无线通讯原理

无线通信原理-简介

 

与有线传输相比,无线传输有很多优点。 也许最重要的是,它更加灵活。 无线信号可以从一个发射器发送到多个接收器,无需电缆。 所有的无线信号都是伴随着电磁波在空气中传输的,电磁波是由电子部分和能量部分组成的能量波。

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在无线通信中,频谱包括 9khz 到 300,000Ghz 之间的频率。 每个无线服务都与特定的无线频谱区域相关联。 无线信号也源自沿着导体传播的电流。 电子信号从发射器传输到天线,然后天线将信号以一系列电磁波的形式发射到空气中。

信号通过空气传播,直到到达目标位置。 在目标位置,另一个天线接收信号,接收器将其转换回电流。 需要天线来接收和发射信号,天线分为全向天线和定向天线。 由于信号传播过程中反射、衍射和散射的影响,无线信号会沿着许多不同的路径到达目的地,形成多径信号。

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图1 无线通信无处不在

无线通信原理-基本原理

无线通信是利用无线电信号可以在自由空间传播的特性来交换信息的通信方式。 在移动过程中实现的无线通信也俗称移动通信,人们将两者统称为无线移动通信。 简单来说,无线通信是一种仅利用电磁波而不使用电缆的通信方式。

1.无线频谱

所有的无线信号都是伴随着电磁波在空气中传输的,电磁波是由电子部分和能量部分组成的能量波。 声音和光是电磁波的两个例子。 无线频谱中的电波(即用于广播、手机和卫星传输的电波)既不可见也不可听——至少在接收器对其进行解码之前是这样。

“无线频谱”是用于长距离通信的不同频率和波长的电磁波的连续体。 无线频谱包括 9khz 到 300,000Ghz 之间的频率。 每个无线服务都与特定的无线频谱区域相关联。 例如,AM 广播涉及无线通信频谱低端的频率,使用 535 至 1605khz 之间的频率。

无线频谱是整个电磁频谱的子集。 自然界中也存在较高和较低频率的电磁波,但它们不用于长距离通信。 低于 9kz 的频率用于特殊应用,例如野生动物跟踪或车库门打开和关闭。 频率高于 300 000Ghz 的电磁波是人类可见的,因此它们不能用于空中通信。 例如,我们将频率为428570Ghz的电磁波识别为红色。 图 2 显示了整个电磁频谱。

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图2 电磁频谱

当然,通过空中传播的信号不一定留在一个国家内。 因此,世界各国就无线电信标准达成一致非常重要。 国际电联是决定国际无线服务标准的管理组织,包括无线电设备的频率分配、信号传输和使用的协议、无线传输和接收设备、卫星轨道等。如果政府和企业不遵守国际电联的标准,无线设备可能无法在其制造国之外使用。

2、无线传输的特点

虽然有线和无线信号有许多相似之处(例如,包括协议和编码的使用),但空气的性质使得无线传输与有线传输有很大不同。 当工程师谈论无线传输时,他们谈论的是空气作为“非引导介质”。 由于空气没有为信号提供固定的路径,因此信号的传输是无引导的。

就像有线信号一样,无线信号源自沿着导体传播的电流。 电子信号从发射器传输到天线,然后天线将信号以一系列电磁波的形式发射到空气中。 信号通过空气传播,直到到达目标位置。 在目标位置,另一个天线接收信号,接收器将其转换回电流。 图 3 显示了此过程。

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图3 无线发送和接收

请注意,无线信号的发送端和接收端均使用天线,为了交换信息,连接到每个天线的收发器必须调谐到相同的频率。

3. 天线

每项无线服务都需要专门设计的天线。 服务的规格决定了天线的功率输出、频率和辐射方向图。 天线的“辐射方向图”描述了天线发送或接收的所有电磁能量在三维区域上的相对长度。 “定向天线”沿单个方向发送无线电信号。 当源需要与目标位置通信(例如在点对点连接中)时,使用这种类型的天线。 当多个接收节点排列成一条线时,也可以使用定向天线。 或者,当在一定距离上保持信号强度比覆盖更广泛的地理区域更重要时,可以使用它,因为天线可以使用其能量向更多方向发送信号,并且还可以在一个方向上发送更长时间。 距离。 使用定向天线的无线服务的一些示例包括卫星下行链路和上行链路、无线 LAN 以及太空、海洋和航空导弹。 图4所示为定向天线的辐射图。

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图4 定向天线辐射图

相比之下,“全向天线”在各个方向上以相同的强度和清晰度发送和接收无线信号。 当许多不同的接收器必须能够获取信号,或者当接收器的位置高度可变时,使用这种类型的天线。 电视台和广播电台使用全向天线,大多数传输移动电话的信号塔也是如此。 图 5 显示了全向天线的辐射方向图。

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图5 全向天线辐射方向图

无线信号传输的一个重要考虑因素是天线可以承载信号的距离,同时信号强度仍足以被接收器清楚地解释。 无线传输的一个简单原理是,较强的信号比较弱的信号传播得更远。

正确的天线放置对于确保无线系统的最佳性能也非常重要。 用于远距离信号传输的天线通常安装在塔上或高层建筑的顶部。 从高空发射信号可以确保更少的障碍物和更好的信号接收。

4. 信号传播

在理想的世界中,无线信号直接从发射器沿直线传输到预期的接收器。 这种类型的传播称为视距(LOS),它使用很少的能量并且可以接收非常清晰的信号。 然而,由于空气是一种非引导介质,并且发射器和接收器之间的路径不是很清晰,因此无线信号通常不会沿直线传播。 当障碍物阻挡信号路径时,信号可能绕过物体、被物体吸收,或者可能发生以下任何现象:发射、衍射或散射。 物体的几何形状决定了这三种现象中的哪一种会发生。

(1)反射、衍射和散射

无线信号传输中的“反射”与其他电磁波(例如光或声音)的反射没有什么不同。 波遇到障碍物并反射(或反弹)回到其源头。 无线信号会从大于信号平均波长的物体上反射。 例如,考虑微波炉。 由于微波的平均波长小于1毫米,一旦发出微波,就会在微波炉内壁(通常至少15厘米长)上反射。 究竟哪些物体会引起无线信号反射取决于信号的波长。 在无线局域网中,可能使用波长在1米到10米之间的信号,因此这些物体包括墙壁、地板、天花板和地面。

在“衍射”过程中,无线信号遇到障碍物时会分解成次级波。 次级波继续沿其分解的方向传播。 如果你能看到衍射的无线电信号,你会看到它们在障碍物周围弯曲。 具有锐利边缘的物体(包括墙壁和桌角)可能会引起衍射。

“散射”是指信号向许多不同方向传播或反射。 当无线信号遇到尺寸小于信号波长的物体时,就会发生散射。 散射还与无线信号遇到的表面的粗糙度有关。 表面也很粗糙,信号遇到表面时更容易发生散射。 室外,树木和路标会导致手机信号散射。

此外,环境条件(如雾、雨、雪)也可能引起反射、散射和衍射

(2)多径信号

由于反射、衍射和散射的影响,无线信号会沿着许多不同的路径到达目的地。 这种信号被称为“多径信号”。 多径信号的产生并不取决于信号的发送方式。 它们可以从源沿多个方向以相等的强度辐射,或者它们可以主要从源的一个方向辐射。 然而,信号一旦发出,由于反射、衍射和散射的影响,它们将沿着许多路径传播。 图 6 显示了这三个信号引起的多径信号。

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图6 多径信号

无线信号的多路径特性既是优点也是缺点。 一方面,由于信号会被障碍物反射,因此他们更有可能到达目的地。 在办公楼等环境中,无线服务依赖于墙壁、天花板、地板和家具反射的信号最终到达目的地。

多径信号传输的缺点是,由于其路径不同,多径信号在发射机和接收机之间传播的距离不同。 因此,同一信号的多个实例将在不同时间到达接收器,从而导致衰落和延迟。

5. 窄带、宽带和扩频信号

传输技术根据其信号使用的无线频谱部分的大小而变化。 一个重要的区别是无线使用窄带还是宽带信号。 在“窄带”中,发射机将信号能量集中在单个频率或非常小的频率范围上。 与窄带相反,“宽带”是指使用相对较宽的无线频谱带宽的信号传输方法。

使用多个频率来传输信号称为扩频技术。 换句话说,在传输过程中,信号永远不会连续停留在一个频率范围内。 在更宽的频带上传播信号的一个后果是,与窄带信号传输相比,它在每个频率上需要的功率更少。 信号强度的这种分布使得扩频信号不太可能干扰在相同频带上传输的窄带信号。

将信号传播到多个频率的另一个结果是提高了安全性。 由于信号是根据只有授权的发射机和接收机才知道的序列来分发的,因此未经授权的接收机更难以捕获和解码。

扩频的一种具体实现是跳频扩频(FHSS)。 在 FHSS 传输中,信号在频带内的几个不同频率之间跳跃,并且具有信道的接收器和发射器已知的相同同步模式。 另一种类型的扩频信号称为“直接序列扩频”(DSSS)。 在 DSSS 中,信号的比特同时分布在整个频带上。 每个比特都经过编码,以便接收器在接收到这些比特时可以重建原始信号。

6.固定式和移动式

每种类型的无线通信都属于两类之一:固定或移动。 在“固定”无线系统中,发射器和接收器的位置不会改变。 发射天线将其能量引导到接收天线,因此有更多的能量可用于信号。 对于必须跨越长距离或困难地形的情况,固定无线连接比铺设电缆更经济。

然而,并非所有通信都适合固定无线。 例如,移动用户无法使用要求他们留在一个位置才能接收信号的服务。 相反,移动电话、寻呼、无线 LAN 和许多其他服务都使用“移动”无线系统。 在移动无线系统中,接收器可以位于发射器指定范围内的任何位置。 这允许接收器从一个位置移动到另一个位置,同时仍然接收信号。

无线通信原理-发展现状

1. 分类

无线通信主要包括微波通信和卫星通信。 微波是无线电波的一种,一般只能传播数十公里。 然而微波具有很宽的频带和很大的通信容量。 微波通信需要每隔几十公里建设一个微波中继站。 卫星通信利用通信卫星作为中继站,在地面两个或多个地球站之间或移动体之间建立微波通信链路。

2、热点技术

(1)4G

第四代手机通信标准是指第四代移动通信技术,外文缩写:4G。 该技术包括两个标准:TD-LTE和FDD-LTE(严格来说,LTE只是3.9G,虽然被宣传为4G无线标准,但实际上并没有被3GPP承认为下一代无线标准)国际电信联盟。通信标准是IMT-Advanced,所以严格意义上还没有达到4G标准,只有LTE Advanced的升级版本才符合国际电信联盟对4G的要求)。 4G融合了3G和WLAN,可以快速传输数据、高质量、音频、视频和图像。 4G可以以超过100Mbps的速度下载,比目前家庭宽带ADSL(4Mbps)快25倍,可以满足几乎所有用户对无线服务的要求。 此外,4G 可以部署在 DSL 和电缆调制解调器没有覆盖的地方,然后扩展到整个区域。 显然,4G具有无可比拟的优势。

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图7 4G迅速普及

(2)ZigBee技术

ZigBee 技术主要应用于无线个域网(WPAN)。 它是基于IEE802.15.4无线标准开发的。 它是介于RFID和蓝牙技术之间的技术方案。 主要用于短距离,数据传输速率不高。 各种电子设备之间。 ZigBee协议比蓝牙、高速个域网或802.11x无线局域网使用起来更简单,可以认为是蓝牙的兄弟。

(3)WLAN和WiFi/WAPI

WLAN(Wireless LAN)是一种利用无线技术取代以往有线布线方式形成局域网的新手段。 它可以提供传统有线局域网的全部功能,是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。 它是通用无线接入的一个子集,支持更高的传输速率(2Mb/s ~ 54Mb/s 甚至更高),使用射频或红外线,借助直接序列扩频(DSSS)或跳频扩频( FHSS)、GMSK、OFDM等技术,甚至未来的超宽带传输技术UWBT,使固定、半移动和移动网络终端能够长距离高速接入互联网网络。 目前,从原理上来说,WLAN的速度仍然较低,主要适用于手机、掌上电脑等小型移动终端。 1997年6月,IEEE推出802.11标准,开创了WLAN的先河。 目前WLAN领域主要有两个标准:IEEE802.11x系列和HiperLAN/x系列。

WiFi俗称无线宽带,全称Wireless Fidelry。 无线 LAN 通常也称为 WiFi 网络。 这个名字来源于WiFi联盟(WiFi Alliance),全球最大的无线局域网技术推广和产品认证组织。 WiFi作为一种无线网络技术,已经引起了业界的关注。 WiFi终端涉及手机、PC(笔记本电脑)、平板电视、数码相机、投影仪等众多产品。 目前,WiFi网络已经应用于家庭、企业和公共热点,家庭应用是一种更贴近人们生活的应用方式。 由于WiFi网络能够在家庭内部实现良好的网络覆盖,因此适合作为家庭中的主导网络。 家里其他支持WiFi的设备,如电视、DVD播放器、数码音箱、数码相框、相机等都可以使用。 通过WiFi网络作为传输介质,与后台媒体服务器、计算机等建立通信连接,实现整个家庭的数字化、无线化,让人们的生活更加便捷和丰富。 目前,除了用户购买WiFi设备建立无线家庭网络外,运营商也在大力推广家庭网络覆盖。 例如,中国电信的“我的E家”在家庭网关上增加WiFi功能,并与有线宽带服务绑定。 未来,WiFi的应用领域将不断拓展,发展到基于现有家庭网络、企业网络、公共网络的自动控制网络等许多新领域。

WAPI 是 WLAN 身份验证和隐私基础设施的缩写。 作为我国计算机网络通信领域第一个自主创新的安全技术标准,WAPI可以有效阻止不符合安全条件的无线局域网设备进入网络,也可以阻止用户的终端设备访问不符合安全条件的网络。安全条件下,实现“合法用户访问合法网络”。 WAPI安全无线网络所蕴含的“可运营、可管理”的优势,得到了以中国移动、中国电信为代表的专业性较强的运营商的积极探索、推广和应用。 WAPI在运营市场的应用进一步推动了其他行业市场和消费者对WAPI的关注和支持。 目前,全球各大手机厂商已有50多款智能手机支持WAPI,其中包括诺基亚、三星、索爱、酷派等。 我国三大电信运营商也已启动或完成首批WAPI热点的招投标工作。 以中国移动为例,目前已部署WAPI热点约10万个。 这意味着WAPI生态系统已经基本建立,WAPI商用大门已经打开。

(4) 短距离无线通信(蓝牙、RFID、IrDA)

蓝牙技术实际上是一种短距离无线电技术。 蓝牙技术的使用可以有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和手机等移动通信终端设备之间的通信,也可以成功地简化这些设备与互联网之间的通信,从而使这些现代通信设备与互联网之间的数据传输变得更加简单。互联网变得更快、更高效,从而为无线通信开辟了道路。 蓝牙采用分散式网络结构以及快速跳频和短包技术,支持点对点和点对多点通信。 它工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学和医疗)频段。 其数据速率为1Mbps,采用时分方式。 双工传输方案实现了全双工传输。 蓝牙技术可免费使用并具有全球标准。 它在当今社会有着广泛的应用。

RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写,即无线射频识别,俗称电子标签。 射频识别技术是利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现非接触式信息传输,并通过传输的信息达到识别目的的技术。 目前RFID产品的工作频率包括低频(125kHz~134kHz)、高频(13.56MHz)和超高频(860MHz~960MHz)。 不同频段的RFID产品有不同的特点。 射频识别技术广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通控制与管理、防伪等诸多领域。例如,沃尔玛、乐购、美国国防部、麦德龙超市等都在其产品中应用了RFID技术。供应链。 未来,超高频产品将得到广泛应用。

IrDA 是一种使用红外线进行点对点通信的技术,并且可能是第一个支持无线个域网 (PAN) 的技术。 目前其软硬件技术已经非常成熟,广泛应用于小型移动设备,如PDA、手机等。 事实上,如今每台 PDA 以及许多移动电话、笔记本电脑、打印机和其他产品都支持 IrDA。 IrDA的主要优点是无需申请频率使用权,因此红外通信的成本较低。 还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用等特点; 由于其数据传输速率高,适合传输大容量文件和多媒体数据。 另外,红外发射角度小,传输安全性高。 IrDA 的缺点是它是视距传输。 相互通信的两个设备必须对齐并且不能被其他物体阻挡。 因此,该技术只能用于两个(而非多个)设备之间的连接。 (蓝牙则没有这个限制,不会被墙壁阻挡)。 IrDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题,提高数据传输速率。

(5)WiMAX

WiMAX是World Interoperability for Microwave Access的缩写,是微波接入的全球互操作性系统。 它可以取代现有的有线和 DSL 连接,提供最后一英里的无线宽带接入。 其技术标准为IEEE 802.16,其目标是促进IEEE 802.16的应用。 与其他无线通信系统相比,WiMAX的主要优势体现在较高的频谱利用率和传输速率,因此其主要应用是宽带互联网接入和移动数据业务。

(6)超宽带无线接入技术UWB

UWB(超宽带)是一种无载波通信技术,利用从纳秒到皮秒的非正弦窄脉冲来传输数据。 通过在宽频谱上传输极低功耗的信号,UWB可以在约10米的范围内实现数百Mb/s至数Gb/s的数据传输速率。 UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、功耗低、发射功率低等诸多优点。 主要应用于室内通信、高速无线局域网、家庭网络、无绳电话、安全检测、定位、雷达等领域。

关于UWB技术,值得注意的是,凭借其独特的速率和特殊的范围,它也将在无线通信领域占据一席之地。 由于其高速、覆盖范围窄的特点,非常适合家庭组建高速信息网络。 它对蓝牙技术有一定影响,但对当前的移动技术、WLAN等技术威胁不大。 相反,它可以成为它们的一个很好的补充。

(7)远洋

EnOcean无线通信标准被采纳为国际标准“ISO/IEC 14543-3-10”,这也是全球唯一采用能量收集技术的无线国际标准。 EnOcean能量采集模块可以收集周围环境产生的能量,从光、热、无线电波、振动、人体运动等中获取微弱的电能,这些能量经过处理后,用于供给EnOcean的超低功耗无线通讯模块,实现真正的无数据线、电源线、电池的通讯系统。 EnOcean无线标准ISO/IEC14543-3-10使用868MHz、902MHz、928MHz和315MHz频段。 传输距离室外300米,室内30米。

(8)Z波

Z-Wave 是由丹麦公司 Zensys 主导的无线网络规范。 Z-Wave是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠性、适合网络的短距离无线通信技术。 工作频段为908.42MHz,868.42MHz信号有效覆盖范围室内30m,室外100m以上,适合窄带宽应用。 Z-Wave技术也是一种低功耗、低成本的技术,有力地推动了低速率无线个域网的发展。

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图8 各协议功耗和传输距离对比

通过下面两个表格,我们可以更加直观、全面地比较几种主流无线通信技术:

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表1 一些主流无线通信技术对比

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表2 EnOcean、Zigbee和Z-Wave无线通信技术比较

图9显示了这些无线通信技术的范围和数据速率之间的关系:可以看出,数据速率越高,范围越短。 网络技术可用于扩展范围,同时仍保持数据速率。

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图9 无线通信技术的数据速率与工作距离的关系

当今最流行的无线通信技术、应用和规范如表3所示,包括:各种无线通信技术的适用频段、调制方法、最大范围、数据速率和应用领域。

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表3 常见无线通信技术、应用和规范

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