无线通信的基础知识-无线机制（1）

2023/12/27

INDEX - 无线机制（1）
1. 什么是无线通信？
2. 无线通信的用途事例
3. 无线通信系统的基本构成和要素
4. 无线通信的方式—调制和解调—
专栏——电波及其频率

INDEX - 无线机制（2）
5. 数据传输方向—双向（全双工/半双工）和单向—
6. 什么是通信协议？
专栏——无线通信的历史和演变

可以毫不夸张地说，手机、Wi-Fi、广播、交通IC卡、电视播放等现代社会的生活基础离不开通信技术的支持。这里的通信指的是使用电力的通信（电信），自从250多年前发明电信以来，它经历了各种技术创新，现在仍然在通过5G和物联网等，特别是数字化不断进步。
如上所述，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，因此很难对它全面掌握。例如，虽然有“信号形式（数字/模拟）”、“信号方向（双向/单向）”、“传输路径（有无电缆）”等技术方面的说明，但对与电信相关的内容进行全面说明的资料很少能看到。
因此，本文以无线通信为焦点，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。希望本文对那些想要大致了解或理解无线通信知识的人员能有所帮助。

注：本文尝试对无线通信的概要进行说明。因此，有些部分说明不足或被省略，但计划在今后逐步补充完整。

1. 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）^*1，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^*1传送（图1）。

*1 我们将如下考虑“数据”、“信息”和“信号”。
・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
今后，为了方便起见，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。

2. 无线通信的用途事例

表1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。无线通信应用于多种领域，其用途和种类非常广泛。
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。

表1 无线通信的分类及各自的用途
无线通信的分类	代表性用途
移动通信	手机
航空通信	电波高度计、航空交通管制雷达
卫星通信	卫星播放、GPS、气象观测
船舶通信	LF信标、MF/HF/VHF无线通信
广播通信	AM/FM无线电广播（音频）、电视播放（视频）
固定通信（微波通信）	市外电话中继、电视转播
无线网络通信	Bluetooth®、UWB、Wi-Fi、Wi-MAX、LPWA等

（表1的术语补充）
术语	说明
GPS（Global Positinoing System）	覆盖整个地球的卫星定位系统
LF（Low Frequency）	亦称长波。频率范围为30kHz-300kHz
MF（Medium Frequency）	亦称中波。频率范围为300kHz-3000kHz（3MHz）
HF（High Frequency）	亦称短波。频率范围为3MHz-30MHz
VHF（Very High Frequency）	亦称超短波。频率范围为30MHz-3000MHz（3GHz）
微波	亦称为SHF（Super Very High Frequency）。频率范围为3GHz-30GHz
AM（Amplitude Modulation）	也称为调幅。一种向远处传输模拟音频的通信技术。
FM（Frequency Modulation）	调频。与AM一样，也是一种音频通信技术。 <参考> FM广播的覆盖范围约为100公里， AM广播则超过了该距离，有时甚至可以覆盖到海外。然而，AM广播更容易受到噪音的影响。

3. 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）的基本模型构成如图2所示，其构成要素在表2中进行了说明。将该基本模型进一步简化后即如“1.什么是无线通信”中的图1所示。
如果将通过传输路径传输的数据称为信号，则将对该信号造成不利影响、并使需要传输的数据难以传输到接收器的不必要成分称为噪声（杂音）。实际上，发送器/接收器中也会产生噪声，并且可能会导致设备运行出现故障。换句话说，完全不受噪声影响的通信系统只是理想的通信系统。

表2 通信系统的基本模型构成要素
构成要素	说明
发送者	发送数据的人
数据	音频、文本、静态图像、视频等
发射器	将要通过传输路径传输的信息转换为信号的装置
传输路径（通信路径）	将信号从发送器传送到接收器的介质（在有线通信中，传输路径是电线或电缆）
接收器	将通过传输路径传来的信号转换为数据的装置
接收者	接收数据的人

4. 无线通信的方式—调制和解调—

基于图2中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。
在无线通信中，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。
表3总结了代表性的调制技术及其采用示例。其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。

表3 无线通信的调制技术和采用示例
代表性的调制技术		采用示例
模拟
AM (Amplitude modulation) 调幅		无线电（中波广播、短波广播）
FM (Frequency modulation) 调频		无线电（社区广播）第1代手机
数字
ASK (Amplitude shift keying) 幅移键控调制		RFID 远程无钥匙进入
PSK (Frequency shift keying) modulation 频移键控调制		RFID 远程无钥匙进入 Wi-SUN
PSK (Phase shift keying) modulation 相移键控调制		地面数字播放 BS播放第2/3/3.5代手机 WiGig（IEEE802.11ad） Zigbee Wi-SUN
APSK (Amplitude phase shift keying) modulation 幅相键控调制		BS8K播放 BS4K播放
SS (Spread spectrum) modulation 扩展频谱调制	DS (Direct Sequence)	第3代手机 Wi-Fi（IEEE802.11b/11g） WiGig（IEEEB02.11ad） Zigbee
	FH (Frequency Hopping)	Bluetooth®
	Chirp	LoRaWAN（LPWA）
QAM (Quadrature amplitube modulation) 正交振幅调制/正交相位调制		地面数字播放第4代/第5代手机 WiGig（IEEEB02.11ad）
UWB (Ultra wideband) modulation 超宽带调制		智能手机的位置检测
OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) modulation 正交频分复用调制		地面数字播放第4代/第5代手机 Wi-Fi（IEEE802.11b/11g） Wi-Fi 4（IEEE802.11n） Wi-Fi 5（IEEE802.11ac） Wi-Fi 6（IEEE802.11ax） WiGig（IEEEB02.11ad） Wi-SUN LTE-M/LTE-Cat.M1（LPWA） NB-IoT（LPWA）

专栏——电波及其频率

电波与运动和热一样，都是能量的一种形态，也被称为电磁波（实际上，光也是电磁波的一种）。根据日本的《电波法》和《国际电信公约》附带的《无线通信规则》，电波被定义为频率为3000GHz或更低的电磁波（我们将在稍后解释如何确定频率）。
这些电波是从无线设备发射的，但将它们实际可视化并不容易。因此，对于电波的产生和传播，我们借由正弦交流电通过金属等导体棒时发生的现象进行说明，以便您更加容易理解。

图4显示了无线电波此时的行进情况。实际上，电波是三维传播的，但这里我们重点关注沿着与导体垂直的方向传播的电波，以显示其传播情况。电场^*2和磁场^*2保持彼此为直角（正交），磁场的变化产生电场，电场的变化产生磁场，这种效果不断重复并作为正弦波振动进行传播。电波的主要性质如下所示。

［1］它是一种横波，相对于行进方向，电场和磁场的振幅（强度）进行垂直变化，并且电场和磁场也相互垂直地传播。
［2］传播速度与光速相同。
［3］电波没有介质（空气振动并以波的形式传播，传入人耳就会感觉到声音。此时将空气称为介质）。

尽管性质［3］与我们的日常感觉相去甚远，但目前认为即使在外层空间那样的真空中传播的电波也是由电场和磁场空间本身的振动而产生的。

顺便说一下，在本专栏的开头，我们指出了电波是频率为3000GHz或更低的电磁波。频率f（Hz）可以通过f = c/λ计算，其中的电波波长λ（m）如图4所示，c（3×10⁸ m/s）是光速。电磁波根据频率和波长分为几种类型（图5）。

*2 电场和磁场
电场是电力的作用空间，磁场是磁力的作用空间。图6是一张示意图，用箭头线分别表示了通过施加电压产生的电场的范围和磁体周围产生的磁场的范围。

［深度知识补充］
在向初学者解释电波时，经常会看到将磁场变化产生电场和电场变化产生磁场的现象单纯组合后的电波传播示意图（图7）。如果因与天线相关等而想认真学习电波，请勿按此示意图理解，而要按照图4中将电场和磁场的强度用箭头表示后的矢量—电场矢量^*3和磁场矢量^*3—的示意图来理解（图4中的示意图源自麦克斯韦方程式^*4）。如果按照此示意图理解，则BS播放中使用的电波会被说明为图4中的电场矢量一边向左或向右旋转一边以螺旋形状传播的圆偏振波的电波。

*3 电场矢量和磁场矢量
这两个矢量都是表示向右旋转和旋转速度的矢量（从这个意思上，它们也称为“旋转矢量”）。两者都不像速度矢量那样表示物体等某种事物的移动方向。