在用到带宽时，往往需要说明是哪种带宽。通常带宽分为信道带宽和信号带宽，信道带宽是一个信道能够传输电磁波的有效频率范围。信号带宽是指信号所占据的频率范围，由信号的特点决定。对于无线通信来说，无线信道传输的信号都是具有一定带宽的信号，通常信号带宽是小于信道带宽的，香农定理中的信道容量定理给出了传输信号的最大带宽。无线信道带宽除了与信道的特性有关，还与国际频段管理组织的频段划分与通信体制有关。

香农定理指的是当信号的平均功率与信道高斯白噪声的平均功率给定时，在具有一定带宽B的信道上，理论上单位时间内可以传输的信息量的极限。香农定理可用式（2.1）表示：

式中，B表示带宽，单位Hz；S/N为信噪比，S是信号平均功率，N是噪声平均功率。

（2）数据传输速率。数据传输速率是指在单位时间内传输信息的大小，它是评估通信系统的重要指标，经常用到的指标有码元传输速率、数据信号速率和数据传输速率。

①码元传输速率。码元传输速率简称传码率，又称为波特率、符号速率、码元速率、调制速率，表示单位时间内（每秒）信道上实际传输码元个数，单位是波特（Baud），常用符号B来表示。值得注意的是，码元传输速率仅仅表征单位时间内传输的码元数目，并没有限定码元采用何种进制。但对于数据信号速率，必须换算为相应的二进制码元来计算。码元传输速率的计算公式为：

式中，T是周期，即传输单位调制信号波所用时间，单位是s。

②数据信号速率。数据信号速率简称传信率，又称为信息速率、比特率，它表示单位时间（每秒）内传输实际信息的比特数，单位为比特/秒（bps）。在信息论中，比特是信息量的度量单位。一般在数字通信中，如果1和0出现的概率是相同的，则每个1和0就是一比特的信息量。

若以串行方式进行数据传输时，则数据信号速率可定义为：

式中，RB为波特率；m为调制信号波的状态数；T为单位调制信号波的时间。

③数据传输速率。所谓数据传输速率，是指在单位时间内数据的传输量，数据的单位可以是比特、字符等，时间的单位可以是时、分、秒等，如将“字符/min”作为数据传输速率的单位。数据在实际传输时需要附加一定数量的位，计算时应根据实际情况确定传输数据的长度及附加位。

（3）信噪比。信号在传输过程中会不可避免地受到噪声的影响，信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）用来描述在此过程中信号受噪声影响程度的量，它是衡量无线通信系统性能的重要指标之一。信噪比通常是指某一点上的信号平均功率与噪声平均功率的比值，即：

式中，是信噪比；Ps是信号平均功率；Pn是噪声平均功率。通常采用分贝（dB）来表示信噪比，即：

（4）差错率。由于数字信息是由离散的二进制数字序列来表示的，因此在传输过程中，不论它经历了何种变换，产生了什么样的失真，只要在接收端能正确地恢复出原始发送的二进制数字序列，就达到了传输的目的。衡量无线通信系统可靠性的主要指标是差错率，差错率越大表明系统可靠性越差。

（5）频带利用率。在比较不同的无线通信系统的效率时，只看它们的数据传输速率是不够的，还要看传输信息所占用的频带。无线通信系统占用的频带越宽，传输信息的能力就应该越大。在通常情况下，可以认为二者成正比。所以用来衡量无线通信系统传输效率的指标应该是单位频带内的数据传输速率，记为η，可表示为：

式中，η的单位为比特/秒·赫兹（bps·Hz），或者波特/赫兹（Baud/Hz）。

2.数据传输损耗

在计算机通信技术飞速发展的今天，各种无线通信系统在性能等诸多方面得到了不断完善。然而在传输过程中一定会出现传输损耗，因为对于无线通信系统，在接收端得到的信号不可能与发送端发送的信号完全一致。这些损耗会随机地引起模拟信号的改变，或使数字信号出现差错，它们也是影响数据传输速率和传输距离的一个重要因素。

（1）衰减（衰损）。信号在传输过程中将会有部分能量转化为热能或者被传输媒介吸收，从而使信号强度不断减弱，这就是衰减。衰减在远距离通信系统中尤为明显，通常采用放大器或中继器来增加信号强度。

在远距离通信系统中，信号通过一系列的电缆和设备后会出现衰减或增益。为了便于在各点间进行比较，通常在系统中选择一个称为传输电平的参考点。在求出用分贝表示的一个点上的增益代数和之后，就可以确定该点的相对电平，其中这个代数和的值就是该点的传输电平。绝对电平是由信号自身决定的，一般参考点被定为0 dB的传输点，简称零电平点，缩写为dBm0。

（2）失真。信号不同频率的分量在传输过程中会受到不同程度的衰减和延时，最终到达接收端的信号与发送端发送的信号在波形上会有所差异，我们把这种传输过程中信号波形的变化称为失真。

根据产生的原因不同，失真分为振幅失真、延时失真。振幅失真是由各频率分量振幅发生不同变化而引起的失真，是由传输设备和线路引起的衰减造成的。延时失真是由各频率分量的传播速度不一致所造成的失真，容易造成码间串扰。

（3）噪声。噪声是无线通信系统性能（特别是频带利用率）的主要制约因素。无线通信系统中的噪声主要有以下四类：

①热噪声。热噪声是指由电阻一类导体中自由电子的布朗运动引起的噪声。由热能引起的自由电子布朗运动会产生一个交流电流成分，这个交流成分称为热噪声。热噪声是由带电粒子在导电媒介中的分子热运动造成的，它是绝对存在的，无法被消除的。噪声功率密度可作为热噪声的度量，它以瓦/赫（W/Hz）为单位。

②交调噪声。交调噪声是指多个不同频率的信号共享一个传输媒介时产生的噪声，通常是无线通信系统中存在非线性因素造成的。信号的频率可能是某两个信号的频率和、差或倍数，非线性因素通常是由元件故障引起的。

③串扰。串扰又称为串音，是指一个信道中的信号对另一个信道中的信号产生的干扰。串扰分为边带线性串扰和边带非线性串扰两种。边带线性串扰是指在单边带通信中的边带滤波器对另一边带的衰减不够大时，上边带信号对下边带信号或下边带信号对上边带信号所造成的干扰。边带非线性串扰是指当单边带接收机的某一个边带在工作时，位于另一个边带内的两个高频信号形成的互调产物进入工作边带内所造成的干扰。

④脉冲噪声。脉冲噪声是一种由突发的振幅很大、持续时间很短的，并且耦合到信号通道中的非连续尖峰脉冲引起的干扰，通常是由一些无法预知的因素造成的，如电火花、雷电。该噪声是非连续的，在短时间里具有不规则的脉冲或噪声峰值。脉冲噪声不仅会对模拟通信系统造成明显影响，还是数字通信系统中产生差错的主要因素。脉冲噪声造成的干扰不易被消除，必须通过差错控制的方法来确保传输的可靠性。

3.无线通信系统的性能指标

无线通信系统的性能指标归纳起来有以下几个方面：

●　有效性：指无线通信系统传输信息的“速率”问题，即快慢问题。

●　可靠性：指无线通信系统传输信息的“质量”问题，即好坏问题。

●　适应性：指无线通信系统适用的环境条件。

●　经济性：指无线通信系统的成本问题。

●　保密性：指无线通信系统对所传输信息的加密措施。

●　标准性：指无线通信系统的接口、各种结构及协议是否合乎国家、国际标准。

●　维修性：指无线通信系统是否维修方便。

●　工艺性：指无线通信系统各种工艺要求。

有效性和可靠性是评估无线通信系统优劣的主要性能指标。一般情况下，要增加无线通信系统的有效性通常会降低其可靠性。对于模拟通信系统来说，系统的有效性和可靠性可用系统频带利用率和输出信噪比（或均方误差）来衡量。对于数字通信系统而言，系统的可靠性和有效性可用误码率和数据传输速率来衡量，数据传输速率越高，系统的有效性越好。

2.1.3　无线通信系统的传输方式

无线通信所使用的频段很广，常用的有无线电波、红外、激光。这三种频段的电磁波对雨、雾和雷电等环境较为敏感，其中无线电波中的微波对雨、雾的敏感度较低，所需的天线尺寸较小，因此是WSN常用的传输媒介。

1.无线电波

无线电波是指在空间（包括空气和真空）传播的射频频段的电磁波。无线电波的波长越短、频率越高，相同时间内传输的信息就越多。无线电波是指工作频率在10 kHz～300 GHz的电磁波，包括长波、中波、短波、微波等。

无线电波是由频率很高的交变电流通过天线发射的电磁波。由电磁感应定理可知，电场的变化会产生磁场，磁场的变化又会产生电场，如此持续不断地向空中传播的电场和磁场就是电磁波。无线电波被广泛应用于通信的原因是其传播距离可以很远，而且是全方向的传播，因此发射无线和接收无线不必要求精确对准。

在无线通信中，根据无线电波的波长（或频率）可以把无线电波划分为各种不同的波段（或频段）。不同波长（或频率）的无线电波，其传播特性往往不同，应用的范围也不相同。

（1）长波。用长波通信时，在接收端的场强稳定，但由于表面波衰减慢，对其他接收端干扰大。长波受天电干扰的影响亦很严重。此外由于发射天线非常庞大，所以利用长波的场合不多，仅在越洋通信、导航、气象预报等方面采用。

（2）中波。白天天波衰减大，被电离层吸收，主要靠地波传播，夜晚天波参加传播，传播距离较地波远，它主要用于船舶与导航通信，波长为200～2000 m的中波主要用于广播。

（3）短波。短波传播既有地波也有天波，但由于短波的频率较高，地面吸收强烈，地波衰减很快，短波的地波传播只有几十千米。天波在电离层中的损耗较少，常利用天波进行远距离通信和广播。但由于电离层不稳定、通信质量不佳，短波主要用于电话电报通信、广播及业余电台。

①地波。在地面附近的空间传播的无线电波称为地波，通信距离在300 km以内时常采用地波进行传输。在无线通信中，频率较低的电磁波在地面附近的空间传播时，有一定的绕射能力，这种传播方式称为地波传输。根据电磁波的衍射特性，当波长大于或等于障碍物的尺寸时，电磁波才能绕过障碍物。

在地波传播时，陆地和海洋均会引起信号的衰减。地面会因地波的传播引起感应电流，因而地波在传播过程中会有能量损失，频率越高，损失的能量越多。地波不受昼夜变化和气候影响，传播比较稳定可靠。但在传播过程中，能量被大地不断吸收，因此地波的传播距离不远，一般在几百千米内，适宜在较小范围内的通信和广播业务使用。

②天波。天波传输指的是将信号发射到地球上空电离层，通过电离层反射来实现信号传输的一种方式。在地表上空50 km到几百千米的范围内，大气中一部分气体分子由于受到太阳光的照射而丢失电子发生电离，产生带正电的离子和带负电的自由电子，这层大气就称为电离层。电离层对于不同波长的电磁波表现出不同的特性。

（4）超短波。由于超短波的频率很高，而地波的衰减很大，电磁波穿入电离层很深甚至穿出电离层，使电磁波不能反射回来，所以超短波不能利用地波和天波的传播方式，主要用空间波传播。超短波主要用于调频广播、电视、雷达、导航传真、中继、移动通信等。电视频道之所以选在超短波（微波及分米波）波段上，主要原因是电视需要较宽的带宽（我国规定为8 MHz）。如果载频选得比较低，例如选在短波波段，设中心频率fo=20 MHz，则相对带宽f/fo=8/20=40%。这么宽的相对带宽会给发射机、天线馈线系统、接收机以及信号传输带来许多困难，因此在采用超短波波段时，要提高载频以减小相对带宽。

（5）微波。微波中继通信是指利用微波作为载波并采用中继（接力）方式在地面上进行的无线通信。微波中继通信是在第二次世界大战后期，由美国贝尔实验室开始研究使用的一种无线通信技术。经过几十年的发展，微波中继通信已经获得广泛的应用。微波中继通信用于远距离通信时，需要采用中继（接力）接收并转发的传输方式才能完成信号从信源到信宿的传输任务。

微波中继通信的频率范围为300 MHz～300 GHz，对应的波长范围为1 m～1 mm，具体的微波频段可细分为特高频（UHF）频段/分米波频段、超高频（SHF）频段/厘米波频段和极高频（EHF）频段/毫米波频段。由于卫星通信实际上也是在微波频段采用中继方式进行的通信，只是其中继站设在卫星上而已，因此为了与卫星通信相区别，这里所说的微波中继通信仅指限定在地面上的微波中继通信。图2.8是远距离地面微波中继通信系统的示意图，其传输特点是在空间利用定向天线实现视距传输。由于受地形和天线高度的限制，以及地面和空间传播损耗的影响，空间两点间的传输距离一般为30～50 km，每隔50 km左右就需要设置中继站，对信号进行接收、放大和转发，远距离微波中继通信在经过几十次的中继而传输至数千千米时仍可保持高质量的通信。

微波中继通信系统主要包括微波终端站、微波中继站和天线馈线系统等部分。其中微波终端站包括微波收发设备、调制/解调设备、多路复用设备、电源设备和自动控制设备等；微波中继站主要完成信号的双向接收和转发，转发方式有微波转接方式、中频转接方式和基带转接方式；天线主要是完成馈线中传输的电磁能量与空间传播的电磁波的相互转换，馈线则是电磁能量的传输通道。微波中继通信常用的天线形式有喇叭天线、抛物面天线、喇叭抛物面天线和潜望镜天线等。微波中继通信的特点如下：

①通信带宽宽，传输容量大。占用的带宽越宽，可容纳同时工作的无线电设备就越多，通信容量也就越大。短波通信设备一般只能容纳几条话路同时工作，而微波中继通信设备可以容纳几千甚至上万条话路同时工作，并可传输电视图像等宽带信号。

②受外界环境干扰影响小。微波中继通信具有良好的抗灾性能，对于水灾、风灾以及地震等自然灾害，微波中继通信一般都不受影响。

③通信灵活性较大。微波中继通信采用中继方式，可以实现地面上的远距离通信，并且可以跨越沼泽、江河、湖泊和高山等特殊地理环境。在遭遇地震、洪水、战争等灾祸时，通信的建立、撤收及转移都比较容易，微波中继通信在这些方面比电缆通信的灵活性更大。

④天线增益高、方向性强。由于微波具有视距传播特性，可利用微波天线将电磁波聚集成很窄的波束，使微波天线具有很强的方向性，以减少通信中的相互干扰。

⑤投资少、建设快。微波中继通信线路可以节省大量的有色金属，建设费用低，建设时间也较短。

微波中继通信主要用来传输长途电话信号、宽带信号（如电视信号）、数据信号，以及移动通信系统基站与移动业务交换中心之间的信号等。

（6）卫星通信。卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站来实现两个或多个地面站之间的通信。卫星通信是现代无线通信的重要手段，目前全世界有200多个国家和地区的200多颗通信卫星同时在地球静止轨道上运行，它们提供了80%的洲际通信、100%国际电视转播以及国内或区域内的通信和电视广播业务。

由于通信卫星处于大气层之外，地面上发射的电磁波必须能穿透大气层才能到达通信卫星。同样，从通信卫星到地面上的电磁波也必须穿透大气层。当电磁波穿过大气层时，必然会受到大气层的吸收而使信号的能量损耗。人们经过大量的分析和测试得知，电磁波穿过大气层时的损耗与使用的频率有关。只有在微波频段时，大气层对电磁波的吸收最小，电磁波的能量损耗也最小，所以微波信号穿过大气层的能力最强，因此微波频段也称为无线电窗口。目前大多数卫星通信系统都工作在微波频段（0.3～30 GHz），具体频段有UHF频段（0.3～1 GHz）、L频段（1～2 GHz）、S频段（2～4 GHz）、C频段（4～8 GHz）、X频段（8～12 GHz）、Ku频段（12～18 GHz）、K频段（18～27 GHz）、Ka频段（27～40 GHz）。由于C频段的带宽较宽，又便于利用成熟的微波中继通信技术，且天线尺寸也较小，因此，卫星通信系统最常采用的是C频段。

根据通信卫星与地面之间的位置关系，通信卫星可分为静止通信卫星、移动通信卫星、中轨道卫星和低轨道卫星。为了进行双向通信，卫星通信系统中的每一个地面站均包括发射系统和接收系统。由于收发系统一般是共用一副天线，因此需要使用双工器来将收发信号分开。地面站收发系统的终端通常都与长途电信局或微波线路连接，地面站的规模大小则由通信系统的用途而定。在卫星通信系统中，各地面站发射的信号都是经过通信卫星转发给对方地面站的，卫星转发器的作用是接收地面站发来的信号，经变频、放大后，再转发给其他地面站。因此，除了要保证在通信卫星上配置转发无线电信号的天线及通信设备，还要有保证完成通信任务的其他设备。一般来说，卫星通信系统主要由天线、接收设备、变频器、发射设备和电源系统等部分组成。卫星通信系统组成框图如图2.9所示。

卫星通信系统作为现代无线通信的重要手段之一，其主要特点如下。

①覆盖地域广、通信距离远、通信机动灵活、不受地理条件限制。

②工作频段高。卫星通信系统的工作频率使用微波频段（0.3～30 GHz），主要原因是通信卫星处于大气层外，地面站发射的电磁波必须穿透大气层才能到达通信卫星，而微波频段对大气层的穿透能力最强。

③带宽宽、通信容量大、传输业务类型多。卫星通信系统采用微波频段，可供使用的频段很宽，星上能量和卫星转发器的功率可得到充分保证。随着新技术和新体制的不断发展，卫星通信系统的容量也越来越大，传输业务的类型也日趋多样化。

④通信质量好、可靠性高。卫星通信系统中的电磁波主要在宇宙空间传播，而宇宙空间基本是真空状态，信道传输特性十分稳定，而且电磁波通常只经过通信卫星转发一次，受噪声和地面环境条件影响较小，通信质量稳定可靠，可靠性可达99.8%以上。

⑤线路使用费用与通信距离无关。微波中继通信系统或光缆通信系统的建设成本和维护费用都随通信距离的增加而增加，而卫星通信的地面站至卫星转发器这一区间并不需要投资，因此线路使用费与通信距离无关。

目前，卫星通信系统被广泛地应用于军事、气象、资源探测、侦察、宇宙通信、科学实验、全球定位等领域。

2.红外线

红外线是波长介于微波与可见光之间的电磁波，频率范围为300 GHz～300 THz，其频率高于微波而低于可见光，是一种人眼看不到的光线。由于红外线的波长较长，对障碍物的衍射能力差，所以适合短距离无线通信的场合。红外线按频率从高到低可分为近红外线、中红外线、远红外线三部分。

IrDA是针对短距离红外无线数据通信制定的开放的标准，属于点对点的数据传输协议，其传输具备角度小（30°以内）、距离短、数据直线传输、传输速率较高、保密性强等特点，适用于传输大容量的文件和多媒体数据，而且无须申请频率的使用权，成本较为低廉。目前主流的软硬件平台均提供对IrDA的支持，IrDA已被全球范围内的众多厂商采用。

按照数据传输速率的不同，IrDA可分为SIR、MIR和FIR。串行红外（SIR）速率覆盖低速接口通常所支持的速率；中速红外（MIR）指0.576 Mbps和1.152 Mbps的数据传输速率；高速红外（FIR）通常指4 Mbps的数据传输速率，也可以用于高于SIR的所有数据传输速率。在IrDA中，物理层、链路接入协议（IrLAP）和链路管理协议（IrLMP）是必需的三个协议层。除此之外，还有一些适用于特殊应用模式的可选层。在IrDA中，设备分为主设备和从设备，主设备可以寻找从设备，然后从那些响应它的从设备中选择一个建立连接。

IrDA可以工作在半双工模式，通信的两个设备通过快速转向链路来模拟全双工通信，由主设备负责控制链路的时序。

红外通信大多应用于家电控制等简单的单工通信模式下，如日常生活中使用的遥控器和计算机等都采用的是红外通信方式。在应用上，IrDA和蓝牙技术有相似之处，笔记本电脑、手持设备、计算机外设等也是IrDA目前重要的应用领域。

红外通信的最大优点是不受电磁干扰，且红外线的使用不受国家无线电管理机构的限制。但红外通信受太阳光的干扰较大、有较强的方向性，通信双方必须在直线视距之内，主要是用来取代点对点的线缆连接。红外通信的传输距离短，传输速率相对较低，对非透明物体的透过性极差，无法灵活地组成网络。

红外接口是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的软硬件平台所支持。通过数据脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线数据的收发。红外通信系统的电路简单、体积小、质量轻、价格低，适用于低成本的嵌入式系统。

3.激光

激光通信是指用激光束作为信息载体进行的空间（包括大气空间、低轨道、中轨道、同步轨道、星际间、太空间）通信。与微波中继通信相比，激光通信的波长明显比微波中继通信的波长短，具有高度的相干性和空间定向性，其特点如下。

（1）通信容量大。激光的频率比微波高3～4个数量级，作为通信的载波，有更宽的带宽，光纤通信技术可以移植到激光通信中。目前，光纤通信中的每束波束光波的数据传输速率可达20 Gbps以上，采用波分复用技术可使通信容量上升几十倍。因此，在通信容量上，激光通信比微波中继通信有更大的优势。

（2）低功耗。激光的发散角很小，能量高度集中，故在接收机潜望镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低，这对应于能量成本高昂的激光通信来说是十分适用的。

（3）体积小、质量轻。由于激光通信的能量利用率高，使得发射机及其供电系统的质量减轻。由于激光的波长短，在同样的发散角和接收视场角的要求下，发射和接收潜望镜天线的口径都可以减小，摆脱了微波中继通信巨大的碟形天线，质量减轻，体积减小。

（4）高度的保密性。激光具有高度的定向性，发射波束纤细，激光的发散角通常为毫弧度，这使激光通信具有高度的保密性，可有效地提高抗干扰和防窃听的能力。

（5）建网费用低。激光通信具有较低的建网费用和维护费用。

自从20世纪60年代激光出现以来，其良好的单色性、方向住、相干性及高亮度性等特点，使得激光成为光通信的理想光源。利用激光在空间传输信息的通信方式称为自由空间光通信，也称为无线激光通信或无线光通信。一般而言，光通信分为有线光通信和无线光通信两种。有线光通信即光纤通信，已成为远距离传输的主要方式之一。无线光通信早期主要应用于军事和航天领域，随着技术的发展和制造成本的下降，近几年在宽带接入等领域得到越来越多的应用。

无线光通信的工作频率为326～365 THz。无线光通信系统主要由光源、调制器、光发射机、光接收机及附加发送和接收设备等组成。无线光通信和红外通信相似，收发两端存在无遮挡的视距和足够的发射功率就可以进行通信，可实现点对点或点对多点的连接。无线光通信技术除了具有带宽宽、数据传输速率高、频谱资源丰富、不受微波信号辐射或受电磁环境干扰等优点，还具有方向性好、安全保密、部署便捷、成本低、无须申请频率使用许可证等优势。

无线光通信只能在视线范围内建立通信链路，通信距离受限，雨、雾等天气会影响通信链路的可靠性，通常情况下环境照明条件也会对光通信产生一定的干扰，安装点的晃动会影响激光对准，意外因素容易阻断通信链路，可用性受到了限制。因此，光通信只能在一些特殊的场合中使用。

与无线电通信相比，无线光通信不需要复杂的调制/解调设备，接收设备的电路简单，单位数据传输的功耗较小。无线光通信的站点需要同时具备发射机和接收机，由于受到体积、成本、功耗等的限制，通信距离仅在几米范围内。由于光束的发散，传输距离较远时光的强度也会较小，接收机不易检测到光信号。

2.1.4　无线通信的频谱和通信信道

1.无线电的管理机构

随着技术的进步和信息化的推进，无线电用户飞速发展，达到了前所未有的规模，这使无线电频谱资源稀缺程度不断加大。无线电技术的发展和应用的日益广泛与社会大众对无线电知识的缺乏形成了矛盾，这是无线电频谱资源监管面临的主要问题。例如，随意设置无线电台（站）和侵占无线电频谱资源的现象，给国家造成了安全隐患。因此，实施无线电管理是保护无线电频谱资源的客观要求。

无线电管理是国家通过专门机构对无线电频谱资源和卫星轨道资源的研究、开发、使用所实施的，以实现合理、有效利用无线电频谱和卫星轨道资源为目的的行为、活动和过程。在我国，相关无线电管理机构如下：

（1）工业和信息化部无线电管理局。工业和信息化部无线电管理局是工业和信息化部主管全国无线电管理工作的职能机构，其主要职责包括：编制无线电频谱规划；负责无线电频率的划分、分配与指配；依法监督管理无线电台（站）；负责卫星轨道位置协调和管理；协调处理军地间无线电管理相关事宜；负责无线电监测、检测、干扰查处，协调处理电磁干扰事宜，维护空中电磁波秩序；依法组织实施无线电管制；负责涉外无线电管理工作。

（2）国家无线电监测中心。国家无线电监测中心（国家无线电频谱管理中心）是国家无线电管理技术机构，是工业和信息化部直属事业单位，主要承担无线电监测和无线电频谱管理工作。其主要职责包括：按照《中华人民共和国无线电管理条例》的规定，作为国家无线电管理技术机构，承担无线电频率和卫星轨道资源、无线电台（站）、无线电发射设备管理及涉外无线电管理相关技术工作，为国家无线电管理提供支撑保障；承担短波、空间业务无线电信号监测及干扰源定位工作，查找未经许可设置、使用的相关无线电台（站）；监测相关无线电台（站）是否按国际规则、我国与其他国家签订的协议、行政许可事项和要求等开展工作；承担国家无线电管理军民融合发展相关技术工作和电磁波频谱领域国防动员相关任务；参与北京地区超短波、微波频段的无线电监测工作；根据需要，承担国家重大任务无线电安全保障工作；承担国家无线电管理机构相关技术工作信息系统的建设运维工作；开展无线电管理相关政策、技术标准和技术规范、数据应用等的研究工作，提出政策建议；为各省（区、市）无线电管理工作提供技术指导承办工业和信息化部交办的其他事项。

（3）中国人民解放军无线电管理机构。负责军事系统的无线电管理工作，其主要职责包括：参与拟订并贯彻执行国家无线电管理的方针、政策、法规和规章，拟订军事系统的无线电管理办法；审批军事系统无线电台（站）的设置，核发电台执照；负责军事系统无线电频率的规划、分配和管理；核准研制、生产、销售军用无线电设备和军事系统购置、进口无线电设备的有关无线电管理的技术指标；组织军事无线电管理方面的科研工作，拟制军用无线电管理技术标准；实施军事系统无线电监督和检查；参与组织协调处理军地无线电管理方面的事宜。

（4）省级无线电管理机构。省、自治区、直辖市在上级无线电管理机构和同级人民政府领导下，负责辖区内除军事系统外的无线电管理工作。其主要职责包括：贯彻执行国家无线电管理的方针、政策、法规和规章；拟订地方无线电管理的具体规定；协调处理本行政区域内无线电管理方面的事宜；根据审批权限审查无线电台（站）的建设布局和台址，指配无线电台（站）的频率和呼号，核发电台执照；负责本行政区域内无线电监测。

（5）国务院有关部门的无线电管理机构。负责本系统的无线电管理工作，其主要职责包括：贯彻执行国家无线电管理的方针、政策、法规和规章；拟订本系统无线电管理的具体规定；根据国务院规定的部门职权和国家无线电管理机构的委托，审批本系统无线电台（站）的建设布局和台址，指配本系统无线电台（站）的频率、呼号，核发电台执照；国家无线电管理机构委托行使的其他职责。

2.无线通信的频谱

电磁波传播时不需要任何媒介，在真空中传播速度为恒定值，约3×l08 m/s，与光速相同。按照波传播的规律，电磁波传播速度c、频率f、波长λ三者的关系为c=λf。因此，波长与频率具有等同的含义。在通信领域常使用频段代表一个频率范围，也对应一个波长范围，所以频段与波段两种叫法是对应的。

（1）电磁波频谱。电磁波频谱是指按照电磁波频率或者波长排列所形成的谱系。电磁波频谱依据电磁波频率的高低或者波长的长短排序为条状结构，各种电磁波在电磁波频谱中占有不同的位置。根据波长的不同，电磁波分为短波、中波、长波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等。光波的频率要比无线电波的频率高很多，光波的波长比无线电波的波长短很多。而X射线和γ射线的频率则更高，波长则更短。目前电磁波频率划分至300 GHz，由于光波远远超过该频率，所以使用无线光通信时无须政府的许可。

无线电波很容易产生，可以传播得很远，容易穿过建筑物，因此被广泛用于室内或室外的无线通信。在1 GHz以上的微波沿视距传播时，可以集中一点。但是如果微波塔相距太远，地表就会挡住去路，因此需要中继。无导向的红外线和毫米波广泛用于短距离通信，其收发设备容易制造、价格便宜，但不能穿透坚实的物体，防窃听、安全性好于无线电波。光波及测光的装置可以用极低的成本提供极高的带宽，容易安装。与无线电波传输相比，光波传输不需要复杂的调制/解调设备，接收设备电路简单，单位数据传输功耗较小。

对于一个特定的基于射频的无线通信系统，其载波频率的选择非常重要，因为载波频率决定了传输的特性以及信道的传输容量。由于单一频率不能提供信息容量，因此，通信信号的频谱要占据一定的频率范围，通常将这个范围称为频段或频带。无线电频谱是一种不可再生的资源，无线通信特有的空间独占性决定了其在实际应用中必须符合一定的规范。为了有效利用电磁波频谱资源，各个国家和地区都对无线电设备使用的频段、特定应用环境下的发射功率等做了严格的规定。我国无线电管理机构对电磁波频段范围分配及主要作用的规定如表2.1所示。

电磁波频谱在通信中的应用如图2.10所示。

（2）ISM频段。频段的选择由很多因素决定，对于WSN来说，必须根据实际的应用场合来选择合适的频段。因为频段的选择直接决定WSN节点的天线尺寸、电感的集成度以及节点能耗。

频谱是无线通信必需的自然资源，频谱的利用具有有限性、排他性、易污染性等特点。世界各国对电磁波频谱资源进行了严格的规划和管理，通过拍卖、授权等方式颁发使用许可，各国主要根据用途来分配电磁波频谱。目前，单信道WSN节点基本上采用ISM（Industrial Scientific Medical）频段，ISM频段是对所有无线电系统都开放的频段，发射功率要求在1W以下，无须任何许可证。

在无线通信系统中，传输媒介就是传播电磁波的自由空间。为避免系统间的互相干扰，世界各国都对电磁波频谱资源进行严格的规划和管理，国际相关组织规定2.4 GHz频段（2400～2483.5 MHz）是全球共同的免许可的ISM频段。工作在相同或相近频段的多个无线终端在发送数据时会产生相互碰撞或相互干扰，需要选用合适的多址接入方式和多路访问协议来解决此问题。

2.4 GHz频段为全世界统一、无须申请的ISM频段，有助于设备的推广和生产成本的降低。2.4 GHz的物理层能够提供250 kbps的数据传输速率，从而提高数据吞吐量、减少通信延时、缩短数据收发时间，因此功耗更低。868 MHz是欧洲附加的ISM频段，915 MHz和5725～5850 MHz是美国附加的ISM频段。工作在这两个频率上的设备避开了来自2.4 GHz频段中其他无线通信设备和家用电器的无线电干扰。868 MHz频段上的数据传输速率为20 kbps，916 MHz频段上的数据传输速率则是40kbps。这两个频段上无线信号的传播损耗和所受到的无线电干扰均较小，对接收机灵敏度的要求较低，能获得较大的有效通信距离，使用较少的设备即可覆盖整个区域。

ISM频段的主要特点在于无须许可、低成本和低功耗，如无绳电话、Wi-Fi、蓝牙等都使用了ISM频段。目前，WSN一般都使用ISM频段。

3.通信信道

通信信道是数据传输的通路，在计算机网络中，信道分为物理信道和逻辑信道。物理信道是指用于传输数据的物理通路，它由传输媒介与有关通信设备组成。逻辑信道是指在物理信道的基础上，发送与接收数据的双方通过中间节点为传输数据形成的逻辑通路。逻辑信道可以是有连接的，也可以是无连接的。

按传输数据类型的不同，物理信道可分为数字信道和模拟信道，还可根据传输媒介的不同分为有线信道和无线信道。有线信道是使用有形的媒介进行数据传输的信道，包括双绞线、同轴电缆、光缆及电话线等。无线信道是指电磁波在空间传播的信道，包括无线电、微波、红外线和卫星通信信道等。

（1）无线信道的传输特性。无线信道是影响无线通信系统的基本因素，发射端与接收端之间的无线传输路径非常复杂，从简单的直射到遭遇各种复杂的物体（如建筑物、山脉和树叶等）所引起的反射、绕射和散射等，无线信道不像有线信道那样固定并可预见，它具有极大的随机性。

直射是指无线信号从发射端到接收端之间在一条直线上传输，中间没有任何遮挡，即传输路径为直射径，也称为视线传输、视距传输。

反射一般在地面、建筑物、墙壁表面发生，室内的物体（如金属家具、文件柜和金属门）等都可能导致无线信号的反射，室外的无线信号可能在遇到水面或大气层时发生反射。

绕射发生在当接收端和发射端之间的无线传播路径被尖锐的边缘阻挡时，阻挡物表面产生的二次波散布于空间，包括阻挡物的背面。在高频频段，绕射与反射一样，依赖于物体的形状，以及绕射点处入射波的振幅、相位以及极化情况。绕射使得无线信号绕着地面传输，能够传输到阻挡物的后面。但是当接收端移动到阻挡物的阴影区时，接收场强衰减得非常迅速。

散射是指由传输媒介的不均匀性引起的无线信号向四周射去的现象，散射通常发生在粗糙表面、小物体或其他不规则物体上，一般树叶、灯柱、沙尘等会引起散射。无线信道中的信号传播如图2.11所示。

（2）无线信道的组成原理。信道上传输的信号可分为基带信号和频带信号，基带信号是指由不同电压表示的数字信号1或0直接在信道上传输，频带信号是指将数字信号调制后形成的模拟信号。通信信道通常由以下传输设备或它们的某种组合组成，即电话线路、电报线路、卫星、激光、同轴电缆、微波和光纤。

信道速度是指每秒可以传输的位数，又称为波特率。根据波特率的不同，可以将信道分成三类，即次声级、声级和宽频带级。在WSN中主要使用宽频带级，宽频带级信道具有超出1 MBaud的容量，主要应用于计算机与计算机之间的通信。

无线信道是无线通信系统发送端和接收端之间通信链路的一个形象说法，收发两端之间并不存在有形的连接，无线信道的传播特性与其所处的实际环境有关。

①自由空间信道。自由空间信道是一种无阻拦、无衰减、非时变的理想的无线通道。

②多径信道。在超短波、微波频段以及无线电波的传播过程中会遇到障碍物（如楼房、高大建筑物或山丘等）时会产生反射、折射或衍射等现象，因此，到达接收端的信号可能存在多种反射波，这种现象称为多径传播（传输）。对于WSN来说，其通信主要是节点间短距离、低功耗的传输，且一般离地面较近，主要存在三条路径，即障碍物反射、直射以及地面反射。

③加性噪声信道。对于噪声通信信道，最简单的数学模型是加性噪声信道。如果噪声主要是由电子元件和接收放大器引入的，则为热噪声，在统计学上表征为高斯噪声。因此，加入噪声之后的信道模型称为加性高斯白噪声信道模型，该模型可以广泛地应用于多种通信信道，且在数学上易于处理，目前，在通信系统分析和设计中主要应用该信道模型。

④实际环境中的无线信道。实际环境中的无线信道往往比较复杂，除了自由空间损耗，还有多径、阴影以及多普勒频移引起的衰减。对于WSN这种短距离通信而言，要进行相应的改进才能实现数据的传输。

IEEE 802.15.4标准涉及2450 MHz、915 MHz、868 MHz三个ISM频段，在三个频段上分定义了27个信道，编号为0～26。其中，在868 MHz频段上定义了1个信道，数据传输速率20 kbps；在915 MHz频段上定义了10个信道，信道间隔为2 MHz，数据传输速率为40 kbps；在2.4 GHz频段上定义了16个信道，信道间隔为5 MHz，数据传输速率为250 kbps。注意，较大的信道间隔有助于简化收/发滤波器的设计。ISM频段信道分配如图2.12所示。

ISM频段的信道分配情况如表2.2所示，这些信道的中心频率如下（其中k表示信道编号）：

fc=868.3 MHz，　k=0

fc=906+2×(k-1) MHz，　k=1，2，…，10

fc=2405+5×(k-11) MHz，　k=11，12，…，26

符合IEEE 802.15.4标准的设备可以根据ISM频段、可用性、拥挤状况和数据传输速率在27个信道中选择一个工作信道。从能量和成本效率来看，不同的数据传输速率为不同的应用提供较好的选择。例如，对于有些计算机外围设备与互动式玩具，可能需要250 kbps的数据传输速率，而对于其他许多应用，如各种传感器、智能标记和家用电器等，20 kbps的数据传输速率就能满足要求了。不同的数据传输速率适用于不同的场合。例如，868/915 MHz频段的物理层的低速率换取了较好的灵敏度和较大的覆盖面积，从而减少了覆盖给定区域所需的节点数。2.4 GHz频段的物理层的较高速率适用于较高的数据吞吐量、低延时或低作业周期的场合。

2.4 GHz频段日益受到重视的原因主要有三：首先它是一个全球性的频段，开发的产品具有全球通用性；其次，它的整体带宽胜于其他ISM频段，这就提高了数据传输速率，允许系统共存；第三就是尺寸，2.4 GHz频段的相关设备（如天线）的体积相当小。虽然每一种技术标准都进行了必要的设计来减小干扰的影响，但是为了能让各种设备正常运行，对它们之间的干扰、共存分析显然是非常重要的。

2.1.5　无线通信的相关技术

无线数据的收发要比数据处理消耗更多的能量，因此需要选择合适的应用频段以及相关的调制/解调技术、扩频技术、多路复用技术、超宽带技术和天线类型等。

1.调制/解调技术

（1）基本概念。根据电磁理论可知，低频信号不能直接以电磁波的形式有效地从天线上发射出去，因此在发送端须采用调制技术将低频信号加载到高频信号之上，然后将这种带有低频信号的高频信号发射出去。在接收端则把带有这种低频信号的高频信号接收下来，经过频率变换和相应的解调技术检出原来的低频信号，从而达到数据传输的目的。调制是指根据来自信源的基带信号来改变高频载波的幅度、相位或频率，使高频信号随着基带信号的变化而变化，从而使基带信号变为适合传输的已调信号或频带信号。调制/解调方式直接决定了接收机和发射机的结构、成本与功耗。

调制是通信系统中的重要技术之一，主要具有以下功能：

①信号与信道匹配。因为自然界中要传输的信号大多数为低通型信号，而信道大多为带通型信道，为了使低通型信号能够在带通型信道中传输就需要调制。调制的本质就是把信号的频谱搬移到信道的带通频带之内，使信号频谱与信道特性匹配。

②电磁波有效辐射。根据电磁波传播原理，为了有效地把电磁能量耦合到空间，天线直径或长度至少要与传输信号波长相当，为了有效辐射必须进行调制。

③频谱分配。随着通信、广播和电视等业务的发展，频谱资源越来越紧张，为了有效利用频谱资源，需要对频谱进行分配，使通信、广播和电视等业务互不干涉。要使通信、广播、电视等业务在指定的频谱工作，必须依靠调制来实现。

④减少干扰。因为干扰的时间、频谱位置是不断变化的，可以通过调制减少干扰的影响。另外，调制还可以将信号安排在专门设计的频段中，使滤波和放大等处理易于实现。

调制技术还有以下的意义：

①采用调制方式后传输的是高频振荡信号，所需天线尺寸可大大减小。

②已调信号能够与信道特性相匹配，更适合信道传输。

③每一路的信号可以采用不同频率的高频振荡信号作为载波，这样就可以在频谱上互相区分开，便于实现多路信号的复用。

按照调制器输入信号的不同，调制可分为模拟调制和数字调制。模拟调制是指利用输入的模拟信号直接调制载波的振幅、频率或相位，从而得到调幅（AM）、调频（FM）或调相（PM）信号。数字调制是指利用数字信号来控制载波的振幅、频率或相位。

（2）模拟调制技术。模拟调制技术是用模拟基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着模拟基带信号的变化而变化。模拟信号可以简单地表示为：

s(t)=A(t)sin[2πf(t)+φ(f)]

正弦波信号有三个参量，即振幅、频率和相位，根据原始信号所控制参量的不同，调制方式分为幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）。由于模拟调制的能耗较大且抗干扰能力及灵活性差，逐步被数字调制技术替代，但模拟调制技术仍在变频处理中起着重要的作用。

（3）数字调制技术。数字调制一般使用数字信号的离散取值来键控载波的某个参数（键控法），并利用数字电路实现。在调制时所改变的是载波的幅度、相位或频率状态，相应地数字调制有幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）三类方式，如图2.13所示。

M进制调制是指载波的幅度、频率或相位可以取M个不同的值，相应地分别称为MASK、MFSK和MPSK。通常取M=2n，其中n为正整数。由于正弦波信号的参数可取M种不同的离散值，即在一个码元周期内发送的信号波形会有M种不同的波形，因此每个信号波形可以携带n=log2M bit的信息，那么信息速率就是码元速率的n=log2M倍。

二进制幅移键控（2ASK）使用载波频率的两个不同振幅来表示两个二进制值，如图2.13（a）所示。一般情况下，2ASK用振幅恒定载波的存在与否（开/关）来表示两个二进制值，又称为OOK。2ASK的编码效率较低，容易受增益变化的影响，抗干扰性较差。

二进制频移键控（2FSK）使用载波频率附近的两个不同频率来表示两个二进制值，如图2.13（b）所示。2FSK比2ASK的编码效率高，不易受干扰的影响，抗干扰性较强。

二进制相移键控（2PSK）使用载波信号的相位偏移来表示二进制数据，如图2.13（c）所示。2PSK具有很强的抗干扰能力，其编码效率比2FSK还要高。

这三种数字调制方式是数字调制的基础，也存在某些不足，如频谱利用率低、抗多径衰减能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等。为了改善这些不足，近几十年来人们陆续提出一些新的数字调制技术。针对WSN的低功耗、低速率等通信要求，常使用OPSK技术。

（4）解调。解调是调制的逆过程，用于从已调信号中恢复出原来的基带信号。对于幅度调制来说，解调是从它的幅度变化中提取基带信号的过程；对于频率调制来说，解调是从它的频率变化中提取基带信号的过程。

调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响，采用什么方法调制和解调在很大程度上决定着通信系统的质量。

2.扩频通信技术

（1）扩频通信技术简介。扩频（Spread Spectrum，SS）通信是20世纪40年代发展起来的一种通信技术，是将待传输的信号用与被传数据无关的函数（扩频函数）进行调制，实现频谱扩展后再传输，接收端则采用相同的扩频函数进行解调及相关处理，恢复出原始信号。

扩频通信的基本思想就是通过扩展频谱以换取对信噪比要求的降低。根据香农（Shannon）定理可知，在传输速率C不变的条件下，带宽W和信噪比S/N是可以互换的，即通过增加带宽的方法，可在较低的信噪比的条件下传输信息。扩频通信的优点主要有抗干扰性强、误码率低、抗多径衰减、保密性强、功率谱密度低、具有隐蔽性和低截获概率、可多址复用和任意选址、可用于精确定时和测距等。扩频通信系统具有如下特点：

●　系统占有的带宽Bc远远大于要传输的原始信号的带宽Bm（Bc一般是Bm的100～1000倍），且系统占有带宽与原始信号带宽无关。

●　解调过程是由接收信号和一个与发端扩频码同步的信号进行相关处理来完成的。

按照扩展频谱方法的不同，扩频技术可分为直接序列（Direct Sequence，DS）扩频、跳频（Frequency Hopping，FH）扩频、跳时（Time Hopping，TH）扩频、线性调频以及混合方式。在WSN中，使用最多的扩频技术是直接序列扩频和跳频扩频。

直接序列扩频通信系统就是用伪随机码序列（也称为扩频码）直接对待传输的信号进行频谱扩展后进行传输的通信系统。直接序列扩频通信系统的原理框图如图2.14所示。

发送端用伪随机码序列c（t）直接对待传输的信号a（f）进行扩频调制，获得占用较宽带宽的扩频信号d（f），再进行载波调制获得射频信号s（f）。接收端收到的信号经载波解调后变为扩频信号，然后由本地产生的与发送端相同的伪随机码序列去相关解扩，经滤波输出后还原成原始信号。

用伪随机码序列直接调制后的编码序列带宽远大于原始信号带宽，从而扩展了发射信号的频谱。在接收端用相同的伪随机码序列进行解调，把被扩展的扩频信号还原成原始信号。DSSS技术是一种数字调制方法，可以直接将原始比特流与扩频码结合起来。例如，在发送端将1用11000100110代替，将0用00110010110代替，这个过程就实现了扩频，而在接收端处只需把收到的11000100110恢复成1，00110010110恢复成0，这就是解扩。这样信源速率就提高了11倍，同时也使处理增益达到10 dB以上，从而有效地提高了整机信噪比。

直接序列扩频通信系统除了一般通信系统所要求的同步，还必须完成伪随机码的同步，以便接收端用同步后的伪随机码去对接收信号进行相关解扩。随着伪随机码字的加长，直接序列扩频通信系统要求的同步精度也更高，因而同步时间更长。

（2）跳频扩频通信。跳频扩频（FHSS）通信是载波频率受伪随机码序列的控制，随机地进行离散变化的通信方式。跳频扩频通信技术可看成载频按照一定规律变化的多进制频移键控（MFSK）。简单的频移键控通常只利用两个频率，而跳频扩频通信常常有更多频率可供选用，而选用哪个频率完全由伪随机码序列决定。也就是说，通信中使用的载波频率由伪随机码序列控制，可以在很宽的带宽范围内按某种图案进行离散跳变。从实现方式上看，跳频是一种码控载频跳变的通信系统。与直接序列扩频（DSSS）通信系统相比，跳频扩频通信系统中的伪随机码序列并不直接传输，而是用来选择信道（频率）的。

跳频扩频通信系统的原理框图如图2.15所示。跳频扩频通信系统是一个用户载波频率按某种跳频图案（伪随机跳频序列）在很宽的带宽范围内跳变（用户不同则跳频图案不同）的系统。数据经波形变换（数据调制）后送入载波调制，载波由跳频序列（伪随机码序列）控制跳变频率合成器产生，其频率随跳频序列的序列值的改变而改变。跳频序列的值改变一次，载波频率随即跳变一次。数据经载波调制后形成跳频信号，经射频滤波器等放大发射，被接收端接收。接收端首先从接收到的跳频信号中提取跳频同步信号，使接收端本地伪随机码序列控制的频率跳变与接收到的跳频信号的频率跳变同步，产生与发送端频率完全同步一致的本地载波，再用本地载波与接收信号进行解调（载波解调），从而获得发送端发送来的信号。

跳频技术最初主要用于军事通信，如战术跳频电台等。目前在民用通信系统中也广为使用，如GSM移动通信系统中手机与基站之间的跳频速率为217跳/秒。

3.多路复用技术

在数据通信系统中，传输媒介的带宽往往超过传输单一信号的需求，为了有效地利用通信线路，希望一个信道同时传输多路信号，这就是所谓的多路复用技术（Multiplexing）。采用多路复用技术能把多个信号组合起来在一条物理信道上进行传输，它相当于将一条物理信道划分为几条逻辑信道，在远距离传输时可大大节省电缆的安装和维护费用。多路复用技术的理论依据是信号分割原理，信号分割的依据是信号之间的差别，这种差别可以体现在频率、时间或波形等参量上。

根据信号的复用方式的不同，复用方式可分为频分复用（FDM）、时分复用（TDM）和码分复用（CDM）。频分复用采用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围；时分复用采用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间；码分复用采用正交的脉冲序列分别携带不同信号。传统的模拟通信都采用频分复用，随着数字通信的发展，时分复用通信系统的应用也越来越广泛，码分复用主要用于空间的扩频通信中。

（1）频分复用。频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）指的是按照频率参量的差别来分割信号的复用方式。FDM的基本原理是若干通信信道共用一条传输线路的带宽，在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干与传输单个信号带宽相同（或略宽）的子信道，每个子信道传输一路信号。FDM将传输线路的带宽分成N部分后，每一个部分均可作为一个独立的信道使用，这样在传输线路的带宽上就有N条信道，而每条信道所占用的只是其中的一个频段。频分复用示意图如图2.16所示。

FDM的每个信道分别占用分配给它的一个频段，为了防止信道间的相互干扰，在每条通道间通过保护频带进行隔离。经过频分复用后的各路信号，在频率位置上被分开了，因此可以通过相加器将它们合并成适合信道传输的复用信号。合并后的复用信号可以在信道中传输，但有时为了更好地利用信道的传输特性，还可以再进行一次调制。

解复用过程是复用过程的逆过程。在接收端，可利用相应的带通滤波器（BPF）来区分各路信号的频谱，再通过各自的相干解调器便可恢复各路信号。解复用器采用滤波器将复用信号分解成各个独立信号，然后将每个信号送往解调器将它们与载波信号分离，最后将传输信号送给接收端处理。

频分复用的最大优点是系统效率较高，可充分利用传输媒介的带宽，技术比较成熟，成为目前模拟通信中主要的一种复用方式，在有线通信系统和微波中继通信系统中的应用十分广泛。

频分复用的主要缺点是设备比较复杂，会因滤波器的特性不够理想和信道内存在的非线性因素而产生路间干扰。FDM对于信道的非线性失真具有较高要求，非线性失真会造成严重的串音和交叉调制干扰。FDM本身不提供差错控制，所需的载波量大，设备随输入信号的增多而增多，设备繁杂，不易小型化。

这里对比说明一下多址接入（Multi-Access）的概念。多址接入是指多个用户共享信道资源，实现各用户之间相互通信的一种技术。由于用户来自不同的地址，区分用户和区分地址是一致的。多路复用与多址接入都是为了共享通信资源，是完全不同但又联系紧密的两个概念。

（2）时分复用。在数字通信系统内通常使用时分复用（Time Division Multiple，TDM）技术。TDM以时间作为分割信号的参量，信号在时间位置上分开，但它们能占用的频带是重叠的。当传输信道所能达到的数据传输速率超过了传输信号所需的数据传输速率时，就可采用TDM。时分复用示意图如图2.17所示。

TDM的理论基础是采样定理。由采样定理可知，连续（模拟）的基带信号可以被在时间上离散的采样脉冲代替。这样当采样脉冲占据较短时间时，在采样脉冲之间就留出了时间空隙，可以利用这种时间空隙传输其他信号，这就可以在一条信道中同时传输若干基带信号。

多路复用信号可以直接送入信道传输，或者通过调制器上变换成适合信道传输的信号后再送入信道传输。在接收端，多路复用信号由分路开关依次送入各路相应的低通滤波器，恢复出原来的连续信号。在TDM中，发送端的转换开关和接收端的分路开关必须同步，所以在发送端和接收端都设有时钟脉冲序列来同步开关时间，以保证两个时钟脉冲序列合拍，TDM是按照时间片的轮转来共同使用一个公共信道的。

（3）码分复用。码分复用（Code Division Multiple，CDM）是一种信道复用技术，它允许每个用户在同一时刻同一信道上使用同一频带进行通信。码分复用以扩频技术为基础，增强了系统的抗干扰、抗多径、隐藏、保密和多址能力。

CDM的关键是信号在传输以前要进行特殊的编码，编码后的信号混合后不会丢失原来的信息。有多少个互为正交的码序列，就可以有多少个用户同时在一个载波上通信。每个发送端都有自己唯一的编码（伪随机码），同时接收端也知道要接收的代码，用这个编码作为信号的滤波器，接收端就能从所有复用信号的背景中恢复出原来的信号。

适用于CDM的扩频技术是直接序列扩频（DSSS）技术，包括调制和扩频两个步骤。例如：可以先对要传输的载波进行调制，再用伪随机码序列扩展信号频谱；也可以先用伪随机码序列与信号相乘（扩展信号的频谱），再对载波进行调制。在CDM中，不同用户传输的信号是靠各自不同的编码序列来区分的，虽然信号在时域上和频域上是重叠的，但可以依靠各自不同的编码来区分用户信号。

4.天线技术

（1）概述。天线是无线信道与发射机和接收机之间的接口，对无线系统的性能有着重要影响。天线的物理特性依赖于信号的频率、天线的大小和形状，以及收发功率。高效率是天线的关键性技术指标之一，从发射天线的角度看，高效率意味着尽量降低达到特定场强所需放大器的输出功率；从接收天线的角度看，高效率意味着信噪比（SNR）与发射功率成正比。

天线是发射和接收电磁波的通信组件，也是一种能量转换器。在发射时，发射机产生的高频振荡能量经过发射天线变为带有能量的电磁波，并向预定方向发射，通过传输媒介到达接收天线。在接收时，接收天线将接收到的电磁波能量变为高频振荡能量送入接收机，完成无线电波传输的全过程。天线作为数据出入无线设备的通道，在WSN中起着重要的作用。天线及其相关电路往往也是影响整个节点能否高度集成的重要因素。

天线的性能会对通信设备的无线通信能力、组网模式等产生重要的影响。一般来说，WSN对天线有以下要求：

●　对于尺寸有一定的限制，并要符合极化要求；

●　实现输入阻抗匹配，以及满足信道带宽等要求；

●　优化传输性能和辐射效率，实现节能、高效；

●　满足低成本、可靠工作等要求。

天线是一种无源器件，本身并没有增加所发射信号的能量，只是通过天线振子的组合改变其馈电方式。全向天线可将能量按着360°的水平发射模式均匀发射出去，便于安装和管理。定向天线可将能量集中到某一特定方向上，相应地在其他方向上减小能量强度，可大大节省能量在无效方向上的损耗，适合远距离定向通信。

目前，已经出现了智能天线。智能天线是指具有波束形成能力的自适应天线阵列，如相控阵雷达天线就是一种较简单的自适应天线阵列。智能天线的原理是将电磁波的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达的方向，达到充分、高效利用用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。通常，智能天线由天线阵列、波束形成网络和自适应控制单元组成。

（2）天线的分类。天线的种类繁多，以供在不同频率、不同用途、不同场合和不同要求等情况下使用。天线可以按照如下方法进行分类。

①按其结构形式可分为两大类：一类是由金属导线构成的线天线；另一类是由尺寸远大于波长的金属面或口径面构成的面状天线，简称口面天线。此外，还有介质天线。介质天线是指采用同轴线馈电的介质陶瓷片/棒，由同轴线内导体的延伸部分形成一个振子，用以激发电磁波，套筒的作用是除了夹住介质棒，更主要的作用是反射电磁波，从而保证由同轴线的内导体激励电磁波并向介质棒的自由端传播。介质天线主要应用于全球定位系统和无线广播系统。

②按方向性可分为强方向性天线、弱方向性天线、定向天线、全向天线、针形波束天线、扇形波束天线等。

③按极化特性可分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线，线极化天线又可分为垂直极化和水平极化天线。

④按天线上电流分布可分为行波天线和驻波天线。

⑤按工作性质可分为发射天线、接收天线和收发共用天线。

⑥按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线、导航天线、测向天线等。

⑦按使用波段可分为长波、超长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线。

⑧按载体可分为车载天线、机载天线、星载天线、弹载天线等。

⑨按频带特性可分为窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。

⑩按天线外形可分为鞭形天线、T形天线、Г形天线、V形天线、菱形天线、环天线、螺旋天线、波导口天线、波导缝隙天线、喇叭天线、反射面天线等。

另外，还有八木天线，对数周期天线、阵列天线。阵列天线又可分为直线阵列天线、平面阵列天线等。

（3）天线的主要指标。由于无线设备或装置大多是随机部署的，因此可能导致电磁波的各向异性传播，从而导致信号在各个方向上的传播差异很大。在某些情况下，当节点位置靠近地面时会使路径损耗更加严重。针对特定的应用环境设计天线，对于提高传输质量、减小能耗具有重要作用。天线的主要指标包括方向图、增益、输入阻抗、极化方式和带宽。

①方向图。天线的方向性是指天线向某一方向发射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向的电磁波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示，方向图可用来说明天线在空间各个方向上发射或接收电磁波的能力，方向图是天线发射出的电磁波在自由空间存在的范围。

②增益。天线增益用来衡量天线在一个特定方向上收发电磁波的能力，它是选择天线最重要的参数。一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向发射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的发射性能。在相同的条件下，增益越高，电磁波传播的距离越远。

③输入阻抗。天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线连接的最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗。这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的阻抗匹配工作就是为了消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用4个参数来衡量，即反射系数、行波系数、驻波比和回波损耗，这4个参数之间有固定的数值关系，使用哪一个参数可依据自己的习惯。在日常维护中，用得较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为50 Ω。

④极化方式。极化方式是指天线发射电磁波时形成的电场强度方向，天线的极化方式可分为单极化和双极化两种。单极化又可分为垂直极化和水平极化两种。当电场强度方向垂直于地面时，此时的电磁波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此时的电磁波就称为水平极化波。双极化指的是组合了+45°和-45°两个极化方向且相互正交，能同时工作在收发双工模式。

⑤带宽。天线的带宽有两种，一种是指在驻波比（Standing Wave Ratio，SWR）不超过1.5倍条件下天线的带宽，另一种是指天线增益下降3 dB范围内的带宽。在移动通信系统中，通常采用第一种带宽。

一般说来，在工作带宽内的各个频率点上，天线的性能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。天线的工作带宽是在实际应用中选择天线的重要指标之一。