基于有線電視同軸電纜傳輸WiFi信號的設計與仿真*

陳宇波,張照鋒,陳毅華,錢國明

(1.南京郵電大學電子科學與工程學院,南京 210003;2.南京信息職業技術學院,南京210023;3.江蘇省廣電有線信息網絡股份有限公司無錫分公司,江蘇 無錫 214000)

基于有線電視同軸電纜傳輸WiFi信號的設計與仿真*

陳宇波1,張照鋒2*,陳毅華3,錢國明1

(1.南京郵電大學電子科學與工程學院,南京 210003;2.南京信息職業技術學院,南京210023;3.江蘇省廣電有線信息網絡股份有限公司無錫分公司,江蘇 無錫 214000)

為了有效解決家庭WiFi信號傳輸不穩定的問題,提出了基于有線電視同軸電纜傳輸WiFi信號的方案。通過測試無線信號在同軸電纜中的衰減性能,驗證了WiFi信號基于同軸電纜傳輸比在自由空間傳播有更好的傳輸性能。最后設計和仿真了有線電視信號和WiFi信號的混合分配電路,經過實際測試,驗證了其在一般家庭布線下傳輸的適用性和可靠性。

WiFi;同軸電纜;傳輸特性;混合分配電路

現今WiFi已經成為無線通信不可或缺的一部分,其傳輸性能與質量顯得尤為重要。在家庭室內環境下,路由器發射出的無線信號要經過相當一段距離才能傳到電腦或手機終端,信號還要因為墻壁或天花板而大幅衰減,這導致終端接收到的無線信號的質量得不到保證,經常會出現網速不穩定甚至信號時斷時續的情況[1-3]。在WLAN建設中,經常會遇到業主協調或布線困難等情況,給WLAN室內覆蓋的發展與建設帶來了很多問題。就目前來看,同軸電纜有線電視網絡在我國有較高的普及率,即使是較為偏遠的地區都通有同軸電纜網,而且其有很寬的傳輸帶寬。考慮到同軸電纜的這些特點,將WLAN信號饋入同軸電纜,接入家庭用戶,這不僅解決了以往建設WLAN網絡中遇到的困難,還充分發揮了同軸電纜的優勢。且由于是在原有的同軸電纜網上進行改造,施工簡單,無須現場勘測即可制定方案。雖然傳統觀點認為,有線電視網絡同軸電纜只適用于1 000 MHz以下信號的傳輸,對于超出這個頻率的信號,同軸電纜衰減太大。然而,在一定的應用環境和條件下,與自由空間相比,同軸電纜傳輸頻率在1 GHz以上信號的優勢依然十分突出[4]。

1 同軸電纜上的無線網絡簡介

同軸電纜上的無線網絡,即WOC(WLAN Over Cable)。其基本原理是將有線電視信號和WiFi信號在同軸電纜的不同頻段,通過在網絡側增加混合分配器,進行有線電視信號和無線網絡信號的合路傳輸并在用戶端分離使用。

從傳輸角度看,WOC是一套802.11b/g/n 無線網絡的天線延伸系統。AP位于機頂盒WiFi模塊,在這里WLAN和CATV信號混合后一起輸入到現有的同軸線路,利用同軸電纜在全屏蔽無干擾下直接輸送到用戶房間內,最后通過WOC面板(分離器)將信號分開,實現房間內優質無干擾無線網絡覆蓋和電視功能。

WOC可以理解為EOC(Ethernet Over Cable,同軸電纜上的以太網)中的一種接入技術[5]。其實現方式通常有兩種,標準2.4 GHz WiFi和降頻WiFi。其最大的區別是使用的頻段不同以及是否變頻,降頻WiFi實現方式較為復雜,且降頻到哪個頻段未標準化,容易造成兼容性差的問題,故本文主要介紹標準2.4 GHz WiFi。

圖1 WOC系統應用場景

2 同軸電纜傳輸特性分析及性能測試

同軸電纜(Coaxial Cable)是指有兩個同心導體,而導體和屏蔽層又共用同一軸心的電纜[6]。

用傳輸線理論中微波等效電路的方法對同軸電纜的傳輸特性進行分析[7]。其傳輸常數為:

式中:R,L,G,C分別為傳輸線分布電阻,分布電感,分布電導和分布電容。α為衰減常數,β為相移常數。本文主要研究信號在同軸電纜傳輸中的衰減,故主要關注衰減常數α。電纜總衰減計算式可由下式給出[8]。

式中:α導為導體損耗(dB/m),α介為介質損耗(dB/m),d為內導體有效外徑(mm),D為外導體有效內徑(mm),k1為內導體結構皺紋系數,k2為外導體結構皺紋系數,Z0為線纜特性阻抗(Ω),f為信號頻率(MHz),εe為介質介電常數,tanδ介質損耗角正切。

根據上述分析,可得普通75Ω同軸電纜的衰減常數:

式中:l為傳輸距離。由于主要關注信號的衰減,故忽略了相移常數β。

通過MATLAB仿真WiFi信號通過同軸電纜的衰減情況。在MATLAB中產生一個標準的OFDM調制的WiFi信號,如圖2所示。

圖2 2.4 GHz信號頻譜

圖3 衰減50 m信號頻譜

假設傳輸距離為50 m,根據前面給出的計算公式可得信號通過同軸電纜后的幅度譜,如圖3所示。

50 m頻帶內衰減值約為27 dB。可看出2.4 GHz信號在同軸電纜中的傳輸性能比較優越。

通過ADS的S參數仿真分析觀察信號在同軸電纜中的衰減性能。

S參量即散射參量,在射頻頻段內,網絡端口與外界連接的是各類傳輸線,端口上的場量由入射波和反射波疊加而成[9],散射參量采用入射行波和反射行波表征各網絡端口的相互關系。

同軸電纜的信道模型可等效為一個二端口網絡。設a1,a2為入射波,b1,b2為反射波。其相互關系為:

信號在同軸電纜中傳輸的S參數矩陣為:

編寫S參數文件并導入ADS的S參數仿真元件S2P,傳輸距離為50m,仿真頻段從直流一直到2.5GHz。仿真結果如圖4所示。

圖4 50 m同軸線衰減圖

在2.4 GHz頻段處衰減了27 dB。

將WiFi信號在自由空間傳播與在同軸電纜中傳輸作比較。

電磁波在自由空間傳播的衰減公式為:

空間損耗=20lgf+20lgD+32.4其中f(MHz)為信號頻率,D(km)為傳輸距離。計算可得傳播50 m衰減值為74 dB。

由此可見相較于自由空間,2.4 GHz信號在同軸電纜中傳輸有較好的衰減性能。從信號的衰減方面來看,WiFi信號在有線電視同軸電纜中傳輸是完全可行的。

接下來進行同軸電纜衰減性能的實際測試,測試方案為將50 m長的同軸電纜兩端通過阻抗轉換器分別接到矢量網絡分析儀信號源端和接收端,觀察信號通過同軸電纜的散射參量S21,由此測試同軸電纜的衰減性能。

本次測試所使用的電纜是SYWV-75 Ω同軸線,測試儀器為ROHDE&SCHWARZ ZVA矢量網絡分析儀。測試環境如圖5所示。

圖5 衰減性能測試環境

可得其S曲線圖如圖6所示。

圖6 傳輸50 m的S曲線

從測試結果看,50 m同軸線在2.4 GHz頻段衰減了大約30 dB,比理論分析值高出3 dB,測試結果較為理想。與在自由空間傳播50 m衰減74 dB相比,同軸電纜的傳輸性能要優越很多。

3 設計關鍵點

研發的關鍵是設計一種基于同軸電纜傳輸的有線電視信號和WLAN信號的混合分配電路并替換原有的有線電視分支分配器,這樣可以在原有的有線電視布線的基礎上進行無線信號的傳輸。圖7為信號混合分配電路的電路結構。

圖7 電路功能結構

圖8 信號混合分配電路電路的基本設計完成后對其進行S參數仿真。

因為設計出來的電路是要利用現有的有線網絡進行傳輸,所以設計的依據就是在現有的有線電路用的器件進行相關設計以達到功能要求。圖8為信號混合分配電路的基本思想。

電路的基本設計完成后對其進行S參數仿真。有線電視信號頻率在1 GHz以下,WLAN信號則處于2.4 GHz頻段。由圖9可知,此設計的電路信號通過性良好,并且基本將CATV信號與WLAN信號分隔開,避免了相互干擾。完成了兩種不同頻段信號的混合分配功能。圖8為二進一出或一進二處的電路結構,具體設計二分四,二分八等電路只需稍作改變,在此不做贅述。

圖9 電路S參數曲線

4 器件傳輸損耗測試

最后進行混合/分配器及分離面板的傳輸損耗測試。本次測試選取二進四出合路器,信號分離面板作為待測器件。測試儀器為N9020A頻譜儀,E4438C矢量信號發生器。

首先在PC端用波形生成軟件WLAN N7617B生成一個標準的802.11無線信號。將生成的信號下載到矢量信號發生器。并通過待測器件傳輸至頻譜儀。

同時考慮到802.11標準的特點,分別對802.11n 20 MHz、802.11n 40 MHz進行測試,并在每種方案中選擇調制方式為64QAM,16QAM,QPSK,BPSK的速率各一種作為代表。同時,在測量的過程中注意觀察輸入信號的功率大小,盡量避免因功率過大而導致EMV不達標、星座圖混亂的情況。

圖10 傳輸損耗測試環境

圖11 802.11信號頻譜

具體測試結果如表1與表2所示。

表1 二進四出合路器損耗測試

表2 信號分離面板損耗測試

一臺普通無線路由器的發射功率一般為25 dBm～40 dBm,當WiFi接收信號的強度超過-60 dBm時,相應的連接速率、吞吐量和延時等指標與通過網線接入較為接近[10]。所以一般把-60 dBm當作信號高品質覆蓋的零界點。從上述測試結果可知,在不同調制方式下混合分配器對WiFi信號的衰減為10 dB～13 dB,信號分離面板的衰減為2.5 dB～5.5 dB,再加上同軸電纜的傳輸損耗(普通家庭布線一般在5 m～15 m,損耗3 dB～8 dB)。即使考慮大戶型信號分配數增多及布線加長的情況下,加上房間內空氣傳播的損耗(約為50 dB),接受信號功率仍超過-60 dBm,性能比較優越。

5 結束語

本文提出了同軸電纜上的無線網絡系統,通過理論分析以及實際測試2.4 GHz無線信號在同軸電纜中的傳輸性能,驗證了WiFi信號在有線電視同軸電纜中傳輸的可行性,并設計、仿真、測試了有線電視信號與WiFi信號的混合分配/分離電路,結果表明該電路可以達到對 CATV/WiFi信號的有效混合和分配,傳輸性能可靠。這將解決現有家庭無線網絡信號傳輸不穩定的問題,改善室內通信質量。

[1] Bitran L,Consumer Y. 802.11 over Coax-A Hybridcoax-Wireless Home Network Using 802.11 Technology[C]//Communications and Networking Conference,2004. CCNC 2004. First IEEE.

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[3] Golombekand H,Zussman M. Multi-Band Cellular Service over Direct Broadcasting Service(DBS)Network. US Patent App. 2005/0030915,February 2005.

[4] 李峰,陶洋,李牧. 同軸電纜之上的802.11無線網絡[J]. 通信技術,2008,8(41):139-141.

[5] 孫廣文. 同軸電視電纜在構建有線無線家庭網絡中的應用研究[D]. 陜西:西安電子科技大學,2013.

[6] 張小龍. 同軸電纜接入網信道建模與故障診斷方法研究[D]. 湖北:華中科技大學,2013.

[7] 蘇浩. 寬帶同軸電纜網絡的建模與仿真[D]. 湖北:華中科技大學,2013.

[8] 李慶和. 皺紋外導體泡沫PE絕緣RF同軸電纜的衰減特性[J]. 光纖與電纜及其應用技術,2011,3(3):1-3.

[9] David M Pozar. 微波工程[M]. 第3版. 張肇儀,周樂柱,吳德明,等譯. 北京:電子工業出版社,2008.

[10] 胡曉東. 基于三網融合WiFi覆蓋研究[J]. 電視技術,2014,38(21):82-84.

Design and Simulation of WiFi Signal Transmission Based on TV Coaxial Cable*

CHENYubo1,ZHANGZhaofeng2*,CHENYihuang2,QIANGuoming1

(1.Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China;2.Nanjing College of Information Technology,Nanjing 210023,China;3.Jiangsu Broadcasting Cable Information Network Corp,Ltd. Wuxi Branch,Wuxi Jiangsu 214000,China)

In order to effectively solve the instable problem of wireless signal transmission in modern architecture,this paper proposed the scheme of using coaxial cable to transmit 2.4 GHz wireless signal. The better transmission performance of WiFi signal in coaxial cable is verified by testing the attenuation performance of 2.4 GHz signal spreading in coaxial cable.In the end,the hybrid and distribution circuit of CATV signal and WiFi signal is designed and simulated. Through actual measurement,the applicability and reliability in transmission of the circuit under the traditional home wiring is verified.

WiFi;coaxial cable;transmission characteristics;hybrid and distribution circuit

項目來源:江蘇廣電無錫分公司WOC無線覆蓋系統項目

2016-04-28 修改日期:2016-06-07

TN913

A

1005-9490(2017)03-0717-05

C:8310

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.040