无线网络技术ZigBee PHY层原理教学PPT.ppt

无线网络技术 计算机与通信工程学院李娜娜lanxuejudy 第3章zigbeephy层原理 3 1phy层3 2接收机灵敏度3 3发射功率3 4自由空间无线传输 第3章zigbeephy层原理 3 5频带和数据传输率3 6无线信道传输特性3 7数据包3 8edlqicca3 9物理层的常量和属性 物理层 信息的传播与交流是通过各种通信方式和技术来实现的 信号是信息的载体 物理层涉及到信号的传输机理及其可靠性和有效性 是为建立可靠和高效的物联网提供坚实的物理基础 物理层定义了物理无线信道和mac子层之间的接口 提供物理层数据服务和物理层管理服务 3 1phy层 通信系统的组成从古到今 人类的社会活动总离不开消息的传递和交换 古代的消息树 烽火台和驿马传令 以及现代社会的文字 书信 电报 电话 广播 电视 遥控 遥测等 这些都是消息传递的方式或信息交流的手段 消息 离散消息 连续消息 有待于传输的文字 符号 数据和语言 活动图片等 信息是消息中所包含的人们原来不知而待知的内容 因此 通信的根本目的在于传输含有信息的消息 否则 就失去了通信的意义 电通信方式当今 在自然科学领域涉及 通信 这一术语时 一般均是指 电通信 广义来讲 光通信也属于电通信 因为光也是一种电磁波 信号与消息一一对应的电量 它是消息的物质载体 即消息是寄托在电信号的某一参量上 若该参量是离散取值 这样的信号是数字信号 若电信号的该参量连续取值 则称为模拟信号 物理层内容 1 开启和关闭无线收发信机 2 当前信道的能量检测ed 3 接收链路质量信息lqi 4 空闲信道评估cca 5 信道频率选择 6 数据发送和接收 通信系统的一般模型通信系统 通信是从一地向另一地传递和交换信息 实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统 基于点与点之间的通信系统的模型可用图来描述 通信系统的一般模型 信源消息的产生地 其作用是把各种消息转换成原始电信号 称之为消息信号或基带信号 常用信源模拟信源 电话机 电视摄像机 输出的是模拟信号 和各种数字终端设备就是信源 数字信源 电传机 计算机等 输出离散的数字信号 实验 采用温湿度传感器sht10芯片 提供全标定的数字输出 而对光照传感器则需要cc2530内部的adc转换后得到数据 发送设备基本功能是将信源和信道匹配起来 即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号 变换方式是多种多样的 在需要频谱搬移的场合 调制是最常见的变换方式 对数字通信系统来说 发送设备常常又可分为信源编码与信道编码 模拟信号 凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的 且直接与消息相对应的信号 均称为模拟信号 如电话机送出的语音信号 电视摄像机输出的图像信号等 模拟信号有时也称连续信号 这个连续是指信号的某一参量可以连续变化 或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值 不一定在时间上也连续 数字信号 凡信号参量只能取有限个值 并且常常不直接与消息相对应的信号 均称为数字信号 如电报信号 计算机输入 输出信号 pcm信号等 数字信号有时也称离散信号 这个离散是指信号的某一参量是离散变化的 而不一定在时间上也离散 如2psk信号 信源消息的产生地 其作用是把各种消息转换成原始电信号 称之为消息信号或基带信号 常用信源模拟信源 电话机 电视摄像机 输出的是模拟信号 和各种数字终端设备就是信源 数字信源 电传机 计算机等 输出离散的数字信号 实验 采用温湿度传感器sht10芯片 提供全标定的数字输出 而对光照传感器则需要cc2530内部的adc转换后得到数据 发送设备基本功能是将信源和信道匹配起来 即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号 变换方式是多种多样的 在需要频谱搬移的场合 调制是最常见的变换方式 对数字通信系统来说 发送设备常常又可分为信源编码与信道编码 信道指传输信号的物理媒质 媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量 根据研究对象的不同 需要对实际的物理媒质建立不同的数学模型 以反映传输媒质对信号的影响 噪声源不是人为加入的设备 而是通信系统中各种设备以及信道中所固有的 并且是人们所不希望的 接收设备基本功能是完成发送设备的反变换 即进行解调 译码 解码等 它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来 对于多路复用信号 还包括解除多路复用 实现正确分路 信宿传输信息的归宿点 其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息 数字通信系统数字通信系统 利用数字信号来传递信息的通信系统 信道中传输的是数字信号 如图所示 数字通信涉及的技术问题很多 其中主要有信源编码 译码 信道编码 译码 数字调制 解调 数字复接 同步以及加密等 数字通信系统模型 信源编码 译码 1 设法减少码元数目和降低码元速率 即通常所说的数据压缩 码元速率将直接影响传输所占的带宽 而传输带宽又直接反映了通信的有效性 2 信息源给出的是模拟语音信号时 信源编码器将其转换成数字信号 以实现模拟信号的数字化传输 信源译码是信源编码的逆过程 信道编码 译码 为了减少差错 信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分 监督元 组成所谓 抗干扰编码 接收端的信道译码器按一定规则进行解码 从解码过程中发现错误或纠正错误 从而提高通信系统抗干扰能力 实现可靠通信 加密与解密在需要实现保密通信的场合 为了保证所传信息的安全 人为将被传输的数字序列扰乱 即加上密码 这种处理过程叫加密 在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密 恢复原来信息 叫解密 数字调制与解调数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处 形成适合在信道中传输的频带信号 基本的数字调制方式有振幅键控ask 频移键控fsk 绝对相移键控psk 相对 差分 相移键控dpsk 对这些信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号 对高斯噪声下的信号检测 一般用相关器接收机或匹配滤波器实现 同步与数字复接同步是使收 发两端的信号在时间上保持步调一致 按照同步的功用不同 可分为载波同步 位同步 群同步和网同步 数字复接就是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号 以扩大传输容量和提高传输效率 应该指出的是 模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输 数字电话系统就是以数字方式传输模拟语音信号的例子 数字信号也可以在模拟通信系统中传输 如计算机数据可以通过模拟电话线路传输 但这时必须使用调制解调器 modem 将数字基带信号进行正弦调制 以适应模拟信道的传输特性 无线电发射机输出的射频信号通过馈线 电缆 输送到天线 由天线以电磁波的形式辐射出去 电磁波到达接收地点后 接收天线接收的仅仅是很小很小一部分功率 并通过馈线送到无线电接收机 因此 在无线网络工程中 发射装置的发射功率与接收机的灵敏度的设计就显得非常重要 定义 接收机灵敏度定义了接收机可以接收到的并仍能正常工作的最低信号强度 灵敏度是一个功率电平 通常用dbm表示 一般是一个较大的负dbm数 简单的说 如果接收机接收到的信号功率等于或大于接收机灵敏度的接收功率 则链路在起作用 也就是说接收机能正确地提取发射信号中所包含的信息 如果接收功率小于灵敏度电平 那么所提取的信息质量就达不到要求 3 2接收机灵敏度 定义 接收机灵敏度是接收机能够接收信号的最小门限 比如 gsm的接收灵敏度为 102dbm 一般系统接收到的信号电平低于 100dbm就已经不能正常通话了 3 2接收机灵敏度 灵敏度的表示 接收机灵敏度是用dbm表示 什么是db 什么是dbm 3 2接收机灵敏度 灵敏度的表示 db是一个纯计数单位 db的意义 就是把一个很大 后面跟一长串0的 或者很小 前面有一长串0的 的数比较简短地表示出来 如 x 1000000000000000 共15个0 10lgx 150dbx 0 00000000000000110lgx 150db 3 2接收机灵敏度 灵敏度的表示 db是一个表征相对值的值 当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个db时 可按下面计算公式 10lg 甲功率 乙功率 例如 甲功率比乙功率大一倍 那么10lg 甲功率 乙功率 10lg2 3db 也就是说 甲的功率比乙的功率大3db 3 2接收机灵敏度 灵敏度的表示 dbm是一个表示功率绝对值的单位 计算公式为 10lg功率值 1mw 例如 如果发射功率为1mw 按dbm单位进行折算后的值应为 10lg1mw 1mw 0dbm 对于40w的功率 按dbm单位进行折算后的值应为 10lg 40w 1mw 10lg 40000 10lg 4 10 4 40 10 lg4 46dbm 3 2接收机灵敏度 灵敏度的表示 注意 用一个dbm减另外一个dbm时 得到的结果是db 如 30dbm 0dbm 30db cc2530数据手册可见接收机灵敏度典型值为 97dbm ber 10 2 误比特率ber 是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例 3 2接收机灵敏度 发送功率 发射信号强度 的定义及表示 无线电波的发射功率是指在给定频段范围内的能量 通常有两种表示方法 功率 w 例如wifi无线网卡的发射功率通常为0 036w 增益 dbm 相对于1毫瓦而言 如 40w的功率 按dbm单位进行折算后的值应为 10lg 40w 1mw 10lg 40000 10lg 4 10 4 40 10 lg4 46dbm 3 3发送机发送功率 发送功率 发射信号强度 的表示 注意 实验中采用的cc2530提供的无线电波的发射功率为 3dbm 0dbm 4dbm三种 分别表示多少瓦 3 3发送机发送功率 发送功率及接收机灵敏度的opnet默认表示 可修改 3 3发送功率 发射机功率 0 05w接收机灵敏度 85dbm 发送功率 发射信号强度 的表示 802 15 4标准规定2 4ghz射频的最低接收器灵敏度为 85dbm 900mhz为 92dbm 802 15 4的所有供应商都已经超过这个标准 接收机灵敏度在 90dbm至 100dbm之间 尽管10dbm看上去差别并不大 但是对作用范围和系统成本影响很大 3 3发送机发送功率 链路预算 链路预算为发送功率和接收机灵敏度的绝对值之和 体现了一个射频芯片的总体收发性能 3 3发送机发送功率 接收机灵敏度和发送功率都会影响发送机和接收机的范围 接收机灵敏度越高 发送功率越大 作用距离越远 在建筑物中 高发送功率和良好的接收灵敏度也会提高射频链路的可靠性 3 4自由空间无线传输 自由空间电波传播是无线电波最基本 最简单的传播方式 自由空间是一个理想化的概念 实际上电波是不可能在真空中传播的 自由空间为人们研究电波传播提供了一个简化的计算环境 电波从点源全向天线发出后在自由空间传播 能量将扩散到一个球面上 3 4自由空间无线传输 pr ptgtgr 式中 gt为发射天线增益 gr为接收天线增益 d为接收天线与发射天线之间的直线距离 为各向同性天线的有效面积 当发射天线增益和接收天线增益都等于1时 式 3 1 简化为pr pt 自由空间传播损耗定义为lfs 3 1 3 3 3 2 设发射机输入给天线的功率为pt 瓦特 则接收天线上获得的功率为 代入式 3 2 可得lfs 用db可表示为 lfs 20lg 32 44 20lgd 20lgf db 3 5 式中 d为接收天线与发射天线之间直线距离 单位为km f为工作频率 单位为mhz 由式 3 4 可以看出 自由空间传播损耗与距离d的平方成正比 距离越远损耗越大 3 3 4 接收机灵敏度和发送功率都会影响发送机和接收机的范围 接收机灵敏度越高 发送功率越大 作用距离越远 802 15 4标准规定2 4ghz射频的最低接收器灵敏度为 85dbm 900mhz为 92dbm cc2530数据手册可见接收机灵敏度典型值为 97dbm ber 10 2 3 4自由空间无线传输 接收机灵敏度和采用的频率有关 接收机灵敏度和ber有关 cc2530数据手册可见接收机灵敏度典型值为 97dbm ber 10 2 接收机灵敏度和发送功率都会影响无线通信距离 3 4自由空间无线传输 小结 类似于甲 乙两人通话 甲说话声音足够大 乙听力足够灵敏 只要两人选择合适的环境 合适的距离乙方就能听到甲的话音 其中 如果偶尔甲说的话个别字乙方没有听清也不会影响谈话内容的收听 因为乙接收机具有一定的纠错能力 但是 若甲说话太快 即数据速率太快 则可能导致乙无法辨别内容了 此时错误太多已经超出了乙方能纠错的范围了 造成数据报丢失率上升 3 4自由空间无线传输 小结 3 5频带和数据传输率 3 5频带和数据传输率 随参信道 是指信道传输特性随时间随机快