电磁频谱基础

电磁环境——电磁频谱李书芳Tel.(010)62282138E-Mail:lisf@几个基本概念1：物理物理：事物的内在规律，事物的道理;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）。力学：经典力学、理论力学、电动力学、量子力学热学：热力学、统计物理学光学：几何光学、激光电学：电磁学及电动力学2BYT.LUO百度百科搜索“物理”：/view/2505.htm几个基本概念1：信息与通信通信（communication）：按照达成的协议，信息在人、地点、进程和机器之间进行的传送。通信（Telecommunication）：通信是以语言、图像、数据为媒体，通过电(光)信号将信息由一方传输到另一方，以实现信息的远距离传输与交换。通信技术是一种产业，它生产的是一种信息在空间转移的效应。信息（Information）：信息是要表示和传送的对象（内容）。消息（Message）：消息是表示信息的媒体，象语言、文字、图象、符号、声音等。信号（Signal）：信号是消息的承载者，常常由消息变换而来，它是与消息对应的某种物理量，通常是时间的函数，例如随着时间变化的电压（电流）。3BYT.LUO百度百科搜索“通信”：/view/15007.htm生活中熟悉的通信系统4BYT.LUO无线广播移动通信移动电视电视广播雷达辐射卫星广播微波炉通信系统？BYT.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声音通信：群居创造了语言，但传递距离很有限。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1865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”。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。1873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电场（或磁场）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电磁频谱基础知识电磁场理论告诉我们：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系着的；交变的电磁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，国际单位制单位为Hz；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m；每秒钟传播的距离称为电磁波的速度，国际单位制单位为m/s。S.F.LiBUPT15电磁频谱基础知识S.F.LiBUPT16动画电磁频谱基础知识S.F.LiBUPT17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，磁场方向同时发生改变，而波的传播方向不改变。某时刻平面电磁波的波形如图所示。

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.LiBUPT20电磁频谱划分

S.F.LiBUPT21电磁波谱划分

S.F.LiBUPT22电磁波的整个实验证明，不仅无线电波是电磁波，光、X射线、γ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γ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。300~3000GHz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VHF30-300MHz米波10-1米（m）微波特高频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”。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：1）三维性

无线电频谱具有空间、时间和频率三维特性，2）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.F.LiBUPT29无线电频谱的特性3）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.LiBUPT304）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。5）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无线电频谱的特性由于无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《无线电规则》、《中华人民共和国无线电管理条例》及国家、军队无线电管理的相关规定依法使用无线电频谱。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.LiBUPT33

无线电波波长为1m——30000m左右，换算成频率：（10KHz~300000KHz）10000Hz——300000000Hz。公式：c（波速，单位：m/s）=λ（波长，单位：m）【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、γ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）段的划分波段名亚毫米波毫米波厘米波分米波超短波短波中波长波基长波特长波超长波极长波微波射频波段波长λ0.1~1mm1~10mm1~10cm10~100cm1~10m10~100m100~1000m1~10km10~100km100~1000km10^3~10^4km10^4km以上频率f3000~300GHz300~30GHz30~3GHz3000~300MHz300~30MHz30~3MHz3000~300kHz300~30kHz30~3kHz3000~300Hz300~30Hz30Hz以下频段名至高频极高频超高频特高频甚高频高频中频低频甚低频特低频超低频极低频

S.F.LiBUPT36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GSMCDMAWCDMATD-SCDMATD-LTE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（MHz）信道带宽现用频道备注UL_LUL_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*0.2DCS18001710173518051830250.2512-885fl(n)=1710.2+(n-512)*0.2PCS19001850191019301990600.2512-810中国大陆没有采用TD-SCDMABANDA1880192018801920401.6

5M3个频点，共6个频道。其中1900-1920为PHS频段，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GSM90090991595496060.296-124

GSM1800(1710-1755)

18501860(1805-1880)

WCDMA1920198021102170605

单频组网中国电信CDMA45045045646046661.25

CDMA450和CDMA1900俗称大灵通CDMA800825835870880101.2537,201,283f=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CDMA19001850191019301990601.25

1005010075f=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_LUL_HDL_LDL_H双工带宽其他AM/FM

88108

下行FRS409

409

半双工802.11b/g2.4122.4842.4122.484

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

57~149

WiMax2.30452.396

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同意TD-LTE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，2320——2380MHz频段仅限室内网络使用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IMT频率规划和分配现状我国为IMT（3G、LTE）系统规划频谱总计687MHz，其中，用于TDD系统的总带宽为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IMT频率规划和分配现状S.F.LiBUPT46频段（MHz）双工方式分配及使用情况备注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）1710-1785/1805-1880FDD1710-1735/1805-1830MHz中国移动（用于GSM）1735-1755/1830-1850MHz中国联通（用于GSM）1755-1785/1850-188