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1、 电磁环境电磁环境电磁频谱电磁频谱李书芳Tel. (010)62282138E-Mail: 几个基本概念1：物理n物理：事物的内在规律，事物的道理;n物理学（physics）：研究物质结构、物质相互作用和运动规律的自然科学。是一门以实验为基础的自然科学，物理学的一个永恒主题是寻找各种序（Orders）、对称性（Symmetry）和对称破缺（Symmetry-breaking）、守恒律（Conservationlaws）或不变性（Invariance）。n力学：经典力学、理论力学、电动力学、量子力学n热学：热力学、统计物理学n光学：几何光学、激光n电学：电磁学及电动力学2BYT.LUO百度百科搜
2、索“物理”：http:/ T. LUO4雷电通信系统：邮政通“信”系统5BYT.LUO广播通信系统6BYT.LUO广播电台信道信宿信宿信宿多址接入通信系统7BYT.LUO基站信道终端终端终端计算机通信系统/网络8BYT.LUO贝尔莫尔斯马可尼法拉第麦克斯韦赫兹贝尔莫尔斯马可尼法拉第麦克斯韦赫兹贝尔莫尔斯马可尼法拉第麦克斯韦赫兹贝尔莫尔斯马可尼法拉第麦克斯韦赫兹贝尔莫尔斯马可尼法拉第麦克斯韦赫兹贝尔莫尔斯马可尼法拉第麦克斯韦赫兹贝尔莫尔斯马可尼法拉第麦克斯韦赫兹贝尔莫尔斯马可尼法拉第麦克斯韦赫兹贝尔莫尔斯马可尼法拉第麦克斯韦赫兹贝尔莫尔斯马可尼法拉第麦克斯韦赫兹贝尔莫尔斯马可尼法拉第麦克斯韦赫兹
3、贝尔莫尔斯马可尼法拉第麦克斯韦赫兹贝尔莫尔斯马可尼法拉第麦克斯韦赫兹贝尔莫尔斯马可尼法拉第麦克斯韦赫兹2000年前1831年1864年1888年1876年1895年1904年1919年1957年人们利用烽火台来传递敌人的信息法拉第发现电磁感应现象麦克斯韦提出电磁波的存在贝尔发明电话赫兹证实电磁波的存在马可尼发明无线电报佛莱铭发明真空管英国首次试行无线电广播苏联发射第一颗人造卫星通信发展简史最古老的通信方式n声音通信：群居创造了语言，但传递距离很有限。n烽火通信：为了使信息传得更远，利用光和烟等，建造烽火台通报消息。Hello！第1阶段：电磁波的发现11BYT.LUO1820年 奥斯特 发现电流
4、产生磁场1831年 法拉蒂 发现电磁感应现象奇妙的电磁波安培楞次感应电流感应电动势动磁场电流磁场各自独立电场磁场第2阶段：电磁波理论奇妙的电磁波无线电通信的奠基人麦克斯韦Maxwell（1879）赫兹1864年1888年,德国人赫兹用这个火花产生电磁波的装置，证明了人们怀疑与期待已久的电磁波存在。涡旋电场、位移电流预言电磁波存在这是二个波动方程电磁场不再独立BYT.LUO12电磁波理论n1865年，麦克斯韦首次提出了他的关于电磁场的理论。在1873年，他发表了划时代的著作电磁学研究。它总结了前人所发现的的电磁现象，指出彼此之间的联系，创立了完整的电磁场理论，特别是他用十个数学方程式归纳了所发现
5、的电磁现象。他从所得的方程式中发现（预见）到有一种特殊的波存在，这种波是由电场和磁场的振动引起的，麦克斯韦把它称做“电磁波”。n麦克斯韦的理论:在某一点上任何电场的变化（即电场强度发生变化）都要在该点周围空间产生磁场，而且电场变化越快，所产生的磁场强度也越大；同样，某一点磁场强度的改变也必定在该点周围空间产生出电场，而且磁场变化越快，产生的电场强度也强。n1873年，德国物理学家赫兹用试验第一次证明了电磁波的存在。他自制了一个能够产生电磁振荡的仪器，产生出电磁波，在离它三公尺的地方，赫兹用一个简单的接受器接受到了这台仪器发出的电磁波。于是全世界都相信电磁波的存在。麦克斯韦电磁波的实质n电场（或
6、磁场）的变化快慢直接影响到所产生的磁场（或电场）的强弱。当电场（或磁场）是均匀变化时由此而产生的磁场（或电场）的强度也是恒定不变的；当电场（或磁场）不均匀变化时，由此而产生的磁场（或电场）的强度也随之发生改变。这样就导致一个现象：电场生磁场，磁场生电场，所产生的电场又生产出新的磁场，新磁场又生产出新电场所以就有了“电磁场”的出现。电场强度磁场强度电磁波传播方向XYZ电磁频谱基础知识n电磁场理论电磁场理论告诉我们：交变电流在周围空间告诉我们：交变电流在周围空间会产生交变磁场，变化的电场和磁场是相互联会产生交变磁场，变化的电场和磁场是相互联系着的；交变的电磁场能够脱离其产生的波源系着的；交变的电磁
7、场能够脱离其产生的波源向远处传播。这种在空间以一定速度传播的交向远处传播。这种在空间以一定速度传播的交变电磁场，就称为电磁波。电磁波每秒钟内振变电磁场，就称为电磁波。电磁波每秒钟内振动（变化）的次数称为电磁波的频率，国际单动（变化）的次数称为电磁波的频率，国际单位制单位为位制单位为Hz；每个周期内传播的距离，称为；每个周期内传播的距离，称为电磁波的波长，国际单位制单位为电磁波的波长，国际单位制单位为m；每秒钟；每秒钟传播的距离称为电磁波的速度，国际单位制单传播的距离称为电磁波的速度，国际单位制单位为位为m/s。S.F.LiBUPT15电磁频谱基础知识S.F.LiBUPT16动动画画电磁频谱基础
8、知识S.F.LiBUPT17平面电磁波向前传播时，电场和磁场同平面电磁波向前传播时，电场和磁场同步变化，电场方向发生改变时，磁场方步变化，电场方向发生改变时，磁场方向同时发生改变，而波的传播方向不改向同时发生改变，而波的传播方向不改变。变。某时刻平面电磁波的波形如图某时刻平面电磁波的波形如图所示。所示。电磁波根据频率的不同可以划分为很多形式，如无线电波、红外线波、可见光波、紫外线波、X射线等，这些电磁波分别使用不同的频率范围。电磁频谱就是这些不同频率范围的电磁波的总称。表1-1列举了一些常见的电磁波形式及其对应的频率范围。S.F.LiBUPT18各种电磁波的频率范围 7电磁频谱划分S.F.Li
9、BUPT20电磁频谱划分nS.F.LiBUPT21电磁波谱划分nS.F.LiBUPT22n电磁波的整个实验证明，不仅无线电波是电磁波，光、X射线、射线也都是电磁波。它们的区别仅在于频率或波长有很大差别。光波的频率比无线电波的频率要高很多，光波的波长比无线电波的波长短很多；而X射线和射线的频率则更高，波长则更短。为了对各种电磁波有个全面的了解，人们按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列起来，这就是电磁频谱（波谱）。S.F.LiBUPT23播放电磁频谱歌n无线电波是电磁波的一部分，其频率小于3000GHz，但目前我国用频装备的使用频率主要集中在300GHz以下，公众通信主要在6GHz以下。无线电频谱
10、是全部无线电波频率的总和，是电磁频谱的一部分。S.F.LiBUPT24无线电频谱的分类无线电频谱的分类n根据无线电波不同的频率范围和特性，将无线电频谱进行分类。表1-2给出了无线电频谱的分类情况。n3003000GHz频段目前还没有命名。S.F.LiBUPT25无线电频谱分类及其名称10甚高频甚高频VHF30-300MHz米波米波10-1米（米（m）微微波波特高频UHF300-3000MHz分米波10-1分米（dm）超高频SHF3-30GHz厘米波10-1厘米（cm）极高频EHF30-300GHz毫米波10-1毫米（mm）至高频THF300-3000GHz亚毫米波1-0.1毫米（mm）或丝米波
11、10-1丝米（dmm）S.F.LiBUPT27无线电频谱分类及其名称无线电频谱基本属性无线电频谱基本属性n无线电频谱作为一种自然资源，与土地、水、矿山、森林等自然资源一样，属国家所有。中华人民共和国物权法第五章第五十条和中华人民共和国无线电管理条例第四条明确规定：“无线电频谱资源属于国家所有”。n环境污染：水、气、声、噪、电磁环境。S.F.LiBUPT28无线电频谱是一种特殊的自然资源。它的特性是：n1）三维性无线电频谱具有空间、时间和频率三维特性，n2）有限性：尽管在不同的空间或时间可以重复使用同一频率，但就某一频段而言，它在一定区域、一定时间内可能是非常有限和紧张的，必须进行科学的管理。S
12、.F.LiBUPT29无线电频谱的特性n3）共享性：无线电频谱是一种共享性资源，任何国家和单位都不可能将其拥为己有。由于无线电波的传播不受行政区域限制等特点，任何一个国家、地区或部门若随意使用无线电频谱，都可能干扰其他国家、地区或部门对频率的使用，或者反过来受到来自其他国家、地区或部门的干扰，必须实施有规则管理。S.F.LiBUPT30n4）非耗竭性无线电频谱不同于土地、水、矿藏等非再生或一类再生资源，它可以反复利用而不被消耗。n5）易受污染性无线电频谱易受到自然界噪声和人为噪声的干扰，需要实施保护性管理。S.F.LiBUPT31无线电频谱的特性n由于无线电频谱具有上述特性，因此用频单位由于无
13、线电频谱具有上述特性，因此用频单位和个人必须按照国际电信联盟和个人必须按照国际电信联盟无线电规则无线电规则、中华人民共和国无线电管理条例中华人民共和国无线电管理条例及国家、及国家、军队无线电管理的相关规定依法使用无线电频军队无线电管理的相关规定依法使用无线电频谱。谱。各种用频装备都有其指定的工作频段和具体工作频率，如果擅自改变工作频率、工作参数，不按照规定在非许可工作时间和工作空域进行发射，就可能会对其他军用或民用设备造成无线电干扰。S.F.LiBUPT32无线电频谱的特性n目前我国用频装备的使用频率主要集中在300GHz以下，亦就是说用频装备主要集中在无线电频谱内使用，因此在当前及以后很长时
14、间内，电磁频谱管理的主体和重点仍然是无线电频谱管理。S.F.LiBUPT33nn无线电波无线电波波长为1m30000m左右，换算成频率频率：（10KHz300000KHz）10000Hz300000000Hz。公式：c（波速，单位：m/s）=（波长，单位：m）n【电磁波谱】在空间传播着的交变电磁场，（即电磁波）。它在真空中的传播速度约为每秒30万公里。无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线都是电磁波，不过它们的产生方式不尽相同，波长也不同，把它们按波长（或频率）顺序排列就构成了电磁波谱。S.F.LiBUPT34S.F.LiBUPT35无线电波频（波）段的划分无线电波频（波）段的划分波波
15、段段名名亚亚毫毫米米波波毫毫米米波波厘厘米米波波分分米米波波超超短短波波短短波波中中波波长长波波基基长长波波特特长长波波超超长长波波极极长长波波微波微波射频波段射频波段波波长长0.11mm110mm110cm10100cm110m10100m1001000m110km10100km1001000km103104km104km以上以上频频率率f3000300GHz30030GHz303GHz3000300MHz30030MHz303MHz3000300kHz30030kHz303kHz3000300Hz30030Hz30Hz以下以下频频段段名名至至高高频频极极高高频频超超高高频频特特高高频频甚甚
16、高高频频高高频频中中频频低低频频甚甚低低频频特特低低频频超超低低频频极极低低频频nS.F.LiBUPT36n中波和短波用于无线电广播和通信S.F.LiBUPT37微波用于电视和无线电定位技术（雷达）。公众无线通信频谱划分nGSMnCDMAnWCDMAnTD-SCDMAnTD-LTEn等S.F.LiBUPT38中国移动、GSM900、DCS1800、TD-SCDMA；中国电信CDMA2000、PHS；中国联通GSM900/DCS1800、WCDMA、PHS；WLAN频谱划分图第7 页E-GSME-GSM上行下行公网频谱情况移动通信频谱划分情况28S.F.LiBUPT40频率分配表运营商制式频率（
17、MHz）信道带宽现用频道备注UL_L UL_HDL_LDL_H双工带宽中国移动GSM900885909930954240.21-124Tx:CH(n)=890+n*0.2;Rx:CH(n)=935+n*0.2DCS18001710 173518051830250.2512-885fl(n)=1710.2+(n-512)*0.2PCS19001850 191019301990600.2512-810中国大陆没有采用TD-SCDMABANDA1880 192018801920401.65M3个频点，共6个频道。其中1900-1920为PHS频段，要到2010年才退出。TD-SCDMABANDB20
18、10 202520102025151.610055/10063/10071/10088/10096/10104/10112/10120f=ch/5TD-SCDMABANDC2300 2400230024001001.6S.F.LiBUPT41频率分配表运营商制式频率（MHz）信道带宽现用频道备注UL_LUL_HDL_LDL_H 双工带宽中国联通GSM90090991595496060.296-124GSM1800(1710-1755)18501860(1805-1880)WCDMA1920198021102170605单频组网中国电信CDMA45045045646046661.25CDMA45
19、0和CDMA1900俗称大灵通CDMA800825835870880101.25 37,201,283f=870+ch*0.03。其中37为EVDO，283为常用语音载波，201备用。PHS1900192019001920200.3时分多址：一个帧长5ms,分8个时隙。前4个下行，后4个上行。时分双工CDMA19001850191019301990601.251005010075f=1930+ch*0.05S.F.LiBUPT42频率分配表运营商制式频率（MHz）信道带宽现用频道备注UL_L UL_H DL_L DL_H双工带宽其他AM/FM88108下行FRS409409半双工802.11b
20、/g2.412 2.484 2.412 2.4845114没有“双工”，采用握手方式，CSMA/CA802.11a/h/j5.035 5.745 5.035 5.74557149WiMax2.30452.396有两种双工方式：TDD和FDD。工信部最新文件 工信部无函【2012】403号工业和信息化部关于工业和信息化部关于同意同意TD-LTE扩大规模试验使用频率的批复扩大规模试验使用频率的批复（2012年8月30日） 使用频率及地点 2320-2370Mhz、2570-2620Mhz频段：北京、天津、沈阳、上海、南京、杭州、广州、厦门、青岛和深圳。 其中，23202380MHz频段仅限室内网络
21、使用 1880-1900Mhz频段：杭州、广州和深圳 使用期限：至2013年8月31日S.F.LiBUPT38工信部最新文件 工信部无【2012】436号 工业和信息化部关于工业和信息化部关于国际移动通信系统频率规划事宜的通知国际移动通信系统频率规划事宜的通知（2012年9月20日） 2500-2690MHz频段为时分双工（TDD）方式的IMT系统工作频率。 2300-2400MHz频段的IMT系统主要限于室内使用，经协调批准后方可用于室外。S.F.LiBUPT39我国我国IMT频率规划和分配现状频率规划和分配现状n我国为IMT（3G、LTE）系统规划频谱总计687MHz，其中，用于TDD系统
22、的总带宽为345MHz，用于FDD系统的总带宽为342MHz。已分配307MHz频率，具体情况见下表。S.F.LiBUPT45我国我国IMT频率规划和分配现状频率规划和分配现状S.F.LiBUPT46频段频段（MHz）双工方式双工方式分配及使用情况分配及使用情况备注备注825-835/870-880FDD中国电信（用于CDMA）频率带宽分配情况如下：中国电信：50MHz中国移动：175MHz中国联通：82MHz889-915/934-960FDD889-909/934-954MHz中国移动（用于GSM）909-915/954-960MHz中国联通（用于GSM）1710-1785/1805-18
23、80FDD1710-1735/1805-1830MHz中国移动（用于GSM）1735-1755/1830-1850MHz中国联通（用于GSM）1755-1785/1850-1880MHz未分配频段频段（MHz）双工双工方式方式分配及使用情况分配及使用情况备注备注1880-1920TDD1880-1990MHz中国移动（用于TD-SCDMA）频率带宽分配情况如下：中国电信：50MHz中国移动：175MHz中国联通：82MHz1900-1920MHz未分配1920-1980/2110-2170FDD1920-1935/2110-2125MHz中国电信（尚未使用）1940-1955/2130-214
24、5中国联通（用于WCDMA）1935-1940/2125-2130MHz1955-1980/2145-2170MHz未分配2010-2025TDD中国移动（用于TD-SCDMA）2300-2400TDD2320-2370MHz中国移动（用于室内TD-SCDMA）2500-2690TDD未分配S.F.LiBUPT47BUPT48未来通信技术的发展主要围绕着：怎样提高频谱利用率展开怎样提高频谱利用率展开1.选题背景 更多的用户与业务更高的传输速率更好的业务质量更小的相互干扰大量的无线频谱资源无线频谱资源稀缺未来通信技术的发展趋势该课程学习的意义： BUPT491.选题背景 解决频谱稀缺的途径频谱探
25、测参数控制接入策略频谱行为认知无线电在时间、频率、空间上动态利用空闲的无线频谱资源意义 电磁环境电磁环境电磁频谱电磁频谱n故本课程针对北邮通信及信息类专业社会的需故本课程针对北邮通信及信息类专业社会的需求，围绕电磁频谱管理及无线网络规划与优化求，围绕电磁频谱管理及无线网络规划与优化中的理论基础进行讲述。中的理论基础进行讲述。n电磁电磁频谱的频谱的概念与国内外电磁频谱管理现状概念与国内外电磁频谱管理现状（2学时）学时）n通信系统基础知识（通信系统基础知识（2学时）学时）n常用无线电通信系统简介（常用无线电通信系统简介（4学时）学时）n无线网络优化基础及无线网络优化基础及常用电波传播模型（常用电波传播模型（2学学时）时）n电磁兼容基础知识（电磁兼容基础知识（4学时）学时）n电磁频谱监测方法（电磁频谱监测方法（2学时）学时）Sept.2006S.F.LiBUPT50作业n电磁波的概念及划分n电磁频谱的特性n移动、联通、电信频谱划分S.F.LiBUPT51
