WLAN射频技术WLAN.ppt

1、2020/7/31,1,WLAN射频技术,理论和实践练习,2020/7/31,2,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,2020/7/31,3,无线的类型,红外线 窄带 扩展频谱 直序扩展频谱 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,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。,2020/7/31,5,扩展频谱通信,基本概念: 是一种信息传输方式 ， 发射信号的

2、占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽 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 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,2020/7/31,6,扩展频谱和窄带调制,2020/7/31,7,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) = 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. 免许可证. 对共存系统的限制很小. (2) = 防止拥塞,2020/7/31,8

3、,直序扩展频谱,可以看成下列的两个过程: a.- 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 . b.- 合成的信号调制到无线载波上 直序扩频的效应 数据比特信息由每一个 “chip”携带 (= 冗余) 如果噪声没有影响到所有的chips, 信息就可以休复. 系统重建数据的能力由下面的比值表示 Tbit/Tchip = ProcessGain(FCC规定PG10) 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),2020/7/31,9,原始信号,Direct Sequence spre

4、ading of initial signal,Power,Freq,Power,Freq,直序扩展频谱(DSSS),2020/7/31,10,跳频扩展频谱(FHSS),可以看成下面的两个过程: a.-数据调制到无线载波上. b.-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 数据被所有的跳频点所携带. 如果噪音没有影响到所有的跳频点，信息就可以被修复. 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.,2020/7/31,11,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,2020/7/3

5、1,12,截取信号的机会很小 拥塞和干扰的免疫性,跳频扩频(FHSS),2020/7/31,13,相似系统共存性 没有远/近问题 (共存系统的干扰),频率.,时间,f1,f2,f3,f4,f5,f6,f7,t1,t2,t3,t4,t5,t6,跳频扩频(FHSS),2020/7/31,14,1.- 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

6、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,2020/7/31,15,2.- 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 /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,2020/7/31,16,4.- 多路径 直扩系统

7、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 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,2020/7/31,17,6.- 无线的综合性 直扩系统使用更复杂的无线电路，然而: 跳频射频部分相对便宜 跳频需要消耗的功率低 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,待传信息 (数据/语音)

8、,典型的无线系统图,2020/7/31,19,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。,2020/7/31,20,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

9、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),2020/7/31,2

10、4,天线的征性,极化方向: 电磁波的振动方向。 垂直极化 水平极化,2020/7/31,25,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。 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,2020/7/31,26,功率 : PdBm = 10 Log PmW 1 Watt = 30 dBm 100 mW = 20 dBm 50mW = 17 dBm 衰减 : AttdB = -10 Log ( Pout / Pin ) 例：功率的一半(Pout / Pin =1/

11、2) AttdB = -10 Log(1/2)= 3dB,输入功率,输出功率,衰减 ( 电缆，介质 .),信号功率,2020/7/31,27,EIRP (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,2020/7/31,28,路径衰减: 信号在空间传播时信号功率的衰减。 距离 空间环境 天线高度,信号传播,2020/7/31,29,电磁波在空间传播时信号功率的衰减。 32.4 + 20 xL

12、og Fmhz + 20 xLog RKm 在 2.4 GHz : 100 + 20 Log Dkm,自由空间衰减,2020/7/31,30,距离 (KM) 衰减(dB) 5 114 8 118 10 120 12 121.6 15 123.4 18 125.2 20 126,自由空间衰减,2020/7/31,31,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 : 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: 视觉可视和最近的障碍物之间的距离。 Fresnel区: 可视的圆周范围。,2020/7/31,32,Fresnel 半径,A,B,R,当有 80% 的第

13、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。,2020/7/31,33,在 2.4 GHz 第一 Fresnel区的半径为 0.176 x 距离的平方根 例如 : 距离为2KM的点的净空半径为 8m,Fresnel 半径计算,2020/7/31,34,链路预算计算,发射器,Gt,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,Gr,Si,Cr,Pout,Ct,2020/7/31,35,例子一,Pout = 4 dBm ( 2.5 mW ) Tx 和 Rx 电缆长度 = 10 米 电缆类型 RG214 (

14、 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 dBm Si= 4-6+18-110+18-6 = -82 dBm 可以建立起链路吗 ?,2020/7/31,36,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 d

15、Bm Si= 36 -118 + 19 = -63 dBm 可以建立链路吗 ?,2020/7/31,37,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,2020/7/31,38,障碍物 (如，建筑物),障碍物 (如, 地面),Tx 反射器,Rx 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,2020/7/31,39,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,2020/7/31,40,天气 (雨和风 . ) 雨 :大雨降水量 ( 150 mm/h ): 0.02 dB/Km 2.4GHz. 雪和冰雹 : 衰减可以忽略不计 噪音 (干扰，人造噪