RF/无线
1.1基础无线理论
无线信号的传播以“电磁波”为介质。发送方可以将交变电流发送到导线上,建立电场和磁场,并以行进波的方式像外传播。信号必须以周期性的升降来保持变化和交替,从而使电场或磁场保持周期性关系向外传播。
1.1.1理解频率
波的一个基本属性就是频率,也就是1秒内信号发生周期性变化的次数。
频率
如上图所示,信号在1秒内传播了4个完整周期,因而频率是4周期/秒或4Hz(Hertz,赫兹)。赫兹是常用的频率单位,表示每秒一个周期。
频率的单位:
通常将3kHz~300GHz的频率范围称为RF(Radio Frequency, 射频)该区间包含了很多无线电通信。
2.4GHz跟5GHz频带
2.4GHz频带:用于WLAN通信的两种频率区间之一位于2.400GHz~2.4835GHz之间,称为2.4GHz频带。
5GHz频带:用于WLAN通信的另一频率区间为5.150GHz~5.825GHz之间,称为5.0GHz频带(5GHz频带实际上包含了4个独立的频带)。
为了保持有序性和兼容性,通常将频带划分为多个确定的信道,并且为每个信道都分配一个信道号和特定的频率。信道之间的间隔均为固定的5MHz,通常将信道之间的间隔称为信道间距(channel seperation)或信道宽度(channel width)。
信道间距示例:
信号带宽
定义频带内信道位置时,使用的是中心频率。用于发射频率的区间称为信号带宽,即:频带内所需频率间隔的宽度。
在理想情况下,信号带宽应该小于信道宽度,这样一来,不同信号就能在每个可能的信道内传输,而不会产生交叠和干扰。
1.1.2理解相位
由于RF信号始终处于运动状态,所以RF信号十分依赖定时时间。从本质上说,信号是由随时间变化的电力和磁力组成的。信号的相位是相对于信号周期起始位置的时间位移的一种度量。
同相(in phase):同一时刻产生的完全相同的信号,周期完全相同即为同相。
异相( out of phase):同一时刻产生的完全相同的信号,某个信号滞后于另一个信号,即为异相。
1.1.3度量波长
波长(wavelength)是波进行一个完整周期所产生的物理距离的度量。波长随着频率的增大而缩小。
1.1.4理解RF和dB
如果要在自由空间发送、传播RF信号,并在接收端接收并正确理解这些信号,就必须以足够的强度或能量进行发送,以保证RF信号能完成整个发送过程。这里所说的强度就是以振幅(amplidute)在度量的,也就是信号波形的峰顶与谷底之差。
RF信号强度通常以功率来度量,单位为瓦(W),WLAN发射器的信号强度通常在0.1W(100mW)~0.001(1mW)之间,以瓦或毫瓦来度量功率时,称为绝对功率度量,换句话说,绝对功率度量是RF信号中实际存在的能量值。
dB(decibel,分贝):将绝对功率度量与基准量相比之后取对数。
重要dB规则:
规则1:0dB表示两个绝对功率值相等。
规则2:3dB表示被对比的绝对功率值是基准值的2倍,-3dB表示
被对比的绝对功率值是基准值的一半。
规则3:10dB表示被对比的绝对功率值是基准值的10倍,-10dB表示被对比的绝对功率值是基准值的10分之一。
此外、绝对值功率相乘,dB为正时可以相加,dB为负时可以相减。
1.2利用射频信号承载数据
以某种方式改变载波信号以表达要承载的信息,这就是调制,也就是根据其他源来调制或改变载波信号。接收器则进行相反的操作,称为解调,也就是根据载波信号的变化情况来解析信号中承载的信息。
由于RF信号的固有物理属性,调制方案只能改变RF信号如下属性:
频率,但只能在载波速率上做细微改变。
相位
振幅
调制技术需要以载波速率为中心的一定宽带,需要这些额外宽带的部分原因是承载的数据速率,另一部分原因是对数据进行编码并且处理载波信号时产生的开销。
WLAN必须以高比特率来承载数据信息,因而其调制操作需要更多宽带,最终是将要发送的数据扩展到整个频率区间,通常将该操作称作“扩频(spread spectrum)”。在物理层,WLAN可以分为以下三种扩频方式:
FHSS(Frequency-hopping spread spectrum,跳频扩频)
DSSS(Direct-sequece spread spectrum,直序扩频)
OFMD(Orthogonal frequency-division multiplexing,正交频分复用)
1.2.1 FHSS
早期的WLAN技术通过新技术来解决避免RF干扰与需要复杂调制方案之间的关系,将无线频带分为79(或者更少)个信道,每个信道带宽1MHz。为避免窄带干扰,需要在整个频段范围内以的频率上以连续“跳动”方式发送信号,通常将该方式称为FHSS。
FHSS工作原理:
FHSS缺点
1、信道带宽窄,只有1MHz,因而数据速率局限于1Mbit/s或2Mbit/s。
2、如果区域内存在多个发射器,那么相同信道上将会产生冲突和干扰。
1.2.2 DSSS
由于DSSS采用了少量固定且宽频的信道,因而可支持复杂调制方案并具有一定扩展性的数据速率。DSSS每个信道宽度为22MHz,虽然比支持的最大数据速率11Mbit/s要大得多,但是却可以增加所能传播的数据,并且在防止数据破坏方面有良好的弹性能力。在2.4Ghz使用DSSS频带时,最多有14个可用信道,1、6、11三个信道不存在重叠现象。
1.2.3 OFMD
OFMD采用了并行方式通过多个频率(这些频率都位于单个20MHz信道内),来发送数据。OFMD被分为64个子载(子信道),每个子载波间隔312.5kHz,子载波类型分为:
保护(guard)子载波:帮组分隔不同信道的12个子载波。
导频(pilot)子载波:帮助接收器锁定信道的4个等距子载波。
数据(data)子载波:专门用来携带48个子载波。
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