【WLAN培训】D1.am.P2_射频理论.ppt

WLAN培训 射频理论 无线传输与接入事业部 产品部2010年3月 课程提纲 无线电磁波传播基础理论天线基础知识WLAN射频基础知识 无线电磁波的基本分类 无线电磁波的基本传播方式 空间直线传播 反射 透射 衍射 绕射 自由空间传播损耗 自由空间的概念无任何衰减 无任何阻挡 无任何多径的传播理想介质空间 自由空间传播损耗无线电波在自由空间传播时 其单位面积中的能量会因为扩散而减少 这种减少称为自由空间的传播损耗 也就是我们常说的中值损耗定理 计算公式LS dB 92 4 20logf GHz 20logd km LS 自由空间损耗f 电磁波频率d 传播距离 自由空间损耗可作为实际无线工程中预估通信距离的重要参数 无线传播的菲涅尔区 相对余隙和最小菲涅尔半径 相对余隙与附加损耗关系曲线 相对余隙传播余隙与第一菲涅尔区半径之比 Hc F1 称为相对余隙 最小菲涅尔半径接收点能得到与自由空间传播相同的信号强度时所需要的最小菲涅尔椭球区的半径称为最小菲涅尔半径 F0 工程指导实际工程中确保收发天线架设的高度要满足使它们之间的障碍物尽可能不超过其第一菲涅尔区的20 最小菲涅尔半径计算公式 电磁波雨雾衰落 工程指导WLAN工作的2 4GHz和5 8GHz频段雨雾衰落较小 在实际工程中可以不予考虑 雨衰系数表 视距与天线高度 极限直视距离WLAN设备所工作的微波波段主要通过在空间范围内沿直线方向传播的空间波来传播 由于地球的曲率使空间波传播存在一个极限直视距离Rmax 因而 WLAN设备进行通信时 接收点应落在发射天线极限直视距离Rmax内 计算公式考虑大气层对电波折射作用的极限视距公式 有效直视距离由于电磁波的频率远低于光波的频率 电波传播的有效直视距离Re约为极限直视距离Rmax的70 即Re 0 7Rmax 工程指导对于通讯距离在10Km以内的WLAN工程 可以不考虑极限视距的影响 但需要考虑障碍物及菲涅尔区的影响 课程提纲 无线电磁波传播基础理论天线基础知识WLAN射频基础知识 天线的基本概念 天线的作用天线是电波的换能器件 用以发射和接收电波 电磁波的辐射导线上有交变电流流动时 可发生电磁波的辐射 辐射的能力与导线的长度和形状有关 若导线间距离很近 电场被束缚在两导线之间 则辐射很微弱 将两导线张开 电场即散播在周围空间 则辐射增强 对称振子 振子通常我们将安装在天线中并能产生显著电磁辐射的直导线称为振子 对称振子对称振子是一种经典的 应用最广泛的天线 单个半波对称振子可独立使用或用作为抛物面天线的馈源 也可将多个半波对称振子组成天线阵 两臂长度相等的振子叫做对称振子 每臂长度为四分之一波长 全长为二分之一波长的振子 称半波对称振子 1 4波长 1 4波长 1 2波长 天线的方向性和方向图 天线的方向性天线辐射电磁波是有方向性的 在天线的发送端 方向性指天线向一定方向辐射电磁波的能力 对于接收端而言 则表示天线对来自不同方向的电磁波的接收能力 天线的方向图通常用垂直平面及水平平面上表示不同方向辐射 或接收 电磁波功率大小的曲线来表示天线的方向性 并称为天线辐射的方向图 全向天线立体方向图 全向天线垂直面方向图 全向天线水平面方向图 水平面方向图视角 垂直面方向图视角 天线方向性的变化 各种天线的形成通过对天线的内部结构做相应的改动 可以改变天线的方向性 并由此形成不同种类及特性各异的天线 天线的波瓣宽度 波瓣宽度方向图通常都有两个或多个瓣 其中辐射强度最大的瓣称为主瓣 其余的瓣称为副瓣或旁瓣 在主瓣最大辐射方向两侧 辐射强度降低3dB 功率密度降低一半 的两点间的夹角定义为波瓣宽度 又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角 波瓣宽度越窄 方向性越好 作用距离越远 抗干扰能力越强 板状天线立体方向图 天线的增益 增益增益是指在输入功率相等的条件下 实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比 增益与波瓣宽度的关系增益与天线波瓣宽度有密切的关系 方向图主瓣越窄 副瓣越小 增益越高 上旁瓣抑制 上旁瓣抑制对于无线覆盖天线 其服务对象是地面上的无线用户 指向天空的辐射是毫无意义的 因而人们常常要求它的垂直面方向图主瓣上方的第一旁瓣尽可能弱一些 这就是所谓的上旁瓣抑制 抑制前 抑制后 前后比 前后比方向图中 前后瓣最大值之比称为前后比 前后比越大 天线的后向辐射 或接收 越小 天线受后方 或对后方 的无线干扰就越小 全向天线的前后比为0dB 常用定向天线的前后比典型值为18 30dB 天线的极化 天线的极化天线向周围空间辐射电磁波是由电场和磁场构成的 人们规定 天线极化方向就是电场的方向 垂直极化 水平极化 45 极化 45 极化 天线的极化 双极化天线把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起 或者把 45 极化和 45 极化两种极化的天线组合在一起 就构成了双极化天线 垂直 水平极化组合 45 极化组合 极化损失 极化损失收 发天线的极化方式必需一致 也就是垂直 或水平 极化波要用具有垂直 或水平 极化特性的天线来接收 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时 接收到的信号将会变小 也就是发生极化损失 极化完全隔离当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时 例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波时 天线就完全接收不到来波的能量 这种情况下极化损失为最大 称极化完全隔离 工程指导在WLAN工程中使用的天线一般均为收发一体的垂直极化天线 常用天线介绍 室内吸顶天线 室内吸顶天线室内吸顶天线具有结构轻巧 外型美观 安装方便等优点 主要用于建筑物内各区域的全向无线覆盖 室内吸顶天线属于低增益天线 一般为2dBi 由于吸顶通常安装在室内空间的顶部 因此吸顶天线在设计时上部安装了一块反射板 以控制向上辐射的电磁波并使其向下辐射 这样即可以减少吸顶天线对上一楼层的无线干扰 还可以增强下方空间的无线覆盖效果 常用天线介绍 室内壁挂天线 室内壁挂天线室内壁挂天线具有结构轻巧 外型美观 安装方便等优点 主要用于对建筑物内特定区域的某一方向进行无线覆盖 室内壁挂天线属于定向天线 其增益约为7dBi 由于室内壁挂天线在防水 防潮等方面没有做特殊处理 因此切勿将其安装在室外环境 常用天线介绍 室外柱状天线 室外柱状天线柱状天线也被称为杆状天线或鞭状天线 室外柱状天线一般采用玻璃钢外壳封装 具有增益高 安装方便 并具有良好的抗风 防潮 防腐等特点 其主要应用于室外大面积无线覆盖 常用天线介绍 室外板状天线 室外板状天线板状天线由于其覆盖区域呈扇形分布 因此也被称为扇区天线或扇型天线 室外板状天线具有增益高 结构牢靠 安装方便 以及良好的防振动冲击和防水防腐能力等特点 其主要应用于室外定向覆盖 也可作为WLAN工程中点到多点桥接的中心点天线 常用天线介绍 八木定向天线 八木定向天线八木定向天线 具有增益较高 结构轻巧 架设方便 价格便宜等优点 因此 它特别适用于点对点通信 八木定向天线的单元数越多 其增益越高 通常采用6 12单元的八木定向天线 其增益可达10 15dBi 常用天线介绍 高增益栅状抛物面天线 栅状抛物面天线由于抛物面具有良好的聚焦作用 所以抛物面天线集射能力强 特别适用于点对点的通信 例如它常被选为WLAN点到点远距离通讯天线 抛物面采用栅状结构 一是为了减轻天线的重量 二是为了减少风的阻力 课程提纲 无线电磁波传播基础理论天线基础知识WLAN射频基础知识 典型的WLAN系统总体结构 典型WLAN总体硬件原理框图 典型的WLAN系统结构 典型WLAN射频系统原理框图 常用射频概念 dBdB是一个纯计数单位 本意是表示两个量的比值大小 没有单位 对于功率 dB 10log A B 对于电压或电流 dB 20log A B 此处A B代表参与比较的功率值或者电流 电压值 dBmdBm用于表示射频信号的功率 它是实际功率相对于1mW的分贝值 假设信号功率为XmW 利用dBm表示时其大小为 p dBm 10log X 例如100mW相当与20dBm 500mW相当于27dBm 常用射频概念 EIRP 等效全向辐射功率 EIRP为射频发射机在指定方向上的辐射功率 在WLNA应用中其单位通常为dBm 计算公式EIRP P 设备发射功率 G 发射天线增益 A 线路损耗 EIRP的意义EIRP反映了设备辐射信号的强度 接收设备收到的信号强度与这个指标有密切关系 一般的无线电认证法规都是规定EIRP的限值 而不是发射功率的限值 常用射频概念 SNR 信噪比 信噪比是一个衡量系统解调处理能力的指标 它是在接收机接收到信号经各级放大 解调后的信号与噪声的比值 对具体业务 所要求的信噪比越低 则系统的容量和覆盖就比较好 C I 载干比 载干比反映信号在空间传播过程中 接收端接收到信号的好坏 它是加到接收天线输入口的有用载频功率 C 与干扰信号 I 功率的比值 载干比体现了设备抗同频干扰的能力 C I越小 说明抗同频干扰能力越强 信噪比是基带信号与噪声之比 载干比是射频信号与噪声比 常用射频概念 接收灵敏度接收灵敏度是指接收机在满足PER 错包率 小于10 的条件下 天线口能够接收到的最小接收信号电平 一般用dBm表示 它反映了设备接收弱信号的能力 在发射功率一定的情况下 灵敏度越高 覆盖范围越大 最大接收电平最大接收电平是指接收机在满足PER 错包率 小于10 的条件下 天线口能够接收的最大接收信号电平 一般用dBm表示 规范要求OFDM最大接收电平为 30dBm CCK为 20dBm 最大接收电平反映了接收机接收强信号的能力 超过最大接收电平将导致接收机饱和 误码率明显升高 RSSIRSSI ReceiverSignalStrengthIndicator 接收信号强度指示 是指接收机处基频信号的功率大小 WLAN传输链路总增益 链路总增益计算公式 Gl Pt Prs Gt GrPt为设备射频输出功率Prs为接收端接收灵敏度Gt为发射端的天线增益Gr为接收端的天线增益例如 假设设备发送功率为20dBm 接收端接收灵敏度为 75dBm 收发天线增益为Gt Gr 18dBi 那么链路总增益为 Gl 20 75 18 18 131dB WLAN传输链路总损耗 链路总损耗计算公式 Lt Ls Lft LfrLs为收 发端之间的空中损耗Lft为发射机到发射天线之间的电缆损耗Lfr为接收机到接收天线之间的电缆损耗例如 假设设备工作在2 4GHz频段 发送和接收机到天线之间的馈线长度为2米 在2 4GHz频率馈线损耗为0 5dB 两设备间空间距离100米 那么 链路总损耗为 Lt 80 0 5 0 5 81dB 100米距离自由空间损耗Ls 92 4 20lg2 4 20lg0 1 80dB WLAN传输链路储备余量 链路储备余量链路储备余量直观体现了在满足接收端接收灵敏度要求的条件下 整个无线传输链路上还可以允许应对多少潜在的额外损耗 链路储备余量越大 则无线传输系统应对潜在传输损耗的能力越强 也越容易满足通信要求 计算公式Margin Gl Lt对于前面的例子 链路储备余量为 Margin 131 81 50dB工程指导由于多径效应和干扰影响 为了保证链路的可靠性 一般要保证15dBm左右的链路储备余量 WLAN传输系统对称性 空间损耗 输出功率 20dBm天线增益 15dBm接收灵敏度 75dBm 输出功率 20dBm天线增益 15dBm接收灵敏度 75dBm 空间损耗 输出功率 20dBm天线增益 15dBm接收灵敏度 75dBm 输出功率 15dBm天线增益 1dBm接收灵敏度 65dBm 对称系统 非对称系统 WLAN传输系统对称性 空间损耗 100dBm 输出功率 20dBm天线增益 15dBm接收灵敏度 75dBm 输出功率 20dBm天线增益 15dBm接收灵敏度 75dBm 链路储备余量 25dBm 链路储备余量 25dBm 空间损耗 100dBm 输出功率 30dBm天线增益 15dBm接收灵敏度 75dBm 链路储备余量 35dBm 链路储备余量 25dBm 输出功率 20dBm天线增益 15dBm接收灵敏度 75dBm 空间损耗 100dBm 输出功率 20dBm天线增益 25dBm接收灵敏度 75dBm 链路储备余量 35dBm 链路储备余量 35dBm 输出功率 20dBm天线增益 15dBm接收灵敏度 75dBm WLAN传输系统对称性 空间损耗 90dBm 输出功率 20dBm天线增益 15dBm接收灵敏度 75dBm 输出功率 15dBm天线增益 1dBm接收灵敏度 65dBm 链路储备余量 11dBm 链路储备余量 16dBm 空间损耗 90dBm 输出功率 30dBm天线增益 15dBm接收灵敏度 75dBm 输出功率 15dBm天线增益 1dBm接收灵敏度 65dBm 链路储备余量 21dBm 链路储备余量 16dBm 空间损耗 90dBm 输出功率 20dBm天线增益 25dBm接收灵敏度 75dBm 输出功率 15dBm天线增益 1dBm接收灵敏度 65dBm 链路储备余量 21dBm 链路储备余量 26dBm WLAN传输系统对称性 总结在工程实施中需综合考虑系统的对称性问题 当存在非对称系统时 需分别计算系统两端的链路储备余量 并以能力较弱一端作为主要考查对象 在无线通讯中出现由于信号强度而导致的传输速率低下问题时 为改善通讯效果需根据实际情况在提高发射功率和 或 提高天线增益间做出正确决策 影响WLAN通讯的常见因素 空间损耗无线电波在空间传播时 其单位面积中的能量会因为扩散而减少 这种减少称为空间传播损耗 其损耗值与空间距离及电波频率成正比 在WLAN室外通讯工程中我们通常把现实空间环境等效为自由空间 并利用自由空间损耗公式来估算实际环境的空间传播损耗 计算公式LS dB 92 4 20logf GHz 20logd km LS 自由空间损耗f 电磁波频率d 传播距离 影响WLAN通讯的常见因素 同频干扰802 11b g及802 11n工作的2 4GHz频段属于无需授权使用的免费频段 日常生活中存在许多在此频段工作的设备 如其它AP设备 蓝牙 微波炉 无绳电话 ZigBee产品等 而2 4GHz频段只有3个非重叠信道 因此很容易产生同频或临频干扰 802 11a及802 11n工作的5 8GHz频段相比2 4GHz频段要干净 但随着802 11n的普及应用 该频段的信道干扰也将随之变得严重 影响WLAN通讯的常见因素 障碍物无线电波在传播过程中遇到无法绕射的障碍物时 将会发生透射传播 根