李 丹，李 彬，謝 瑜

（1.新疆水利水電學(xué)校，新疆 烏魯木齊 830013；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830052）

在對(duì)電磁現(xiàn)象討論研究的過程中，電磁場(chǎng)的概念應(yīng)運(yùn)而生。電磁場(chǎng)最早由英國(guó)科學(xué)家提出，隨著研究的深入，電磁場(chǎng)的概念不斷完善，人們發(fā)現(xiàn)電和磁關(guān)系密切。在實(shí)驗(yàn)的過程中，在導(dǎo)體中放入導(dǎo)棒就會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電流，說明了二者之間關(guān)系密切。帶電物體產(chǎn)生的物理場(chǎng)就是電磁場(chǎng)，其具有相互聯(lián)系、依存的特點(diǎn)。電磁波的產(chǎn)生需要垂直和振蕩的電場(chǎng)以及電磁場(chǎng)，二者在波的狀態(tài)下移動(dòng)時(shí)，物體會(huì)有電磁波產(chǎn)生和釋放。在電子通信技術(shù)中，電磁波和電磁場(chǎng)發(fā)揮了十分重要的作用。尤其是電磁波的應(yīng)用十分廣泛，包括手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?，為人們的通信帶?lái)了極大的便利。其具有較高的應(yīng)用價(jià)值，需要更深入的研究和探索。

1 電磁場(chǎng)與電磁波在電子通信技術(shù)中的應(yīng)用

1.1 在微波通信技術(shù)中的應(yīng)用

在電磁波活動(dòng)的過程中，電磁場(chǎng)發(fā)揮著十分重要的作用。對(duì)于電磁波來(lái)說，微波是不可或缺的一部分，作為無(wú)線電波中的有限頻段之一，微波的頻率在300 MHz～300 GHz，也是一種電磁波[1]。在微波通信中，不論是電磁場(chǎng)還是電磁波都發(fā)揮著重要的作用。通常，無(wú)線電波的頻率沒有微波高，微波的穿透性更強(qiáng)，同時(shí)具有吸收功能。微波通常不會(huì)被玻璃、瓷器等材料吸收，所以該通信可以通過微波頻率加載各種信息，并且在空氣中光速傳播，通過無(wú)線電波使通信范圍擴(kuò)大。微波長(zhǎng)會(huì)受到限制，在空間傳輸?shù)倪^程中也會(huì)出現(xiàn)損耗。所以在外部環(huán)境的影響下，傳播范圍會(huì)明顯縮小，如果傳播距離在50 km 以上，則需要采用中繼站對(duì)微波進(jìn)行放大，確保其可以繼續(xù)傳輸?？梢?，中繼技術(shù)在微波傳輸中發(fā)揮著十分重要的作用。通過布設(shè)中繼站，可以擴(kuò)大微波通信的傳輸范圍，遠(yuǎn)至幾千千米也可以進(jìn)行傳輸，且保持通信質(zhì)量。所以，要做好中繼站的布設(shè)工作，在布設(shè)的過程中要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行施工，將布設(shè)距離控制在50 km 的范圍內(nèi)。如果通信系統(tǒng)規(guī)模較大，則需要較多的中繼站支持通信。除了中繼站外，微波傳輸?shù)倪^程中還需要終端站、分路站、樞紐站的支持，不同類型的微波站功能不同，所以需要匹配不同的設(shè)備。通常包括發(fā)信設(shè)備、天線饋線系統(tǒng)、監(jiān)控設(shè)備等。微波接力傳輸系統(tǒng)主要采用2 種中繼方式：第1 種，中繼站接收到信號(hào)之后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和調(diào)制，經(jīng)過放大后向下一站轉(zhuǎn)發(fā)；第2 種，中繼站接收到信號(hào)后，不需要解調(diào)和調(diào)制，直接變頻即可，經(jīng)過變頻轉(zhuǎn)換后放大，并且向下一站發(fā)射。

1.2 在衛(wèi)星通信技術(shù)中的應(yīng)用

雷達(dá)就是應(yīng)用電磁場(chǎng)技術(shù)開發(fā)出的通信設(shè)備，在二戰(zhàn)時(shí)期廣泛應(yīng)用，發(fā)揮了巨大的作用。隨著技術(shù)的發(fā)展以及研究的深入，通信衛(wèi)星（圖1）應(yīng)運(yùn)而生，通過電磁場(chǎng)和電磁波技術(shù)的應(yīng)用，可以更好地進(jìn)行衛(wèi)星通信。所謂衛(wèi)星通信，就是利用人造衛(wèi)星中轉(zhuǎn)站傳輸和轉(zhuǎn)換電磁信息，確保各個(gè)通信衛(wèi)星之間可以進(jìn)行電磁信息的無(wú)障礙傳輸。根據(jù)應(yīng)用范圍，我國(guó)通信衛(wèi)星主要可以分為3 種，分別是大氣通信站、地面通信站和海洋通信站[2]。衛(wèi)星通信可以和微波信息保持一致，所以衛(wèi)星通信的中轉(zhuǎn)站也可以用于中轉(zhuǎn)微波信息。此外，二者還有很多相似之處，包括需要中轉(zhuǎn)站的配合才能完成信號(hào)傳輸和轉(zhuǎn)換等。根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，通信衛(wèi)星可以分為多個(gè)種類。根據(jù)通信轉(zhuǎn)發(fā)器，可以分為無(wú)源通信衛(wèi)星和有源通信衛(wèi)星；根據(jù)運(yùn)行軌道，可以分為低軌道通信衛(wèi)星、中軌道通信衛(wèi)星和高軌道通信衛(wèi)星；根據(jù)姿態(tài)穩(wěn)定方式，可以分為自旋穩(wěn)定衛(wèi)星和三軸穩(wěn)定衛(wèi)星。此外，還包括單頻段衛(wèi)星、國(guó)際通信衛(wèi)星等。研究表明，衛(wèi)星通信的實(shí)現(xiàn)需要有電磁場(chǎng)、電磁波理論的支撐，該通信模式充分發(fā)揮了人造地球衛(wèi)星的作用，將衛(wèi)星作為中繼站，發(fā)射并轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電波。在這個(gè)過程中，需要各個(gè)空間站的相互配合。我國(guó)早在1972 年就建設(shè)了首個(gè)衛(wèi)星通信地球站，1984 年成功發(fā)射第一顆試驗(yàn)通信衛(wèi)星，隨后建立了5 個(gè)公用網(wǎng)地球站，為中央電視臺(tái)節(jié)目的傳輸提供技術(shù)支持。通過專用網(wǎng)的建設(shè)，很多行業(yè)的通信問題得到解決，包括電力、水利、交通和天然氣等。隨著技術(shù)的完善，衛(wèi)星電視廣播業(yè)務(wù)、衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)在不斷發(fā)展。今后會(huì)逐漸開發(fā)新頻段，促進(jìn)頻譜利用率的提升，從單一的C 頻段逐漸向Ku、Ka、L、S 等頻段發(fā)展；公用干線通信網(wǎng)也會(huì)逐漸向數(shù)字、寬帶、高速的方向發(fā)展，高速通信網(wǎng)的速率可以達(dá)到1 000 Mbit/s，同時(shí)利用SDH、ATM構(gòu)建國(guó)家信息高速公路，也就是天基寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字通信網(wǎng)。此外，還會(huì)逐漸向小型化、智能化VSAT 專用衛(wèi)星通信網(wǎng)的方向發(fā)展，業(yè)務(wù)也會(huì)不斷增多。星上交換、星上處理、多波束等技術(shù)不斷完善和廣泛應(yīng)用，進(jìn)一步提升衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的安全性、保密性，使電磁信息的傳遞、轉(zhuǎn)換更加便捷、迅速。

圖1 通信衛(wèi)星

1.3 在移動(dòng)通信技術(shù)中的應(yīng)用

在電子通信中，電磁場(chǎng)和電磁波也發(fā)揮著重要的作用，尤其在移動(dòng)通信中的廣泛應(yīng)用，為人們的生活和工作提供便利。早在1920 年，移動(dòng)通信就已經(jīng)被通信研究人員所重視，我國(guó)在20 世紀(jì)80 年代開始大規(guī)模應(yīng)用移動(dòng)通信，將1987 年建立的模擬蜂窩移動(dòng)作為基礎(chǔ)，構(gòu)建了移動(dòng)電話系統(tǒng)，但依舊依靠模擬技術(shù)、FDMA 技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)信息，也就是采用多頻管理技術(shù)。以該技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行研究，隨之產(chǎn)生了2G、3G 技術(shù)。在3G 技術(shù)成熟的同時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相互結(jié)合，無(wú)線頻率的應(yīng)用更加深入和廣泛。在3G 的基礎(chǔ)上，4G 技術(shù)發(fā)展而來(lái)，結(jié)合了寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使信號(hào)傳輸能力進(jìn)一步增強(qiáng)，從而在性能上有了極大的提升。4G 的傳輸速度更快，可以達(dá)到100 Mb/s，為移動(dòng)通信帶來(lái)了巨大的改變。目前，5G 時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，作為全新的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，5G 既要解決人與人通信的需求，還要為用戶提供虛擬現(xiàn)實(shí)、3D 視頻、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等可以讓用戶感到身臨其境的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，從而解決人與物、物與物之間的通信問題，滿足不同行業(yè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的需求，包括移動(dòng)醫(yī)療、智能家居和工業(yè)控制等[3]。5G 的峰值速率應(yīng)該達(dá)到10～20 Gbit/s，這樣才能滿足大數(shù)據(jù)量的傳輸需求?？罩薪涌诘臅r(shí)延應(yīng)該在1 ms 以內(nèi)，具備百萬(wàn)連接的能力，滿足物聯(lián)網(wǎng)通信需求。在連續(xù)廣域覆蓋、高移動(dòng)性的情況下，速率依舊要達(dá)到100 Mbit/s。流量密度應(yīng)該超過10 Mbps/m2，移動(dòng)性支持能力應(yīng)該達(dá)到500 km/h。5G主要用于滿足物聯(lián)網(wǎng)的使用需求，以MIMO、OFDMA 技術(shù)為基礎(chǔ)，支持三大應(yīng)用場(chǎng)景，系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活。在頻段方面，4G 支持中低頻，但此類資源有限，所以5G 可以在中低頻、高頻段使用，中低頻可以滿足覆蓋、容量的要求；高頻則可以滿足容量提升的要求。針對(duì)中低頻，該技術(shù)采用了統(tǒng)一的解決方案，支持MHz 的基礎(chǔ)帶寬。為了滿足高速率傳輸、擴(kuò)大覆蓋的需求，采用了LDPC、Polar新型信道編碼方案等技術(shù)，具有可靠性高、時(shí)延低、反饋快速等特點(diǎn)。5G 的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，包括工業(yè)領(lǐng)域、自動(dòng)駕駛、能源領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域等。在電磁波譜的范圍中，通信采用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光波的頻譜。可見光為納米波，而5G 為厘米波到毫米波的范圍，初始頻段為3.3～3.6 GHz、4.8～5 GHz 兩個(gè)頻段，都為中頻段。5G 采用微基站，具有小巧、覆蓋范圍廣、數(shù)量多的特點(diǎn)。5G 站點(diǎn)組成如圖2 所示。

圖2 5G 站點(diǎn)組成

2 電子通信中出現(xiàn)的干擾問題

在電子通信的過程中，難免會(huì)受到各種干擾和影響，如果出現(xiàn)通信故障，則需要對(duì)硬件使用情況進(jìn)行分析，比較常見的問題就是傳輸媒介與設(shè)備故障問題。技術(shù)管理人員要先明確故障范圍，然后分析故障產(chǎn)生的主要原因。在通信系統(tǒng)中，可以采用WEP 協(xié)議，該協(xié)議具有加密管理各個(gè)設(shè)備通信數(shù)據(jù)的作用，可以避免數(shù)據(jù)信息被竊取。但在使用過程中存在一些問題，如果網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，則設(shè)備無(wú)法通過服務(wù)器獲取IP 地址，造成網(wǎng)絡(luò)無(wú)法連接[4]。所以，相同地區(qū)采用的通信設(shè)備往往不同，不同設(shè)備之間會(huì)產(chǎn)生各種干擾問題。如果設(shè)備之間干擾較大，則會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。所以，應(yīng)該嚴(yán)格控制干擾源發(fā)射信號(hào)頻率，對(duì)干擾要素進(jìn)行有效控制，然后采用調(diào)頻技術(shù)、擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。針對(duì)干擾問題，要根據(jù)不同的干擾類型采取不同的措施。對(duì)于信號(hào)干擾，要先明確干擾因素，然后強(qiáng)化信號(hào)的穿透能力。以5G 通信來(lái)說，針對(duì)電磁干擾問題，首先了解電磁干擾噪聲耦合進(jìn)或耦合出芯片的途徑，從源頭、耦合路徑、易感設(shè)備幾個(gè)方面入手。采用人工電磁超表面技術(shù)，不僅保障天線罩的結(jié)構(gòu)韌性，同時(shí)提升電磁特性，可以滿足抗干擾的需求。

電子通信干擾并不只是通信中的問題，也可以作為防止網(wǎng)絡(luò)竊取信息的一種手段。例如，俄羅斯馬斯科姆公司研制了一種新型電子干擾系統(tǒng)，可以對(duì)地方通信波段進(jìn)行壓制和干擾，使地方無(wú)法利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行情報(bào)的竊取和傳輸。采用“阿巴特”系統(tǒng)，可以將7 臺(tái)大小相同的干擾裝置串聯(lián)在一起，然后覆蓋范圍中所有無(wú)線通信波段。經(jīng)過測(cè)試，該系統(tǒng)采用不同的配置，可以阻斷辦公室、辦公樓甚至半徑250 m 內(nèi)的所有通信網(wǎng)絡(luò)，可見其使用效果明顯。隨著技術(shù)的發(fā)展，該系統(tǒng)對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)情報(bào)竊取也有一定的遏制作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在電子通信技術(shù)發(fā)展和研究的過程中，電磁場(chǎng)和電磁波發(fā)揮了十分重要的作用。以這兩項(xiàng)技術(shù)學(xué)科為基礎(chǔ)，對(duì)微波通信、衛(wèi)星通信和移動(dòng)通信進(jìn)行深入的研究，同時(shí)分析干擾通信的主要原因，并且采取有效的改進(jìn)對(duì)策，促進(jìn)通信質(zhì)量的提升。