WLAN射频技术.pptx

2024/3/29 周五1内容内容微波 扩展频谱技术天线基础信号功率和传播链路计算公式多路径2024/3/29 周五2无线的类型红外线窄带扩展频谱w直序扩展频谱w跳频扩展频谱微波适用于空间传输的无线电波是一种电磁波，其传输速度等于光速（3108米/秒）无线电波段划分表无线电波段划分表分米波、厘米波、毫米波统称为微波，其波长小于1米。l =波长=c/f f=2.4 GHz l =12.5 cm利用微波作为传输媒介的通信方式称为微波通信。2024/3/29 周五4扩展频谱通信基本概念:w是一种信息传输方式，w发射信号的占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽w频带的展宽是通过扩展功能(编码及调制)来实现的，与所传信息数据无关，并只有发射器和接收器知道w在接收端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信息数据2024/3/29 周五5扩展频谱和窄带调制2024/3/29 周五6扩展频谱的优势(1)在同样的频率范围内不干扰其它信号带.(2)对在同一频率范围内其它信号产生的干扰具有免疫性 (扩频和窄带).(3)很难被截获(1)+(2)=w不用对频率做任何政策性的规定，扩频系统就可以在同一地理位置内共存多个系统.w免许可证.w对共存系统的限制很小.(2)=防止拥塞 2024/3/29 周五7直序扩展频谱可以看成下列的两个过程:wa.-数据被乘以一个高速数据序列，被称作“扩频编码”.这个序列用一组“chips”来表示每一特.wb.-合成的信号调制到无线载波上直序扩频的效应w数据比特信息由每一个“chip”携带(=冗余)w如果噪声没有影响到所有的chips,信息就可以休复.w系统重建数据的能力由下面的比值表示 Tbit/Tchip=ProcessGain(FCC规定PG10)w如果使用带特有特征的不同扩频序列，可以有多个系统在同一频率范围内共存.(这些序列非常长，需要很高的传宽)2024/3/29 周五8原始信号原始信号原始信号原始信号Direct Sequence spreading Direct Sequence spreading of initial signalof initial signalPowerPowerFreqFreqPowerPowerFreqFreq直序扩展频谱(DSSS)2024/3/29 周五9跳频扩展频谱(FHSS)可以看成下面的两个过程:wa.-数据调制到无线载波上.wb.-无线载波的中心频点在“扩展序列”的基础上被携带.跳频扩频的效应w数据被所有的跳频点所携带.w如果噪音没有影响到所有的跳频点，信息就可以被修复.w在如果使用不同的跳频序列，就可以有多个系统在同一频率范围内共存.2024/3/29 周五10跳频扩频(FHSS)传输信号扩展到一个很宽的频率范围内(2.4-2.4835 MHz)发射时每秒钟50跳Freq.Freq.TimeTimef1f1f2f2f3f3f4f4f5f5f6f6f7f7t1t1 t2 t2t3t3t4t4t5t5t6t62024/3/29 周五11截取信号的机会很小 拥塞和干扰的免疫性频率频率频率频率时间时间时间时间f1f1f2f2f3f3f4f4f5f5f6f6f7f7t1t1 t2 t2t3t3t4t4t5t5t6t6拥塞拥塞/干扰干扰跳频扩频(FHSS)2024/3/29 周五12 相似系统共存性 没有远/近问题(共存系统的干扰)频率频率频率频率.时间时间时间时间f1f1f2f2f3f3f4f4f5f5f6f6f7f7t1t1 t2 t2t3t3t4t4t5t5t6t6跳频扩频(FHSS)2024/3/29 周五131.-系统共存性系统共存性直扩-不能使用码分多址(CDMA)，因为它需要长的编码序列，这样就需要很高的传输速率.系统的共存是由分配不同的频率带宽而获得的.IEEE 802.11 将扩展带宽分为 4 段,允许4个不同的系统在同一范围内共存.跳频-系统必须使用不同的跳频序列.IEEE 802.11 定义了三组“几乎没有碰撞”的序列，每组有26种不同的跳频序列.然而,正确的使用只可以到达15个共存系统.跳频扩频和直序扩频2024/3/29 周五142.-抗干扰性抗干扰性直序扩频系统接收干扰的电平值比跳频扩频的高.然而，如果干扰的强度比它可接收的强，直扩系统将根本不工作。而跳频系统使用没有被影响的跳频点继续工作.3.-远远/近问题近问题直扩系统受到高一级的干扰.一个直扩的接收器离一个干扰发射器的距离较其要接收信号的发生器的距离近的时候，将会遭受很强的干扰.(甚至完全瘫痪)跳频系统可以永远使用没被干扰的跳频点进行通讯.跳频扩频和直序扩频2024/3/29 周五154.-多路径多路径 直扩系统使用高传输速率(短标识).在跳频系统中短标识比长标识对延时更敏感。正如跳频系统中使用 的长标识，对延时的敏感程度较短标识好。5.-吞吐量吞吐量直扩不间断传输.跳频花一些时间用来实现跳频和同步.在同样的空间传输速率的情况下，直扩系统可能比跳频系统的吞吐量 要大一些.(BreezeCOM 提供 3 Mbps速率的跳频系统,拥有比直扩系统更高的吞吐量!)跳频扩频和直序扩频2024/3/29 周五166.-无线的综合性直扩系统使用更复杂的无线电路，然而:u 跳频射频部分相对便宜u 跳频需要消耗的功率低u 跳频射频需要更少的完成空间跳频扩频和直序扩频无线信号传播发射器空间介质接收器发射天线 接收天线 待传信息(数据/语音)典型的无线系统图2024/3/29 周五18天线基础全向天线:在所有水平方位上发射和接收都相等(在垂直剖面图上有一个方向波形图).定向天线:在一个方向上发射和接收大部分的信号功率天线方向图(射线宽度):定向天线的方向性。发射主波瓣的两边信号功率下降一半时的夹角叫做射线宽度。2024/3/29 周五19天线的波形图全向天线主波瓣边波瓣定向天线 进 入 天 线 的 能 量 发 射 到 整 个 空 间。一 个 接 收 器 在 所 有 空 间 所 接 收 到 的 能 量 均 为17dBm(50mW)。进 入 天 线 的 能 量 发 射 到 部 分 空 间。一个远离发射器的接收器在特定的瓣中接收的能量为 17dBm，它相当于比各向同 性 分 布 的 能 量 大 得 多。对于同样的能量进入天线，一个非各向同性天线可将信号发射到更远的空间。非各向同性天线用它们聚集能量的能力来，用天线增益来表示：例如-一个3dBi增益的天线，辐射能量 的 范 围 在 50%的 空 间。结论-一个3dBi天线和17dBm的输入 相当于(在有效区)一个各向同性天线接 入20dBm，而事实上天线只辐射了17dBm，我 们 称 之为 EIRP 辐 射 为20dBm天线增益=dBi 非各向同性天线的柱(辐射)各向同性天线的柱(辐射)2024/3/29 周五23天线的征性极化方向极化方向:电磁波的振动方向。垂直极化水平极化2024/3/29 周五24各向同性天线:理论上的天线，以一个点为中心在所有方向上等量发射 天线增益:天线的方向性并且和各向等向天线有关，用 dBi 表示。w一个天线发射/接收 To/From 球体的一半有3 dBi 的增益。天线特征2024/3/29 周五25功率:PdBm=10 Log PmW1 Watt=30 dBm100 mW=20 dBm 50mW=17 dBm衰减:AttdB=-10 Log(Pout/Pin)例：功率的一半(Pout/Pin=1/2)AttdB=-10 Log(1/2)=3dB 输入功率输入功率输出功率输出功率衰减 (电缆，介质.)信号功率2024/3/29 周五26EIRP(Effective Isotropic Radiated Power):天线的等效发射功率。等于设备的输出功率减去电缆损失再加上发射天线的增益:EIRP=Pout-CL+Gt 接收灵敏度:一定性能水平所需要的最小信号强度 系统特征2024/3/29 周五27路径衰减:信号在空间传播时信号功率的衰减。w距离w空间环境w天线高度 信号传播2024/3/29 周五28电磁波在空间传播时信号功率的衰减。32.4+20 xLog Fmhz+20 xLog RKm在 2.4 GHz:100+20 Log Dkm 自由空间衰减2024/3/29 周五29距离(KM)衰减(dB)5 1148 11810 12012 121.615 123.418 125.220 126自由空间衰减2024/3/29 周五30可视可视可视:一条想象中的直线可以将两边的天线连接起来。清晰可视清晰可视:从一个天线到另外一个天线之间没有实际的物体遮挡。净空净空:视觉可视和最近的障碍物之间的距离。Fresnel区区:可视的圆周范围。2024/3/29 周五31Fresnel 半径半径A AB BR R当有 80%的第一 Fresnel半径内没有障碍物，传输的衰减和自由空间的衰减相等。2024/3/29 周五32n在 2.4 GHz 第一 Fresnel区的半径为 0.176 x 距离的平方根n例如:距离为2KM的点的净空半径为 8mFresnel 半径计算2024/3/29 周五33链路预算计算链路预算计算发射器发射器Gt接收器接收器接收器的信号接收强度为:Si=Pout-Ct+Gt-PL+Gr-Cr空间衰减 GrSiCrPoutCt2024/3/29 周五34例子一例子一Pout=4 dBm(2.5 mW)Tx 和 Rx 电缆长度=10 米电缆类型 RG214(0.6 dB/米)Tx 和 Rx天线增益=18 dBi两点之间的距离=3 Km接收器的灵敏度:-84 dBm EIRP=Pout-Ct+Gt=16 dBmSi=4-6+18-110+18-6=-82 dBm可以建立起链路吗?2024/3/29 周五35例子二例子二 Pout=17 dBm(50 mW)Tx 和 Rx 电缆长度=50 ft.电缆类型 RG-8 (9dB/100ft)Tx 和 Rx 天线增益=24 dBi两点之间的距离=5 英里接收器的灵敏度=-83 dBm EIRP=Pout-Ct+Gt=36 dBmSi=36-118+19=-63 dBm可以建立链路吗?2024/3/29 周五36由于饶射，散射，反射，吸收等原 因信号将会造成信号衰减和失真。反射信号将通过不同的路径到达接 收端，而这些信号将具有不同的路 径长度，不同衰减和不同的延时。多路径2024/3/29 周五37障碍物障碍物(如，建筑物如，建筑物)障碍物障碍物(如如,地面地面)Tx 反射器反射器 Rx 接收器接收器反射波可能会对直射波产生衰减也可能会增强直射号多路径接收2024/3/29 周五38衰减当直射波和反射波的路径不同而造成半个波长倍数的延迟时(相位相反)，将使信号抵销掉。衰减余量：系统接收信号时必须在接收灵敏度以上有一定的余量2024/3/29 周五40可视效果不好:Fresnel半径内不是完全干净.多路径:从遮挡物反射(如，地面，建筑物)，可能造成对信号的衰减到达 20dB!最小多路径效应:w 使用方向性强的天线使用方向性强的天线.w 使用天线分集技术使用天线分集技术.由环境引起的衰减2024/3/29 周五41考虑考虑对于点对点的应用最重要的参数是可视可视和干净的空间净的空间.合适的衰减余量衰减余量计算确保可靠的连接.天线的选择依据预计的多路径多路径和干扰干扰来选择