欢迎您访问科普小知识本站旨在为大家提供日常生活中常见的科普小知识,以及科普文章!
您现在的位置是:首页  > 历史

微波特性及其应用(五)

科普小知识2022-04-26 05:02:34
...

——微波5G通信

徐长发,华中科技大学,2019.9.1

一.通信信号的调制与解调

这里先简单形象的解释一下无线通信的基本原理和基本过程。

需要传输的信号假设是连续变化的一条不规则的曲线(称为模拟信号)。

模拟信号要传输出去,需要载波。各种频率的电磁波都可以作为载波,波长较长的、波长较短的,还有微波都可以作为载波。载波是频率规则变化的谐波,是正玄波样子。

为了无线传输模拟信号,需要把模拟信号和载波混合在一起,成为调制信号,把调制信号波发射出去。

接受到调制信号后,需要对调制信号滤波解调,去除载波,分离出模拟信号,这就达到无线通信的目的了。

在下面的图中明显可见,要传输的模拟信号是

和载波混合在一起后变为的调制信号是

再对调制信号滤波解调,滤掉载波,就还原到原始信号了。

现在,一般都采用数字通信,数字通信由四个部分组成。

第一部分,把模拟信号变为数字信号,即通过A/D转换器对模拟信号数值采样,把信号强度用数值标记,把信号数值用二进制表示,这样就把模拟信号变为数字信号了。

第二部分,再把数字信号和载波混合变为调制信号,

第三部分,发射数字调制信号,接受调制信号,滤波解调,复得数字信号。

第四部分,把数字信号还原为数字模拟信号,再还原为模拟信号。

简单地说,数字通信方法是这样的:在模拟通信方法的前端加上原信号的数字化步骤,在后端加上把数字化信号还原为原信号的步骤。

为什么要搞数字通信?数字通讯有什么好处?

1)抗干扰能力强,尤其是数字信号通过中继再生后可消除噪声积累;

2)数字信号通过差错控制编码,可提高通信的可靠性;

3)由于数字通信传输一般采用二进制码,所以可使用计算机对数字信号进行处理,实现复杂的远距离大规模自动控制系统和自动数据处理系统,实现以计算机为中心的通信网。

4)在数字通信中,各种消息(模拟的和离散的)都可变成统一的数字信号进行传输。在系统中对数字信号传输情况的监视信号、控制信号及业务信号都可采用数字信号,而且可以自动地进行变换、综合、传输、处理、存储和分离,实现各种综合业务。

5)数字信号易于加密处理,所以数字通信保密性强。数字通信的缺点是比模拟信号占带宽,然而,由于毫米波和光纤通信的出现,带宽已不成问题。

二.微波通讯的特点

微波通信和其它无线通信的简单区别在于,通常的低频、中频、高频无线通信所采用的载波频率都不高,而微波通信的载波是微波,其频率在300MHz至300GHz频段内。凡是处于300MHz至300GHz频段内的通信,都可称之为微波通信。

正是微波频率非常高的缘故,微波通信的特点就很鲜明了。

1)微波频率高,同光线一样直线传播,衰减也快,必须每隔50千米左右设置一个中继站,把前一站送来的信号经过放大,再送到下一站。所以微波通信是用“接力”的形式进行通信的。

2)通信频段的频带宽,传输信息容量大。全部长波、中波和短波频段占有的

频带总和不足30MHz,微波频段占用的频带约300GHz,一套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,或传输电视图像信号等宽频带信号。

3)通信稳定、可靠。当通信频率高于100MHz时,工业干扰、天电干扰及太

阳黑子的活动对其影响小。由于微波频段频率高,这些干扰对微波通信的影响极小。数字微波通信的中继站都能去噪声、增强数字信号,于是噪声不逐站积累,增加了通信抗干扰能力,因此,微波通信较稳定可靠。

4)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、高山等特殊地理环境。在遭遇地震、洪水、战争等灾祸时,通信的建立及转移都较容易,这些方面比有线通信具有更大的灵活性。

5)天线增益高、方向性强。当天线面积给定时,天线增益与工作波长的平

方成反比。由于微波通信的工作波长短,天线尺寸可做得很小,通常做成增益高,方向性强的面式天线。这样可以降低微波发信机的输出功率,利用微波天线强的方向性使微波电磁波传播方向对准下一接收站,减少通信中的相互干扰。

6)投资少、建设快。与其它有线通信相比,在通信容量和质量基本相同的条件下,按话路公里计算,微波中继通信线路的建设费用低,建设周期短。

三.什么是5G微波移动通信

微波通信从开始推广使用的第一代手机(Genenations是“代”的意思,G是其第一个字母,1G是第一代移动通信的意思,不是表示存储量的)开始,在网络和功能方面不断发展更新,直到现在的第五代手机。

1G手机时代,模拟手机的天下。

1973年,摩托罗拉公司为全世界带来了第一部手机,移动通信采用模拟信号发送和接受,网络是局部的模拟蜂窝网,除了打电话,其它什么功能也没有。信号不稳定,不能在更大范围内打电话。这种手机最显著的特征就是大和重,拿在手上仿佛拿着两块大板砖,但非常昂贵,简称“大哥大”。摩托罗拉公司开创了民用的无线通信时代,这是1G手机时代,1G手机只能打电话,霸主是摩托罗拉。

2G手机时代,功能手机来临。

上世纪90年代,2G手机时代网络发展了,联系范围更大了;使用了数字通信,信号传输更稳定了。2G手机不再局限于只能打电话,还能接发短信甚至简单的wap网页浏览。此外,2G手机在拍照、音乐播放、游戏上的功能也逐步被开发出来,其中最有名的游戏就是贪吃蛇了。与此同时,2G手机在外形上也是越变越好看。特别是彩色屏幕出现后,2G手机就像女士们的衣服样式一样,发展成直板、翻盖、滑盖共存的格局。

那时的2G手机还不能看图片和视频,网速太慢,网络还不够稳定。

那个时候的摩托罗拉依旧沉迷于过去的成功,从而错失了最好的战略的良机,被诺基亚、爱立信迎头赶上,形成了摩托罗拉、诺基亚、爱立信三足鼎立的格局。

那时,由于诺基亚在拍照方面的表现稳定而卓越,诺基亚手机逐渐从三强中脱颖而出,在全球范围内都难以找到可以与之匹敌的对手。可以说,2G手机的时代就是诺基亚的发家史。诺基亚是霸主。

3G手机时代,智能手机的爆发。

2009年“3G”迅速席卷市场,3G手机可以简单的处理一些图片、音频等,“超大屏幕、超薄机身、设计时尚”成为3G时代手机最大的卖点。

3G手机容量更大,功率小辐射也小,网速提高,可以视频通话了,微博也出现了。

但是,“3G”的流量太贵,网速太慢了,而且还经常有卡顿,甚至加载不出来的情况,特别是到了一些信号不好的地方就已经完全刷不出来了,给用户的体验很差,远不能满足用户的要求。

诺基亚怎么也想不到,3G时代说来就来了。而诺基亚在这时却走上了摩托罗拉的老路,不跟随3G前进,彻底葬送了自己的大佬地位。紧接着,“被吃过的苹果”迅速打开智能手机市场。等诺基亚如梦初醒时,苹果、三星早已经断绝了他的发展机会。

4G手机时代,国产手机发力了。

2013年,手机大步流星地奔向4G时代,诺基亚也逐渐淡出人们的视线。苹果、三星依然是手机行业的佼佼者,但华为、小米、以及著名的“蓝绿厂”等国产手机品牌开始发力。尤其在三星手机“爆炸门”,和苹果手机“降频门”事件发生后,越来越多的人开始转而使用国产手机。4G手机时代,让国产手机出展现出了百花争艳的盛况。

4G网络问世了,4G网络相较于之前的任何网络通信都迅速的多,4G网络的问世给我们的生活带来了很多的改变,比如网上支付、视频通话等。尽管如此,在人们日益丰富的需求面前,仍显得不足。

5G手机时代,未来的手机谁说了算?

现在我们正处于由4G时代,逐渐过渡到5G时代的过程中,也有人给当下命名为4G+时代。那么未来的5G手机时代,谁又将成为新的行业霸主呢?从手机的整个发展史来看,未来能主导整个手机行业的,一定是一个善于创新,能抓住时代发展机遇的品牌。谁能扣住时代的命脉,坚持发展,超越前人,并保持自己领先的优势,谁就是下一个王者。

下面用一张表介绍1G-5G手机的几个技术指标

为什么频段越用越高?

简单地说,有2个原因:一是低频段都被占用完了,只能向高频段发展;二是频率高会提高网速。

为什么频段越高,速度越快?

可以把带宽比作路宽,路越宽就可以分出较多的车道,道路的总车流量就大;同样的,频段宽就可以分出较多的信道,此频段内信号的传输量就会增大。

频率高→带宽大→信道多→流量大→速度快。

相比于4G,5G的各项参数都有质的飞跃,简单点说就是又好(移动时或者人多时信号照样好)又快(速度快没延迟)又省(省电)。

5G有多快?给个直观感受,那就是1秒钟可以下载一部高清电影!

5G频段有低、中、高之分,是不是频率越高越好?

从传输效果来看:

3GHz以下的低频段可以满足人与物之间的信息交互,满足大规模物联网的需求;

3GHz-6GHz之间的中频段可以满足物与物之间的通信需求,满足超高可靠超低时延通信;

6GHz以上及24GHz以上高频段具有大带宽及极高的传输速率,可以满足在现有移动宽带业务场景的基础上进一步提升用户体验,追求人与人之间极致的场景通信的互动体验。

日本研发的是低频率段的5G网络,这种低频信号的特点是覆盖范围广,适合建筑物较多的场所,但速率方面存在问题。

美国和韩国与日本不同,研发的是基于28Ghz左右高频的5G网络,频率高速率快,但是网络覆盖成了大问题,目前实验的效果并不好。

中国提倡中低频段的应用,我国正式宣布5G的使用频段:室内通信使用3.3-3.6 GHz,系统工作频段为4.8-5.0 GHz。在中频段上,3.5GHz非常有利于在原有基站的基础上改进,有利于信号覆盖,被全球多个国家视为5G网络的先锋频段,市场前景大。另外,因为国际上高频射频产业还不成熟,规模商用难度很大,因此我国的5G决定围绕中频段展开。

频率增高的确会带来很大优点,但是也会带来困难。

困难1,频率增高,传输损耗增大。

5G低频下,相比4G频率增加了约1倍,真空损耗增加了约6dB,将导致传送距离减小一倍  

5G高频下,相比4G频率增加了约10倍,真空损耗相比4G增加了20dB,将导致传送距离不到4G的1/8

上面近似真空传输损耗,实际应用中传播损耗要比这大的多。

困难2,频率高→波长短→绕射能力差→基站覆盖范围小→基站数量增加→成本提高。

综合起来考虑容易明白:微波低频和高频通信各有优缺点,5G在低频段中,速度提升较小,成本提升也较小,5G在高频段中,速度提升较高,成本提升也较高。

总结上述原因,国内对5G手机一直集中于中低频段部分的研发,进展很快,可以上市,上市就会有显著效果;对高频段的使用还正在加紧研发,将来我国5G会使用多高的频率,要看研发结果而定。 

四。5G会给现实生活带来哪些应用 

大家知道,最前沿的几个应用,如工业互联网、虚拟现实、大数据、工控安全、机器视觉和协作机器人的技术和应用,这些应用都离不开数据传输。大家可以设想,5G传输数据的速度快容量大,把5G和这些应用结合起来,前景无限。 

下面就简单介绍20个关于5G的应用,这些应用都已经在实验,只等5G网络的普及了。   

① 5G自动驾驶  

5G通信技术具备庞大的带宽容量和接近零时延的特性,正在让自动驾驶走进现实,因此,自动驾驶也被认为是最具前景的5G应用。

② 5G远程遥控驾驶 

5G网络远程对车辆执行驾驶操作,适用于乘客不能自己驾车或远程车辆处于危险环境等特殊的情形。

③ 5G智能电网  

智能电网就是电网的智能化(智电电力),也被称为“电网2.0”,它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上,通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用,实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标,其主要特征包括自愈、激励和保护用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。5G网络正好为其提供了强有力的支持。

④ 5G智能工厂  

利用5G网络,多个机器人分工协作,快速地完成某项制造工作。

⑤ 5G无人机物流  

5G联网使得无人机的应用范围不断拓展。5G物流无人机便被认为是一种非常有前景的5G用例。

⑥ 5G无人机高清视频传输  

5G无人机高清视频的传输也非常具有应用前景。通过毫秒级低时延5G网络,进行无人机远程敏捷控制,完成各类巡检任务,例如巡检农场、果岭、山林、沙漠、边防等。

⑦ 5G远程医疗  

基于5G网络的远程医疗,将对农村的医疗现状产生深远变革。

⑧ 5G虚拟现实 

4G网络的虚拟现实已经实现,但是由于4G网络时延高,无法满足图像传输和和数字处理的需求。而5G的高速率、低时延特性正好为此解决问题。

⑨ 5G增强现实  

在游戏、导航、教育等大众市场应用中,利用5G网络,添加图像和现实情境,增强视觉感受,不是一件难事。

⑩ 5G VR全景直播

用5G来进行赛事直播已经成为一种潮流,这得益于5G的高带宽和低时延。已经试验,即将全面使用。

⑪ 5G安防 

可以轻松实现远程监控并实时响应,从而最大程度地提升安防质量和效率。

⑫ 5G儿童安全 

儿童穿戴无线终端,例如手表等,通过5G网络,支持日常儿童安全监控。

⑬ 5G智慧园区  

智慧园区作为智慧城市的缩影,是未来智慧城市建设的基础。将来,智慧办公需求,需要大带宽;物联监控需求,需要大连接;工业控制和安全生产需要高可靠低时延。而这些指标正是5G具备的。

⑭ 5G智慧农业

利用5G高速网络以及多种传感器,可以随时监控土壤的湿度、温度、肥度等各种影响农作物产量的因素,并做出实时处理,从而提高农作物的产量。更重要的是,还可以节约人力成本,减少体力劳动需求,提升农场运营效率。

⑮ 5G远程教育 

传统教育存在着一些客观问题,如教育资源配置失衡、地域教育差距大、农村偏远地区教育薄弱等。5G+VR远程教育打破了时空的限制,哪怕是最偏远的地区,只要能上网,就能在线接受万里之外的网络教育,获得优质教育资源,甚至是来自于全球最好教学课程。这也为企业发展提供了新的资源。

⑯ 5G新零售 

近年来,传统电商加互联网的网购规模还不错,但是将来增长瓶颈会显现,流量红利会逐渐萎缩,传统电商也会混不下去。原因是新零售概念被提出。新零售概念是,企业通过线上+线下的营销解决方案,构建端到端的数字化核心应用平台,实现业务增长,重塑商业价值。看来,只要5G正常使用,这种新销售概念就会实现。

⑰ 5G养老助残 

有了5G,养老和助残难题也将得到很好地解决。例如,帮助视力、行动、听说等方面的残疾人士,实现安全出行和顺畅交流。例如,通过终端、人、物、车、云的智能联动,以创建一张动态环绕残疾人士的保护网,再“造”残疾人士的感官,实现科技助残。

⑱ 5G智慧家居 

智慧家居被提及多年,但一直遭遇落地难问题。5G能够彻底改变智能家居终端的部署与服务方式,让智慧家居真正走进现实。

⑲ 5G气象系统 

气象预报不够准,一直是人们的心病,这种情况有望在5G时代被打破。

⑳ 5G超级救护车 

医学上把发生伤病后的头4分钟,称为急救“黄金时间”,在4至6分钟内不进行急救处置将导致神经系统不可逆损伤。如果超过8分钟,救护的成功率就将降低到5%。挽救生命必须分秒必争,未来的5G网络带来福音。搭载5G网络的系统也配备视频和必要的设备,将更好保证医院在患者到达前做好充分准备,从而快速投入抢救。

5G网络通信,绝不仅仅是通信速度快而已,它的应用前景不可限量,它涉及到一个国家在高科技发展方面的基础、应用、水平和后劲。

此文章版权归属徐长发所有