電磁頻譜基礎

電磁環(huán)境——電磁頻譜李書芳Tel.(010)62282138E-Mail:lisf@幾個基本概念1：物理物理：事物的內在規(guī)律，事物的道理;物理學（physics）：研究物質結構、物質相互作用和運動規(guī)律的自然科學。是一門以實驗為基礎的自然科學，物理學的一個永恒主題是尋找各種序（Orders）、對稱性（Symmetry）和對稱破缺（Symmetry-breaking）、守恒律（Conservationlaws）或不變性（Invariance）。力學：經典力學、理論力學、電動力學、量子力學熱學：熱力學、統(tǒng)計物理學光學：幾何光學、激光電學：電磁學及電動力學2BYT.LUO百度百科搜索“物理”：/view/2505.htm幾個基本概念1：信息與通信通信（communication）：按照達成的協(xié)議，信息在人、地點、進程和機器之間進行的傳送。通信（Telecommunication）：通信是以語言、圖像、數(shù)據為媒體，通過電(光)信號將信息由一方傳輸?shù)搅硪环剑詫崿F(xiàn)信息的遠距離傳輸與交換。通信技術是一種產業(yè)，它生產的是一種信息在空間轉移的效應。信息（Information）：信息是要表示和傳送的對象（內容）。消息（Message）：消息是表示信息的媒體，象語言、文字、圖象、符號、聲音等。信號（Signal）：信號是消息的承載者，常常由消息變換而來，它是與消息對應的某種物理量，通常是時間的函數(shù)，例如隨著時間變化的電壓（電流）。3BYT.LUO百度百科搜索“通信”：/view/15007.htm生活中熟悉的通信系統(tǒng)4BYT.LUO無線廣播移動通信移動電視電視廣播雷達輻射衛(wèi)星廣播微波爐通信系統(tǒng)？BYT.LUO4雷電通信系統(tǒng)：郵政通“信”系統(tǒng)5BYT.LUO廣播通信系統(tǒng)6BYT.LUO廣播電臺信道信宿信宿信宿多址接入通信系統(tǒng)7BYT.LUO基站信道終端終端終端計算機通信系統(tǒng)/網絡8BYT.LUO貝爾莫爾斯馬可尼法拉第麥克斯韋赫茲貝爾莫爾斯馬可尼法拉第麥克斯韋赫茲貝爾莫爾斯馬可尼法拉第麥克斯韋赫茲貝爾莫爾斯馬可尼法拉第麥克斯韋赫茲貝爾莫爾斯馬可尼法拉第麥克斯韋赫茲貝爾莫爾斯馬可尼法拉第麥克斯韋赫茲貝爾莫爾斯馬可尼法拉第麥克斯韋赫茲貝爾莫爾斯馬可尼法拉第麥克斯韋赫茲貝爾莫爾斯馬可尼法拉第麥克斯韋赫茲貝爾莫爾斯馬可尼法拉第麥克斯韋赫茲貝爾莫爾斯馬可尼法拉第麥克斯韋赫茲貝爾莫爾斯馬可尼法拉第麥克斯韋赫茲貝爾莫爾斯馬可尼法拉第麥克斯韋赫茲貝爾莫爾斯馬可尼法拉第麥克斯韋赫茲2000年前1831年1864年1888年1876年1895年1904年1919年1957年人們利用烽火臺來傳遞敵人的信息法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象麥克斯韋提出電磁波的存在貝爾發(fā)明電話赫茲證實電磁波的存在馬可尼發(fā)明無線電報佛萊銘發(fā)明真空管英國首次試行無線電廣播蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星通信發(fā)展簡史最古老的通信方式聲音通信：群居創(chuàng)造了語言，但傳遞距離很有限。烽火通信：為了使信息傳得更遠，利用光和煙等，建造烽火臺通報消息。Hello！第1階段：電磁波的發(fā)現(xiàn)11BYT.LUO1820年奧斯特

發(fā)現(xiàn)電流產生磁場1831年法拉蒂

發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象奇妙的電磁波安培楞次感應電流感應電動勢動磁場電流磁場各自獨立電場磁場第2階段：電磁波理論奇妙的電磁波無線電通信的奠基人麥克斯韋Maxwell（－1879）赫茲1864年1888年,德國人赫茲用這個火花產生電磁波的裝置，證明了人們懷疑與期待已久的電磁波存在。渦旋電場、位移電流預言電磁波存在這是二個波動方程

電磁場不再獨立BYT.LUO12電磁波理論1865年，麥克斯韋首次提出了他的關于電磁場的理論。在1873年，他發(fā)表了劃時代的著作——《電磁學研究》。它總結了前人所發(fā)現(xiàn)的的電磁現(xiàn)象，指出彼此之間的聯(lián)系，創(chuàng)立了完整的電磁場理論，特別是他用十個數(shù)學方程式歸納了所發(fā)現(xiàn)的電磁現(xiàn)象。他從所得的方程式中發(fā)現(xiàn)（預見）到有一種特殊的波存在，這種波是由電場和磁場的振動引起的，麥克斯韋把它稱做“電磁波”。麥克斯韋的理論:在某一點上任何電場的變化（即電場強度發(fā)生變化）都要在該點周圍空間產生磁場，而且電場變化越快，所產生的磁場強度也越大；同樣，某一點磁場強度的改變也必定在該點周圍空間產生出電場，而且磁場變化越快，產生的電場強度也強。1873年，德國物理學家赫茲用試驗第一次證明了電磁波的存在。他自制了一個能夠產生電磁振蕩的儀器，產生出電磁波，在離它三公尺的地方，赫茲用一個簡單的接受器接受到了這臺儀器發(fā)出的電磁波。于是全世界都相信電磁波的存在。麥克斯韋電磁波的實質電場（或磁場）的變化快慢直接影響到所產生的磁場（或電場）的強弱。當電場（或磁場）是均勻變化時由此而產生的磁場（或電場）的強度也是恒定不變的；當電場（或磁場）不均勻變化時，由此而產生的磁場（或電場）的強度也隨之發(fā)生改變。這樣就導致一個現(xiàn)象：電場生磁場，磁場生電場，所產生的電場又生產出新的磁場，新磁場又生產出新電場??????所以就有了“電磁場”的出現(xiàn)。電場強度磁場強度電磁波傳播方向XYZ電磁頻譜基礎知識電磁場理論告訴我們：交變電流在周圍空間會產生交變磁場，變化的電場和磁場是相互聯(lián)系著的；交變的電磁場能夠脫離其產生的波源向遠處傳播。這種在空間以一定速度傳播的交變電磁場，就稱為電磁波。電磁波每秒鐘內振動（變化）的次數(shù)稱為電磁波的頻率，國際單位制單位為Hz；每個周期內傳播的距離，稱為電磁波的波長，國際單位制單位為m；每秒鐘傳播的距離稱為電磁波的速度，國際單位制單位為m/s。S.F.LiBUPT15電磁頻譜基礎知識S.F.LiBUPT16動畫電磁頻譜基礎知識S.F.LiBUPT17平面電磁波向前傳播時，電場和磁場同步變化，電場方向發(fā)生改變時，磁場方向同時發(fā)生改變，而波的傳播方向不改變。某時刻平面電磁波的波形如圖所示。

電磁波根據頻率的不同可以劃分為很多形式，如無線電波、紅外線波、可見光波、紫外線波、X射線等，這些電磁波分別使用不同的頻率范圍。電磁頻譜就是這些不同頻率范圍的電磁波的總稱。表1-1列舉了一些常見的電磁波形式及其對應的頻率范圍。S.F.LiBUPT18各種電磁波的頻率范圍

7電磁頻譜劃分S.F.LiBUPT20電磁頻譜劃分

S.F.LiBUPT21電磁波譜劃分

S.F.LiBUPT22電磁波的整個實驗證明，不僅無線電波是電磁波，光、X射線、γ射線也都是電磁波。它們的區(qū)別僅在于頻率或波長有很大差別。光波的頻率比無線電波的頻率要高很多，光波的波長比無線電波的波長短很多；而X射線和γ射線的頻率則更高，波長則更短。為了對各種電磁波有個全面的了解，人們按照波長或頻率的順序把這些電磁波排列起來，這就是電磁頻譜（波譜）。S.F.LiBUPT23播放電磁頻譜歌無線電波是電磁波的一部分，其頻率小于3000GHz，但目前我國用頻裝備的使用頻率主要集中在300GHz以下，公眾通信主要在6GHz以下。無線電頻譜是全部無線電波頻率的總和，是電磁頻譜的一部分。S.F.LiBUPT24無線電頻譜的分類根據無線電波不同的頻率范圍和特性，將無線電頻譜進行分類。表1-2給出了無線電頻譜的分類情況。300~3000GHz頻段目前還沒有命名。S.F.LiBUPT25無線電頻譜分類及其名稱10甚高頻VHF30-300MHz米波10-1米（m）微波特高頻UHF300-3000MHz分米波10-1分米（dm）超高頻SHF3-30GHz厘米波10-1厘米（cm）極高頻EHF30-300GHz毫米波10-1毫米（mm）至高頻THF300-3000GHz亞毫米波1-0.1毫米（mm）或絲米波10-1絲米（dmm）S.F.LiBUPT27無線電頻譜分類及其名稱無線電頻譜基本屬性無線電頻譜作為一種自然資源，與土地、水、礦山、森林等自然資源一樣，屬國家所有?！吨腥A人民共和國物權法》第五章第五十條和《中華人民共和國無線電管理條例》第四條明確規(guī)定：“無線電頻譜資源屬于國家所有”。環(huán)境污染：水、氣、聲、噪、電磁環(huán)境。S.F.LiBUPT28無線電頻譜是一種特殊的自然資源。它的特性是：1）三維性

無線電頻譜具有空間、時間和頻率三維特性，2）有限性：盡管在不同的空間或時間可以重復使用同一頻率，但就某一頻段而言，它在一定區(qū)域、一定時間內可能是非常有限和緊張的，必須進行科學的管理。

S.F.LiBUPT29無線電頻譜的特性3）共享性：

無線電頻譜是一種共享性資源，任何國家和單位都不可能將其擁為己有。由于無線電波的傳播不受行政區(qū)域限制等特點，任何一個國家、地區(qū)或部門若隨意使用無線電頻譜，都可能干擾其他國家、地區(qū)或部門對頻率的使用，或者反過來受到來自其他國家、地區(qū)或部門的干擾，必須實施有規(guī)則管理。S.F.LiBUPT304）非耗竭性

無線電頻譜不同于土地、水、礦藏等非再生或一類再生資源，它可以反復利用而不被消耗。5）易受污染性

無線電頻譜易受到自然界噪聲和人為噪聲的干擾，需要實施保護性管理。

S.F.LiBUPT31無線電頻譜的特性由于無線電頻譜具有上述特性，因此用頻單位和個人必須按照國際電信聯(lián)盟《無線電規(guī)則》、《中華人民共和國無線電管理條例》及國家、軍隊無線電管理的相關規(guī)定依法使用無線電頻譜。各種用頻裝備都有其指定的工作頻段和具體工作頻率，如果擅自改變工作頻率、工作參數(shù)，不按照規(guī)定在非許可工作時間和工作空域進行發(fā)射，就可能會對其他軍用或民用設備造成無線電干擾。S.F.LiBUPT32無線電頻譜的特性目前我國用頻裝備的使用頻率主要集中在300GHz以下，亦就是說用頻裝備主要集中在無線電頻譜內使用，因此在當前及以后很長時間內，電磁頻譜管理的主體和重點仍然是無線電頻譜管理。S.F.LiBUPT33

無線電波波長為1m——30000m左右，換算成頻率：（10KHz~300000KHz）10000Hz——300000000Hz。公式：c（波速，單位：m/s）=λ（波長，單位：m）【電磁波譜】在空間傳播著的交變電磁場，（即電磁波）。它在真空中的傳播速度約為每秒30萬公里。無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線都是電磁波，不過它們的產生方式不盡相同，波長也不同，把它們按波長（或頻率）順序排列就構成了電磁波譜。S.F.LiBUPT34S.F.LiBUPT35無線電波頻（波）段的劃分波段名亞毫米波毫米波厘米波分米波超短波短波中波長波基長波特長波超長波極長波微波射頻波段波長λ0.1~1mm1~10mm1~10cm10~100cm1~10m10~100m100~1000m1~10km10~100km100~1000km10^3~10^4km10^4km以上頻率f3000~300GHz300~30GHz30~3GHz3000~300MHz300~30MHz30~3MHz3000~300kHz300~30kHz30~3kHz3000~300Hz300~30Hz30Hz以下頻段名至高頻極高頻超高頻特高頻甚高頻高頻中頻低頻甚低頻特低頻超低頻極低頻

S.F.LiBUPT36中波和短波用于無線電廣播和通信S.F.LiBUPT37微波用于電視和無線電定位技術（雷達）。公眾無線通信頻譜劃分GSMCDMAWCDMATD-SCDMATD-LTE等S.F.LiBUPT38中國移動、GSM900、DCS1800、TD-SCDMA；中國電信CDMA2000、PHS；中國聯(lián)通GSM900/DCS1800、WCDMA、PHS；WLAN頻譜劃分圖第7頁E-GSME-GSM上行下行公網頻譜情況—移動通信頻譜劃分情況28S.F.LiBUPT40頻率分配表運營商制式頻率（MHz）信道帶寬現(xiàn)用頻道備注UL_LUL_HDL_LDL_H雙工帶寬中國移動GSM900885909930954240.21-124Tx:CH(n)=890+n*0.2;Rx:CH(n)=935+n*0.2DCS18001710173518051830250.2512-885fl(n)=1710.2+(n-512)*0.2PCS19001850191019301990600.2512-810中國大陸沒有采用TD-SCDMABANDA1880192018801920401.6

5M3個頻點，共6個頻道。其中1900-1920為PHS頻段，要到2010年才退出。TD-SCDMABANDB2010202520102025151.610055/10063/10071/10088/10096/10104/10112/10120f=ch/5TD-SCDMABANDC23002400230024001001.6

S.F.LiBUPT41頻率分配表運營商制式頻率（MHz）信道帶寬現(xiàn)用頻道備注UL_LUL_HDL_LDL_H雙工帶寬中國聯(lián)通GSM90090991595496060.296-124

GSM1800(1710-1755)

18501860(1805-1880)

WCDMA1920198021102170605

單頻組網中國電信CDMA45045045646046661.25

CDMA450和CDMA1900俗稱大靈通CDMA800825835870880101.2537,201,283f=870+ch*0.03。其中37為EVDO，283為常用語音載波，201備用。PHS1900192019001920200.3

時分多址：一個幀長5ms,分8個時隙。前4個下行，后4個上行。時分雙工CDMA19001850191019301990601.25

1005010075f=1930+ch*0.05S.F.LiBUPT42頻率分配表運營商制式頻率（MHz）信道帶寬現(xiàn)用頻道備注UL_LUL_HDL_LDL_H雙工帶寬其他AM/FM

88108

下行FRS409

409

半雙工802.11b/g2.4122.4842.4122.484

51~14沒有“雙工”，采用握手方式，CSMA/CA802.11a/h/j5.0355.7455.0355.745

57~149

WiMax2.30452.396

有兩種雙工方式：TDD和FDD。工信部最新文件? 工信部無函【2012】403號《工業(yè)和信息化部關于同意TD-LTE擴大規(guī)模試驗使用頻率的批復》（2012年8月30日）–使用頻率及地點

2320-2370Mhz、2570-2620Mhz頻段：北京、天津、沈陽、上海、南京、杭州、廣州、廈門、青島和深圳。

其中，2320——2380MHz頻段僅限室內網絡使用1880-1900Mhz頻段：杭州、廣州和深圳–使用期限：至2013年8月31日S.F.LiBUPT38工信部最新文件? 工信部無【2012】436號《工業(yè)和信息化部關于國際移動通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃事宜的通知》（2012年9月20日）–2500-2690MHz頻段為時分雙工（TDD）方式的IMT系統(tǒng)工作頻率。–2300-2400MHz頻段的IMT系統(tǒng)主要限于室內使用，經協(xié)調批準后方可用于室外。S.F.LiBUPT39我國IMT頻率規(guī)劃和分配現(xiàn)狀我國為IMT（3G、LTE）系統(tǒng)規(guī)劃頻譜總計687MHz，其中，用于TDD系統(tǒng)的總帶寬為345MHz，用于FDD系統(tǒng)的總帶寬為342MHz。已分配307MHz頻率，具體情況見下表。S.F.LiBUPT45我國IMT頻率規(guī)劃和分配現(xiàn)狀S.F.LiBUPT46頻段（MHz）雙工方式分配及使用情況備注825-835/870-880FDD中國電信（用于CDMA）頻率帶寬分配情況如下：中國電信：50MHz中國移動：175MHz中國聯(lián)通：82MHz889-915/934-960FDD889-909/934-954MHz中國移動（用于GSM）909-915/954-960MHz中國聯(lián)通（用于GSM）1710-1785/1805-1880FDD1710-1735/1805-1830MHz中國移動（用于GSM）1735-1755/1830-1850MHz中國聯(lián)通（用于GSM）1755-1785/1850-188