主頁(yè)（http://www.130131.com）：【深度科普】無線電——世界因此相鄰

提起無線電，許多人或許覺得這是非常老舊的觀念，實(shí)際上，無線電在我們的生活中占據(jù)著非常重要的地位。當(dāng)前，無線電早已成為受眾最廣泛的大眾媒介。據(jù)工業(yè)和信息化部資料顯示，全球95%的人口都可以接收到無線電信號(hào)。在我們的生活中，無線電也無處不在，手機(jī)的使用、Wi-Fi的連接，看不見摸不著的無線電為人們的日常生活帶來諸多便利。但是由于無線電技術(shù)的復(fù)雜性，目前公眾對(duì)無線電知識(shí)還了解得不多，今天就讓我們一起走進(jìn)無線電的世界吧。

無線電的誕生之路

無線電的理論依據(jù)來自于英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論。德國(guó)物理學(xué)家赫茲在1887年首先通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電磁波的存在。世界上所有的物體都會(huì)釋放電磁波，比如光就是太陽釋放的電磁波。人體和小動(dòng)物釋放的紅外線，也屬于電磁波，這種電磁波雖然不被人眼所觀察到，但蛇卻擁有這項(xiàng)本領(lǐng)，并依靠其敏銳而獨(dú)特的感知能力在夜間捕獲獵物。這些在自由空間中傳播的電磁波便是物理學(xué)中講到的無線電，這種無線電不僅存在于空氣之中，還存在于真空之中，而人們通過無線電波傳播信號(hào)的技術(shù)便是無線電技術(shù)。

意大利發(fā)明家馬可尼被稱作“無線電通信之父”，因?yàn)樗�受到了赫茲�?shí)驗(yàn)的啟發(fā)，開始嘗試無線電傳輸，并于1894年獲得了幾米的傳輸距離。真正的標(biāo)志性事件出現(xiàn)在1901年12月12日，在這一天，經(jīng)過多次試驗(yàn)和長(zhǎng)期探索，馬可尼首次完成了橫渡大西洋的無線電通信，在美國(guó)也能收到英國(guó)發(fā)送的電訊。這則消息在當(dāng)時(shí)帶給人們極大地震撼，在人類的歷史上，想要快捷地傳遞消息一直以來是不變的夙愿和難解的問題，從中國(guó)古代的“烽火臺(tái)”到近代大航海，為追求更多交流，人們做出了許多努力。而自馬可尼的這一發(fā)明開始，人類的溝通邁入了新的時(shí)代，不必再依靠畜力的傳遞、信件的投送，無線電自此可以讓消息隨時(shí)傳遞到全世界去。

很快，馬可尼發(fā)明的無線電報(bào)不久便在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，在現(xiàn)實(shí)生活中，最早應(yīng)用無線電技術(shù)的是航海，當(dāng)時(shí)人們使用摩爾斯電報(bào)在船與陸地之間傳遞信息。許多國(guó)家的海岸、要塞都建立了馬可尼式的無線電臺(tái)。但它仍存在著很多缺點(diǎn)。首先，馬可尼發(fā)報(bào)機(jī)的振蕩線路和天線是結(jié)合在一起的，這使得發(fā)報(bào)機(jī)的功率很低；其次，馬可尼使用的無線通信是不能夠進(jìn)行調(diào)諧的，這使得其發(fā)射出的無線電波彼此很容易出現(xiàn)干擾；更令人煩惱的是馬可尼無線電報(bào)系統(tǒng)中缺乏性能可靠的電報(bào)接收裝置。

針對(duì)馬可尼電報(bào)設(shè)施的弊端，德國(guó)物理學(xué)家卡爾・費(fèi)迪南德・布勞恩進(jìn)行了改進(jìn)。他從1902年開始在英國(guó)工程師約瑟夫・洛奇的調(diào)諧粉末檢波器的基礎(chǔ)上發(fā)明了新的調(diào)諧技術(shù)，這使得無線電報(bào)可以以不同頻段定向發(fā)送和接收，降低了干擾，這種技術(shù)也是收音機(jī)的基礎(chǔ)。他還發(fā)明出磁耦合天線，將振蕩線路和天線獨(dú)立設(shè)計(jì)并使之耦合在一起，這種嶄新的設(shè)計(jì)使得無線電報(bào)的發(fā)射功率大大增強(qiáng)。1909年，諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)將當(dāng)年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給馬可尼和布勞恩，以感謝他們?yōu)槿祟悷o線電工程事業(yè)所作出的貢獻(xiàn)。

無線電技術(shù)的起步

在無線電技術(shù)剛剛起步的時(shí)候，我們常在舊電影中看到的摩爾斯電碼是一大“殺器”，曾經(jīng)每一個(gè)無線電通信員都必須熟練地掌握它。這是因?yàn)�，最早的無線電報(bào)能傳遞的消息非常有限，于是人們便嘗試用種時(shí)通時(shí)斷的信號(hào)代碼來代替消息，大名鼎鼎的摩爾斯電碼應(yīng)運(yùn)而生。在摩爾斯電碼中，有兩種信號(hào)，分別是短促的“・”和延時(shí)的“—”，人們可以通過不同的信號(hào)組合來表示不同的意思，如“·——”表示字母a，“—··”表示字母d。如此一來，在摩爾斯電碼的加持下，簡(jiǎn)單的符號(hào)也可以傳遞出一段有內(nèi)容、有意思的文字。雖然目前隨著技術(shù)的發(fā)展，摩爾斯電碼經(jīng)從日常生活中消失了。不過，由于這種發(fā)信方式可以在非常惡劣的通信條件下工作，而且信息密度很高，所以許多無線電愛好者和軍事播報(bào)員仍然會(huì)使用它。

無線電的出現(xiàn)還直接導(dǎo)致了廣播事業(yè)的誕生，在很大程度上，豐富了人們的生活。1920年，世界上第一次正式廣播在美國(guó)開始，后來其他許多國(guó)家的無線電廣播事業(yè)也都蓬勃發(fā)展了起來。

無線電技術(shù)的工作原理

為什么無線電技術(shù)可以傳播信息呢，有這樣一個(gè)非常典型的比喻形容了這個(gè)過程：當(dāng)你像平靜的湖面扔一塊石頭，水波會(huì)傳到很遠(yuǎn)的地方。假如這些水波可以記錄信息的話，那么隨著波紋的散去，信息也可以隨之傳播去遠(yuǎn)方。無線電波可以在自由空間（例如空氣和真空）中傳播，那么只要人類通過在特定頻率的無線電波上加載信息，那么就可以達(dá)到傳遞信息的目的。具體來說，這種技術(shù)的工作原理是存在于導(dǎo)體之中的電流強(qiáng)弱發(fā)生改變時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生無線電波。通過導(dǎo)體中的電流強(qiáng)弱發(fā)生改變產(chǎn)生無線電波這一現(xiàn)象，再經(jīng)過調(diào)制便可將信息加載于無線電波之上。當(dāng)通過空間傳播的電波到達(dá)收信端時(shí)，此時(shí)電波引起的電磁場(chǎng)變化又會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流，這時(shí)通過解調(diào)將信息從電流變化中提取出來，實(shí)現(xiàn)信息傳遞。

無線電技術(shù)的發(fā)展之路

雖然最初，無線電波只能傳送一些簡(jiǎn)單的“滴”聲，但是伴隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)無線電的研究逐漸深入，無線電被廣泛用于通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、加熱、動(dòng)力、遙距操控、天文學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。其中無線電在通信領(lǐng)域的應(yīng)用最為人們熟知，廣播、電話、電視、緊急服務(wù)(定位)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)仍谌藗兩�活中的�?yīng)用已經(jīng)非常普遍。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，各種基于無線傳輸技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)也越來越成為人們生活中重要的一部分。

無線電的發(fā)展史，在很大程度上就是人們對(duì)各波段進(jìn)行研究、運(yùn)用的歷史。人們對(duì)無線電的開發(fā)應(yīng)用大概經(jīng)歷了兩個(gè)階段：軟件無線電、認(rèn)知無線電。軟件定義的無線電是一種無線電廣播通信技術(shù)，它于20世紀(jì)90年代初被科學(xué)家正式提出。它的一大特點(diǎn)是基于軟件定義的無線通信協(xié)議而非通過硬連線實(shí)現(xiàn)。頻帶、空中接口協(xié)議和功能可通過軟件下載和更新來升級(jí)，而不用完全更換硬件。

經(jīng)過幾十年的推廣和全世界范圍的深入研究，軟件無線電概念不僅得到了普遍認(rèn)可，而且已獲得廣泛應(yīng)用。3G、4G、多頻段多模式電臺(tái)、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)都是以軟件無線電概念進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)的，甚至連完成單一功能的GPS也要進(jìn)行軟件化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展需要。

認(rèn)知無線電則是指包含一個(gè)智能收發(fā)器的一種無線通信技術(shù)，它于21世紀(jì)初被科學(xué)家提出，旨在提升空閑頻譜的利用率。認(rèn)知無線電中的智能收發(fā)器能檢測(cè)出哪些波段未被占用以及哪些波段正在被使用，當(dāng)檢測(cè)出某些波段空閑時(shí)，CR系統(tǒng)就可以暫時(shí)使用該波段進(jìn)行通信。認(rèn)知無線電可以感知周圍電磁環(huán)境，通過無線電知識(shí)描述語言(RKRL)與通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能交流，并實(shí)時(shí)調(diào)整傳輸參數(shù)（通信頻率、發(fā)射功率、調(diào)制方式、編碼體制等），使通信系統(tǒng)的無線電參數(shù)不僅與規(guī)則相適應(yīng)，而且能與環(huán)境相匹配，以達(dá)到無論何時(shí)何地都能實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的高可靠性和頻譜利用的高效性。

軟件無線電和認(rèn)知無線電兩者相比，前者關(guān)注的是采用軟件方式實(shí)現(xiàn)無線電系統(tǒng)信號(hào)的處理；而后者強(qiáng)調(diào)的是無線系統(tǒng)能夠感知傳播環(huán)境的變化，并據(jù)此調(diào)整系統(tǒng)工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳適配。從這個(gè)意義上講，認(rèn)知無線電是更高層次的概念，不僅包括信號(hào)處理，還包括根據(jù)相應(yīng)的任務(wù)、政策、規(guī)則和目標(biāo)進(jìn)行推理和規(guī)劃的高層活動(dòng)。

無線電通信的實(shí)現(xiàn)

100多年來，通信技術(shù)得到飛速發(fā)展，電報(bào)、電話、廣播、電視等通信技術(shù)的應(yīng)用，大大加快了現(xiàn)代生活的節(jié)奏，使古代人“順風(fēng)耳”“千里眼”的夢(mèng)想成了現(xiàn)實(shí)。

進(jìn)行無線電通信，需要發(fā)送和接收無線電波。天線是發(fā)射和接收無線電波的必要設(shè)備，我們經(jīng)�？梢钥吹礁鞣N天線。進(jìn)行無線電通信，首先要發(fā)射無線電波。無線電波發(fā)射機(jī)中有一個(gè)叫做振蕩器的重要部件，它能產(chǎn)生頻率很高的交變電流，高頻交變電流流經(jīng)天線時(shí)，在空間產(chǎn)生高頻率的電磁場(chǎng)。由于這個(gè)電磁場(chǎng)在做周期性的變化，在周圍又產(chǎn)生新的電磁場(chǎng)……于是，電磁波就發(fā)射出去了。

無線電廣播傳遞的是聲音，電視廣播傳遞的不僅有聲音，還有圖像。振蕩器產(chǎn)生的高頻交變電流，是用來攜帶聲音、圖像等信息的，叫做載波。把要傳遞的信息加到載波上并發(fā)射出去，信息就可以傳到遠(yuǎn)方。把信息加到載波上，就是使載波隨信號(hào)而改變，這種技術(shù)叫做調(diào)制。調(diào)制的方式有兩種，一種常見的是使高頻載波的振幅隨信號(hào)改變，這種方式叫做調(diào)幅(AM)。中波和短波波段的無線電廣播，使用的是調(diào)幅方式。在微波波段，電視廣播的圖像信號(hào)也使用調(diào)幅方式。另一種調(diào)制方式是使高頻載波的頻率隨信號(hào)改變，這種調(diào)制的方式叫做調(diào)頻(FM)。

調(diào)頻的振幅不變，抗干擾的能力比較強(qiáng)，傳遞過程中的失真比較小。但調(diào)頻接收機(jī)的結(jié)構(gòu)比調(diào)幅機(jī)復(fù)雜，服務(wù)半徑也比較小。我們熟悉的許多廣播電臺(tái)都屬于調(diào)頻廣播電臺(tái)，可以播送高質(zhì)量的音樂和語言節(jié)目。

世界上有許許多多電臺(tái)、電視臺(tái)，它們每時(shí)每刻都在發(fā)射電磁波。因此我們周存在著許許多多的電磁波。接收無線電廣播時(shí)，首先要從眾多的電磁波中把自己需要的選出來。我們轉(zhuǎn)動(dòng)收音機(jī)的旋鈕選擇電臺(tái)，實(shí)際上是在選擇我們需要的電磁波，這在技術(shù)上叫做調(diào)諧。經(jīng)過調(diào)諧，接收機(jī)得到的是帶有信息標(biāo)記的高頻電流。這種高頻信號(hào)電流，還不是所需的信號(hào)本身。要得到所需的聲音、圖像信息，必須從高頻信號(hào)電流中把它們“取”出來，這個(gè)過程叫做解調(diào)。通過解調(diào)得到的信號(hào)，還要經(jīng)過放大。如果傳遞的是聲音信息，可以使揚(yáng)聲器發(fā)出聲音;如果傳遞的是圖像信息，可以使顯像管顯示圖像。

無線電技術(shù)的應(yīng)用

在今天，我們的生活都離不開無線電，無線電的應(yīng)用形式越來越多樣化，其中不僅有無線數(shù)據(jù)網(wǎng)，還有各類移動(dòng)通信與無線電廣播等。

無線電最早的應(yīng)用就是在通信領(lǐng)域，人們可以借助無線電首次遠(yuǎn)距離傳遞信息。曾經(jīng)，在廣闊無垠的大海上，船只間傳遞信息困難重重，當(dāng)無線電技術(shù)問世后，便迅速應(yīng)用于航海領(lǐng)域，軍艦會(huì)用它來發(fā)布和接收指令、通報(bào)情況；民用船只也會(huì)用它來求援，或是傳遞其他信息。移動(dòng)電話是目前應(yīng)用最普遍的無線通信設(shè)備，只要在信號(hào)覆蓋的區(qū)域內(nèi)，人們就可以自由地通話。另外，無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙等技術(shù)，都是利用無線電技術(shù)在短距離傳輸數(shù)據(jù)。

無線電導(dǎo)航可以引導(dǎo)人們順利到達(dá)目的地。在這項(xiàng)技術(shù)中，衛(wèi)星可以用無線電波測(cè)定載具的導(dǎo)航參數(shù)(如方位和速度)，算出與預(yù)定路線的偏差，以便及時(shí)更正，保持正確的航線。如果持續(xù)這個(gè)過程，無線電就可以連續(xù)進(jìn)行定位，最終實(shí)現(xiàn)無線電導(dǎo)航。無線電導(dǎo)航不受時(shí)間和天氣限制，而且精度高、速度快操作簡(jiǎn)便�，F(xiàn)代無線通信技術(shù)更為發(fā)達(dá)，空間通信技術(shù)日趨成熟。在日常生活中，移動(dòng)通信已經(jīng)必不可少。移動(dòng)通信經(jīng)歷了1G（模擬）、2G（數(shù)字）、3G（高速）時(shí)代，目前已進(jìn)入5G時(shí)期。從3G時(shí)代開始，移動(dòng)通信真正將人們帶入多媒體移動(dòng)通信時(shí)代，網(wǎng)頁(yè)、音樂、圖片、視頻等都可以在智能手機(jī)上實(shí)現(xiàn)很好的客戶體驗(yàn)。

無線局域網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋、倉(cāng)儲(chǔ)管理、餐飲零售、視頻監(jiān)控等方面都有廣泛的應(yīng)用，在日常生活中WiFi熱點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識(shí)更是隨處可見。事實(shí)上WiFi是WLANA（無線局域網(wǎng)聯(lián)盟）的一個(gè)商標(biāo)，WiFi是WLAN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)，WiFi的覆蓋半徑可達(dá)300英尺左右（約合90m），WLAN（加天線）則可達(dá)到5km。

在信息技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)風(fēng)頭正勁，這一物物相連的網(wǎng)絡(luò)，將所有物體通過網(wǎng)絡(luò)連接起來。顯然如果通過有線網(wǎng)絡(luò)連接，此情景是不可想象的。物聯(lián)網(wǎng)用途廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護(hù)、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、老人護(hù)理、個(gè)人健康、花卉栽培、水系監(jiān)測(cè)、食品溯源、敵情偵察和情報(bào)搜集等多個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用前景非常廣闊。

無線電技術(shù)在今天

在現(xiàn)實(shí)生活中，無線電技術(shù)存在感也很高，聲音的傳播需要無線電，如無線電報(bào)、調(diào)幅廣播、調(diào)頻廣播、航海與航空中所使用的語音電臺(tái)等。電話、電視、緊急服務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸、藍(lán)牙、導(dǎo)航、雷達(dá)、加熱、動(dòng)力、天文學(xué)等領(lǐng)域也離不開無線電技術(shù)。

有人這樣總結(jié)無線電，說它是人們實(shí)現(xiàn)自由溝通的“立交橋”。隨著無線電通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，手機(jī)不僅滿足了人們隨時(shí)隨地自由通信的需要，還成為集通信、拍照、娛樂、理財(cái)、購(gòu)物等多功能于一身的個(gè)人智能移動(dòng)終端。早在2013年，就有數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)手機(jī)用戶數(shù)量突破了11億，位列世界第一。曾經(jīng)風(fēng)靡全國(guó)的尋呼機(jī)，用于調(diào)度指揮的對(duì)講機(jī)，用于短距離無線通信的藍(lán)牙，用于無線局域網(wǎng)的Wi-Fi以及衛(wèi)星電話，等等也都離不開無線電。公眾移動(dòng)通信已經(jīng)歷了5代演進(jìn)。從只需滿足人們?cè)谝苿?dòng)過程中打電話的需求到移動(dòng)通信(5G)的高速下載能力，無線電在其中發(fā)揮了重要作用。無線電還是豐富人們文化生活的“七彩虹”，廣播電視依靠無線電波，將每天發(fā)生在全球各地的新聞呈現(xiàn)在千里之外的我們面前。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國(guó)的廣播電視網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為世界最大的無線電廣播網(wǎng)絡(luò)。2013年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)就已經(jīng)表明：全國(guó)約有超過一半的家庭通過無線電視網(wǎng)收看電視，電視轉(zhuǎn)播發(fā)射臺(tái)超過1.5萬座，電視發(fā)射機(jī)突破3萬部�？梢哉f，我們今天便利的生活，是建立在無線電技術(shù)的應(yīng)用之上的。

重視無線電安全

長(zhǎng)久以來，無線電的安全問題也引發(fā)了人們的思考。以認(rèn)知無線電為例，它面對(duì)著五大安全威脅。第一，信息竊取。由于無線電通信的信息傳輸介質(zhì)是開放的空間，這便大大地降低了非法截獲通信信號(hào)的難度。而且由于信號(hào)的截獲是無源的行為，提高了通過信號(hào)偵測(cè)的方法來發(fā)現(xiàn)問題的難度。第二，惡意干擾。無線電接收天線處于開放的空間當(dāng)中，在接收有用信號(hào)的同時(shí)，也會(huì)受到空間中存在的各種無用信息的干擾。比如，某些惡意攻擊者可以任意地插入接收機(jī)的傳輸信道，降低接收機(jī)的輸入信噪比，影響到通信的有效性。另外，還會(huì)有一部分惡意攻擊者能夠通過模仿有用信號(hào)，使得接收機(jī)獲得錯(cuò)誤信息。第三，認(rèn)知用戶對(duì)于授權(quán)用戶的干擾。由于隱藏終端效應(yīng)等環(huán)境因素，會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知用戶對(duì)于主用戶的感知不準(zhǔn)確、不及時(shí)，授權(quán)用戶可能會(huì)受到干擾．造成用戶之間的不公平現(xiàn)象。第四，模仿授權(quán)用戶攻擊。在頻譜資源緊缺的情況之下，將有限的頻譜占為己有，在一些惡意的攻擊之中，還會(huì)破壞頻譜資源的可用性。第五，拒絕服務(wù)攻擊。在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，公共控制信道是節(jié)點(diǎn)之間傳輸頻譜感知信息的物理基礎(chǔ)。攻擊者通過發(fā)送大量無用的控制信息，使得控制信道飽和，造成控制信道對(duì)于其他認(rèn)知用戶不可用。同時(shí)，認(rèn)知無線電還面臨著一些其他的安全威脅。例如，攻擊者能夠利用應(yīng)用層各種協(xié)議的安全漏洞，通過病毒、木馬等惡意程序，來降低認(rèn)知無線電的服務(wù)質(zhì)量。

面對(duì)這些安全威脅，擴(kuò)頻通信技術(shù)是解決信息竊取以及干擾問題的一條有效途徑。擴(kuò)頻通信主要包括直擴(kuò)、跳頻等，其主要思想是通過擴(kuò)展通信信號(hào)的帶寬，來增強(qiáng)信號(hào)的隱蔽性與抗干擾能力。另外，更為嚴(yán)密的認(rèn)證機(jī)制，還可用于防止信息數(shù)據(jù)的泄露。合適的密碼算法能夠使通信信號(hào)即使被截獲，也無法為竊聽者提供其感興趣的信息。更好地辨別授權(quán)用戶信號(hào)，是防御模仿授權(quán)用戶攻擊的一個(gè)根本性方法。為此，可以同時(shí)利用除信號(hào)本身之外的物理特征進(jìn)行多維度的辨別。

為了提高人們對(duì)無線電重要性的認(rèn)識(shí)，宣傳無線電作為通信載體，在促進(jìn)教育發(fā)展、信息傳播以及自然災(zāi)害中重大信息發(fā)布等方面所發(fā)揮的重要作用。2011年11月3日，聯(lián)合國(guó)教科文組織決定將每年的2月13日定為“世界無線電日”。當(dāng)我們?cè)谙硎軣o線電技術(shù)帶來便利的同時(shí)，也要重視其安全。各種無線電業(yè)務(wù)在不同的頻率上“各行其道”。無線電管理機(jī)構(gòu)通過對(duì)這些“道路”進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃和管理，確保無線電波秩序的安全有序，為各類無線電業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行保駕護(hù)航。當(dāng)然，營(yíng)造和諧、綠色、安全的電磁環(huán)境也需要全社會(huì)的共同努力。

作者：程方潔