工業(yè)無線技術(shù)理論與應(yīng)用（二）

菲尼克斯電氣（南京）研發(fā)工程中心有限公司 張 龍，吳勇志

2.6 電磁場

2.6.1 電磁場的產(chǎn)生

要產(chǎn)生電磁場，則需要使用振蕩電路，通過諧振頻率激發(fā)振蕩電路，額外能量在電容和繞組線圈間連續(xù)振蕩，線圈中的磁場和電容中的電場連續(xù)產(chǎn)生和分解，在極板間的電場和磁場由線圈導致的，電磁場不會片刻之間就產(chǎn)生。但是，為獲得電磁場，電容的兩極板必須分離一些并將里面轉(zhuǎn)向外，同時線圈的效果通過長導線繼續(xù)，結(jié)果是偶極天線，其電場線和磁場線在空間延伸得很遠。

圖1 電磁場的產(chǎn)生

2.6.2 偶極子

偶極子也通過電磁波發(fā)射能量，它必須通過頻率發(fā)生器提供，發(fā)生器和天線波阻抗必須防止反射，理想發(fā)生器在偶極子產(chǎn)生標準的電磁波，為此，所選擇的頻率產(chǎn)生的波長必須符合如下條件：

圖2 偶極子

偶極波長I=波長λ/2

波長和頻率成反比。傳輸速度等于光速c

示例：

UKW （超短波）發(fā)射器發(fā)射大約100MHz頻率，其波長計算結(jié)果為：

I= 300,000,000 [m/s] / 100,000,000 [1/s]= 3 m

天線長度必須達到波長的一半，即必須達到1.5 m 長度才能接收此UKW。如果偶極天線垂直地面，第二個偶極子的功能可通過地面反射達到，用這種方法，天線長度只需I =λ/4 即可。上例中，天線的長度只需75cm。

發(fā)射過程也可以顛倒過來。如果偶極子具有相應(yīng)的諧振頻率，電磁波也可以激勵偶極子振蕩，一般同一根天線既能發(fā)射也能接收信號。

2.7 信號

2.7.1 信號陳述

為獲得較好的信號頻譜，通信技術(shù)中模擬信號也可以以頻譜圖或相位圖表示，在頻譜圖中，正弦信號以直線表示，線長度反映了信號的幅值，所有非正弦信號都可通過多個正弦信號疊加實現(xiàn)，在圖3中，信號覆蓋范圍稱為信號帶寬。未分配的頻率范圍可用于并行信號傳輸。

相位偏移不能用頻譜表示，然而由于在實踐中是通過相移對數(shù)字信號進行編碼，因此用相位圖表示更為實用，點和原點之間的距離代表幅值，與X軸之間的角度表示與參考信號或前一個碼元之間的相位偏移。

圖3 信號陳述

2.7.2 信號調(diào)制

通過天線發(fā)射的電磁波創(chuàng)造了自身信號傳輸?shù)拿浇椋休椛渥饔玫幕菊袷庮l率也稱為有效信號，與通過電纜進行信號傳輸一樣，需要決定信號在傳輸媒介中的傳輸方式。在現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，信號通常用電或光（電壓，電流或光強度）來定義，在無線技術(shù)中，信號需要通過載波檢測調(diào)制來呈現(xiàn)，調(diào)制類型分：AM調(diào)幅（如中波）、FM 調(diào)頻（如超短波）、PM 調(diào)相（如數(shù)字信號顯示）。

圖4 信號調(diào)制

2.7.3 信號編碼

數(shù)字信號調(diào)制也稱為偏移鍵控，通過數(shù)字編碼生成的信號特性曲線，然后在真正的載波上進行調(diào)制。

圖5 數(shù)字信號編碼

2.7.4 信號調(diào)制和解調(diào)

信號可在期望頻率范圍內(nèi)通過在載波頻率上偏移基本信號來實現(xiàn)傳輸。

圖6 信號調(diào)制和解調(diào)

2.7.5 碼元

通信技術(shù)中，信息通過碼元序列連續(xù)傳輸。每個傳輸節(jié)拍（時鐘）精確地傳輸一個碼元。傳輸協(xié)議中碼元狀態(tài)是由定義了的修正通信信號產(chǎn)生。每秒傳輸?shù)拇a元數(shù)量稱為波特率，單位是波特Baud [Bd]。

對大多總線系統(tǒng)，只定義了2種碼元狀態(tài)，即二進制狀態(tài)0，1。在此情況下，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率[bps] 等于波特率，在數(shù)據(jù)遠程傳輸中，傳輸媒介必須以更有效的方式使用，通常，使用多于2種碼元來傳輸數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)速率（Bps）=碼元速率（Bd）×比特/碼元

圖7 碼元

圖8 增效編碼方式

示例：

用9.6 Kbps的速率發(fā)送傳真。由于使用了總共16種不同的碼元，每個碼元中包含4比特信息量。這樣，傳真每秒傳輸2400個碼元，對應(yīng)的波特率為2.4 KBd。

2.7.6 增效編碼方式

在一個碼元編碼中攜帶越多比特，在離散碼元等級之間的差異就越低。這樣，對傳輸路徑的質(zhì)量要求提高。因此衛(wèi)星傳輸使用具有相對健壯性的二相相移鍵控（Binary Phase Shift Keying），該方法在每個碼元中多增加1比特。相位位置為180°或-180°且不使用幅度，長途通信中的操作經(jīng)常是基于正交相移鍵控法（QPS），這里區(qū)分4個不同的相位坐標且不使用幅度，使用正交調(diào)幅（QAM）以實現(xiàn)高傳輸速率，這里有64種碼元。此外，除相位位置外，幅度也用于編碼。

示例：16-QAM（每碼元攜4比特）

0011和0001碼元符號具有相同的相位和不同的幅度；

0000和1000碼元符號具有不同的相位和相同的幅度。

由于幅度參與編碼和相位角之間的距離較小，傳輸易受干擾影響

2.8 ISM（Industrial Scientific Medical）頻段

為了能并行使用多個無線資源，通常在無線傳輸接入中采用多路復用技術(shù)，由于電磁波可以無干擾地疊加，因此只要使用不同的頻段便可以不受限制地并行使用，頻段的分割和使用受國家控制，ISM頻段即工業(yè)、科學和醫(yī)用頻段，一般來說世界各國均保留了一些無線頻段，以用于工業(yè)、科學研究，和微波醫(yī)療方面的應(yīng)用，應(yīng)用這些頻段無需許可證，只需要遵守一定的發(fā)射功率（一般低于1W），并且不要對其它頻段造成干擾即可。ISM頻段在各國的規(guī)定并不統(tǒng)一，而2.4GHz為各國共同的ISM頻段，因此無線局域網(wǎng)（IEEE 802.11b/g）、藍牙、ZigBee等無線網(wǎng)絡(luò)，均工作在2.4GHz頻段上。ISM頻段劃分見表1。

表1 ISM頻段

下面分別介紹2.4GHz ISM頻段物理層協(xié)議FHSS和DSSS，以及5GHz頻段高速物理層擴展（IEEE802.11a）協(xié)議OFDM和帶FEC的數(shù)據(jù)備份。

2.8.1 FHSS（跳頻擴頻 Frequency Hopping Spread Spectrum）傳輸步驟

在無線傳輸空間，有許多自然和人工信號源發(fā)射電磁波，形成了大范圍不受控的背景噪聲，并與有效信號相疊加，通過信噪間距（信號和噪聲電平差），從背景噪聲中區(qū)別出有效信號，由于無線信號的信號性能隨距離的平方遞減，因此，提出了提高傳輸范圍的方法，以提高傳輸可靠性針，特別是針對低信噪比的情況，其中一種方法是擴頻（Spread Spectrum ）技術(shù)，有2種擴頻方法： FHSS（跳頻擴頻）和DSSS（直接序列擴頻）。

FHSS跳頻方法不是在固定載波頻率上傳輸信息，而是通過在短時間間隔內(nèi)改變無線信道，根據(jù)定義的頻率跳動表（該表為發(fā)射端和接收端都已知）來選擇信道，以保護信息不受窄帶信號干擾。

圖9 FHSS傳輸步驟

2.8.2 DSSS（直序列擴頻 Direct Sequence Spread Spectrum）傳輸步驟

對DSSS ，信息直接逐位轉(zhuǎn)換寬帶信號，最簡單的例子，使用定義的擴頻碼和數(shù)據(jù)位異或傳輸，數(shù)據(jù)位為邏輯0狀態(tài)時，擴頻碼直接傳輸，為邏輯1狀態(tài)時，擴頻碼取反。在接收端，用于另一個擴頻碼和數(shù)據(jù)位異或，恢復原始信號。

若延長擴頻碼，將提高抗干擾能力，同時也降低了有效信號數(shù)據(jù)速率，在無線局域網(wǎng)中，擴頻碼通常為8-11位（802.11b 標準）。

圖10 DSSS傳輸步驟

2.8.3 OFDM（正交頻分復用Orthogonal Frequency Division Multiplexing）傳輸步驟

對DSSS，為獲得更高數(shù)據(jù)速率，使用了FDM（頻分復用）技術(shù)，傳輸信道可用的頻段被分為幾個可并行使用的子信道，通過在子信道上并行傳輸數(shù)據(jù)，即使是在相對低碼元率的情況下也能達到了較高的數(shù)據(jù)吞吐量且不會積聚多徑問題，對于正交頻分復用OFDM 技術(shù)，子通道相互移動且信息在子通道上互相沒有重疊干擾（正交），因此所需求的帶寬可減至約50%。OFDM用于多個傳輸標準，在WLAN中，802.11a 和 802.11g 使用OFDM，使傳輸速率最大可達54 Mbps。

圖11 OFDM傳輸步驟

2.8.4 帶FEC的數(shù)據(jù)備份

由于OFDM信息在窄帶子信道上傳輸，與擴頻方法相反，各個子信道上的信號易受干擾，因此數(shù)據(jù)傳輸必須使用糾錯方法加以保護，為了省略消時的重復發(fā)送，數(shù)據(jù)使用前向糾錯（FEC Forward Error Correction）加以保證。這意味著傳輸路徑上發(fā)生的潛在錯誤不僅能被檢測到，且能在一定程度上加以糾正，為此在數(shù)據(jù)流中加入附加信息，以提高整條消息的可識別性。在接收端，附加信息從數(shù)據(jù)流中提取出來，并在需要時用于糾錯。數(shù)據(jù)糾錯使用編碼率表示，也代表了用戶數(shù)據(jù)和整段數(shù)據(jù)的比率。值越小，糾錯性能越好，相對用戶數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)吞吐量越低。因此前向糾錯的優(yōu)點主要針對非保護性媒介如無線電波或電話線纜（ADSL），原理圖如下：

圖12 帶FEC的數(shù)據(jù)備份

在WLAN標準中，OFDM傳輸?shù)那跋蝈e誤檢測率定義在?和3/4之間。

3 無線局域網(wǎng)協(xié)議標準

無線局域網(wǎng)技術(shù)是新世紀無線通信領(lǐng)域最有發(fā)展前景的重大技術(shù)之一。以IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會）為代表的多個研究機構(gòu)針對不同的應(yīng)用場合，制定了一系列協(xié)議標準，推動了無線局域網(wǎng)的實用化。

作為全球公認的局域網(wǎng)權(quán)威，IEEE 802工作組建立的標準在局域網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，并于1999年9月提出802.11b協(xié)議了，之后又推出了802.11a、802.11g、802.11h等一系列協(xié)議，進一步完善了無線局域網(wǎng)規(guī)范。IEEE802.11工作組制訂的具體協(xié)議如下：

3.1 IEEE802.11b/g

802.11b也被稱為Wi-Fi技術(shù)，采用補碼鍵控（CCK）調(diào)制方式，使用2.4GHz ISM頻帶，其對無線局域網(wǎng)通信的最大貢獻是可以支持兩種速率: 5.5Mbit/s和11Mbit/s。多速率機制的介質(zhì)訪問控制可確保當工作站之間距離過長或干擾太大、信噪比低于某個門限值時，傳輸速率能夠從11Mbit/s自動降到5.5Mbit/s，或根據(jù)直序擴頻（DSSS）技術(shù)調(diào)整到2Mbit/s和1Mbit/s。DSSS作為該標準的唯一物理層技術(shù)。

802.11b無線局域網(wǎng)采用CSMA/CA（載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免）技術(shù)和RTS/CTS（請求發(fā)送/清除發(fā)送）技術(shù)，從而避免了網(wǎng)絡(luò)沖突的發(fā)生，可以大幅度提高網(wǎng)絡(luò)效率。其原理是：站點在發(fā)送報文后等待來自接入點AP（基本模式）或來自另一站點（對等模式）的確認幀（ACK），如果在一定的時間內(nèi)沒有收到確認幀，則假定發(fā)生了沖突并重發(fā)該數(shù)據(jù)；如果站點注意到信道上有活動，就不發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，站點將一個請求發(fā)送幀發(fā)送到目的站點，如果信道上沒有活動，那么目的站點將一個清除發(fā)送幀發(fā)送回源站點，這個過程成為“預熱”其他站點，從而防止不必要的沖突。RTS/CTS只用于特別大的報文和重發(fā)數(shù)據(jù)時可能出現(xiàn)嚴重帶寬問題的場合。

802.11g使用2.4GHz ISM頻段，其原始傳送速度為54Mbit/s，凈傳輸速度約為24.7Mbit/s（跟802.11a相同），802.11g的設(shè)備向下與802.11b兼容，它既能適應(yīng)傳統(tǒng)的802.11b標準（在2.4GHz頻率下提供的數(shù)據(jù)傳輸率為11Mbit/s），也符合802.11a標準（在5GHz頻率下提供的數(shù)據(jù)傳輸率56Mbit/s），從而解決了對已有的802.11b設(shè)備的兼容。用戶還可以配置與802.11a、802.11b以及802.11g均相互兼容的多方式無線局域網(wǎng)，有利于促進無線網(wǎng)絡(luò)市場的發(fā)展。

3.2 IEEE802.11a/h

802.11a采用了提高頻率信道利用率的正交頻分復用（OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing）的多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)，OFDM 將無線通信傳輸信號分割成了多個子載波進行傳輸，而每個子載波由于僅僅攜帶了很小一部分的數(shù)據(jù)負載，這樣的話OFDM 技術(shù)就能利用更長的符號周期，從而使通信傳輸信號更不容易受到多徑傳輸?shù)母蓴_或者其他外界的特殊干擾，它還通過提高載波頻譜利用率的方法來提高通信的穩(wěn)定性。這種技術(shù)通過對多載波的調(diào)制改進，讓各子載波相互正交，于是擴頻調(diào)制后的頻譜可以相互重疊，從而減小了子載波間的相互干擾。在對每個載波完成調(diào)制以后，為了增加數(shù)據(jù)的吞吐量，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取?/p>

802.11a工作頻率為5GHz，使用52個正交頻分多路復用副載波，最大原始數(shù)據(jù)傳輸率為54Mb/s，如果需要的話，數(shù)據(jù)傳輸率可降為48 Mb/s、36 Mb/s、24 Mb/s、18 Mb/s、12 Mb/s、9 Mb/s或者6Mb/s。802.11a擁有12條不相互重疊的頻道，8條用于室內(nèi)，4條用于點對點傳輸。

802.11h涉及兩種技術(shù)，一種是動態(tài)頻率選擇（DFS Dynamic Frequency Selection），它用于檢測在一個信道上有其他信號出現(xiàn)，當這樣的信號被檢測到時，就會自動將網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到另一個信道。另一種技術(shù)是傳輸功率控制（TPC Transmission Power Control），它主要是減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臒o線頻率輸出功率，使系統(tǒng)間干擾最小，而且還可以達到更好的網(wǎng)絡(luò)性能。

3.3 IEEE802.11b/g和IEEE802.11a/h基本功能對比

表2 802.11b/g和802.11a/h基本功能對比

3.4 IEEE802.11b/g相關(guān)技術(shù)

3.4.1 IEEE802.11b/g頻段

802.11b/g標準使用相同的2.4 GHz ISM頻段，頻帶被劃分為13個信道，每個帶寬為22 MHz，離中心頻率距離是5 MHz，所以相鄰信道會重疊。

美國只發(fā)布了前面的11個信道，日本使用了另外一個信道（第14個）。

圖13 802.11b/g頻段

3.4.2 IEEE802.11b/g信道劃分

為防止無線電信道重疊，離中心頻率的距離至少為30 MHz（美國25 MHz）。這意味著在相同接收范圍內(nèi)且沒有任何干擾的情況下，最多只有3個WLAN信道可用。

圖14 802.11b/g信道劃分

3.4.3 直接序列展頻技術(shù) (Direct Sequence Spread Spectrum DSSS)

DSSS工作方式，就是用高速率的擴頻序列在發(fā)射端擴展信號的頻譜，而在接收端用相同的擴頻碼序列進行解擴，把展開的擴頻信號還原成原來的信號。DSSS將原來較高功率、較窄的頻率變成具有較寬頻的低功率頻率，以在無線通信領(lǐng)域獲得令人滿意的抗噪聲干擾性能。

對于擴頻，用定義了的11位編碼來傳輸1Mbps和2Mbps傳輸速率。為實現(xiàn)5.5Mbps和11Mbps數(shù)據(jù)傳輸率，使用了8比特（切片）的短擴頻碼，傳輸速率增加了11/8或1.375。另外，這里的擴頻碼是變量，其選擇取決于用戶數(shù)據(jù)（補碼鍵控，CCK Complementary Code Keying），這意味著部分傳輸?shù)男畔⒃跀U頻中編碼，傳輸?shù)拇a元的信息內(nèi)容增加到4或8比特/碼元。

每個信道帶寬：22MHz

碼元速率：1.375MBd

這使得傳輸數(shù)據(jù)速率達到：8比特/碼元*1,375,000碼元/s=11Mbps

圖15 DSSS參數(shù)

3.4.4 IEEE802.11b數(shù)據(jù)速率

802.11b標準在1Mbps到11Mbps間定義了4種數(shù)據(jù)速率。不同的數(shù)據(jù)速率有不同的調(diào)制類型、可變的擴頻碼（CCK）以及兩者擴頻碼的長度（8或11位）。此時，信號質(zhì)量標準也隨著傳輸速率的提高而提高，接收器靈敏度在標準中設(shè)定。

表3 802.11b數(shù)據(jù)速率

3.5 IEEE802.11a/h相關(guān)技術(shù)

3.5.1 IEEE802.11a/h頻段

802.11a是美國發(fā)布的標準，在美國，它覆蓋了在5G頻段范圍內(nèi)非授權(quán)國家信息基礎(chǔ)設(shè)施頻段（UNII Unlicensed National Information Infrastructure），該頻段與歐洲的2.4GHz ISM頻段具有相同的技術(shù)影響。在美國，使用3個帶寬為100MHz的頻段，有12個帶寬為20MHz的信道。

與美國相反的是，歐洲不能自由使用5GHz頻段，此頻段用于雷達系統(tǒng)，定位系統(tǒng)或無線電業(yè)余愛好者。在歐洲，使用5GHz頻段的前提是防止現(xiàn)存應(yīng)用間的相互干擾，因此，在5GHz頻段使用WLAN設(shè)備必須遵循在802.11h標準（802.11a補充協(xié)議），包括動態(tài)頻率選擇（DFS）和傳輸功率控制（TPC）規(guī)則。與802.11h一致，在低頻段可使用8個信道，在高頻段可使用11個信道，低頻段必須在室內(nèi)使用。允許傳輸功率EIPP（等向輻射功率，Equivalent Isotropic Radiated Power）取決于WLAN設(shè)備是否具有TPC和DFS，根據(jù)設(shè)備性能，有三種傳輸功率，分別是30mW（無TPC）、60 mW（有TPC）和200 mW（有TPC和DFS）。只有高頻才可在室外使用，允許的傳輸功率是1000mW，其前提條件是無線設(shè)備具有TPC和DFS功能。

圖16 802.11a/h頻段

3.5.2 IEEE802.11a/h信道

與2.4GHz頻段一樣，5GHz頻段的信道號的帶寬為5MHz，對OFDM傳輸，實際需要的帶寬是16.6MHz。在標準中給出了在中心頻率間的最小距離為20MHz，這決定了5GHz頻段內(nèi)所提供的信道數(shù)量。

中心頻率由信道數(shù)量推導出的，如下：

中心頻率=5.00+0.005*信道數(shù)量[MHz]

其它信道發(fā)布：

日本：信道34、38、42、46；

新加波：信道36、40、44、48；

臺灣：信道52、56、60、64。

圖17 5GHz信道劃分

圖18 OFDM參數(shù)

3.5.3 OFDM參數(shù)

802.11a/g/h標準使用52個子載波（在OFDM中定義了64）

? 48個數(shù)據(jù)+4個導引

? （加12個虛擬次載波）

? 312.5 kHz信道距離

調(diào)制方法：64-QAM→6比特/碼元和子信道

碼元速率：250kBd

數(shù)據(jù)安全編碼率： →4比特中包含3位用戶數(shù)據(jù)

由此決定的傳輸速率：

6比特/碼元*250,000碼元/s*48數(shù)據(jù)信道* =54Mbps。