無線通信技術(shù)原理與射頻識(shí)別特性 |
| 發(fā)布時(shí)間:2020-11-28 16:23:34
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無線通信技術(shù)原理
隨著技術(shù)的發(fā)展，無線通信技術(shù)發(fā)展速度已經(jīng)超過有線通信技術(shù)，與有線通信相比，無線通信有很多優(yōu)點(diǎn)。其中最重要的是它免布線更靈活。無線信號(hào)可以從一個(gè)發(fā)射器發(fā)送到很多接收器，不需要電纜。所有無線信號(hào)都是與電磁波一起通過空氣傳遞的，電磁波是由電子部分和能量部分組成的能量波。在無線通信中，頻譜包括9khz到30萬Ghz之間的頻率，每個(gè)無線服務(wù)都與無線頻譜區(qū)域相關(guān)聯(lián)，無線信號(hào)也來自于沿著導(dǎo)體傳輸?shù)碾娏?。電子信?hào)從發(fā)射器到達(dá)天線，然后天線將信號(hào)以一系列電磁波發(fā)射到空氣中，信號(hào)空氣傳播通過，直到到達(dá)目標(biāo)位置。在目標(biāo)位置，另一個(gè)天線接收信號(hào)，接收器將其轉(zhuǎn)換回電流。接收和發(fā)送信號(hào)都需要天線，天線分為全向天線和定向天線。由于信號(hào)傳播中反射、衍射和散射的影響，無線信號(hào)沿多條不同路徑到達(dá)目的地，形成多路徑信號(hào)。
無線通信基本原理
無線通信是利用傳播信號(hào)在自由空間傳播的特性交換信息的一種通信方式。在移動(dòng)中進(jìn)行的無線通信也稱為移動(dòng)通信，人們將兩者稱為無線移動(dòng)通信。簡(jiǎn)單地說，無線通信是只使用電磁波，不使用電纜的通信方式。
1、無線頻譜
所有無線信號(hào)都是與電磁波一起通過空氣傳遞的，電磁波是由電子部分和能量部分組成的能量波。聲音和光是電磁波的兩個(gè)例子。無線頻譜的波是看不見或聽不到。
無線頻譜是用于具有不同頻率和波長(zhǎng)的遠(yuǎn)程通信的電磁波連續(xù)體。無線頻譜包括9khz到30萬Ghz之間的頻率。每個(gè)無線服務(wù)都與無線頻譜區(qū)域相關(guān)聯(lián)。例如，AM廣播包括無線通信頻譜的低端頻率，使用535至1605khz之間的頻率。
無線頻譜是所有電磁波頻譜的子集。自然界中仍然有頻率更高或更低的電磁波，但它們不用于遠(yuǎn)程通信。低于9kz的頻率用于特殊應(yīng)用程序，如野生動(dòng)物追蹤或車庫門開關(guān)。頻率超過30萬GHz的電磁波在人類身上很難體現(xiàn)，正是因?yàn)檫@個(gè)原因，他們不能通過空氣進(jìn)行通信。例如，將頻率為428570Ghz的電磁波識(shí)別為紅色。
當(dāng)然，空氣傳播通過信號(hào)并不一定留在一個(gè)國(guó)家。因此，世界各國(guó)就無線遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成協(xié)議非常重要。ITU是決定國(guó)際無線服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)，包括頻率分配、無線設(shè)備使用的信號(hào)傳輸和協(xié)議、無線通信和接收設(shè)備、衛(wèi)星軌道等。如果政府和公司不遵守ITU標(biāo)準(zhǔn)，則可能無法在制造無線設(shè)備的國(guó)家以外使用。
2、無線通信特性
有線信號(hào)和無線信號(hào)有很多相似之處，如使用協(xié)議和編碼，但空氣的本質(zhì)使無線通信與有線傳輸大不相同。工程師們談?wù)摕o線通信的時(shí)候，他們把空氣當(dāng)作“沒有誘導(dǎo)的介質(zhì)”。因?yàn)榭諝獠惶峁┬盘?hào)可以遵循的固定路徑，所以信號(hào)傳輸不被誘導(dǎo)。
與有線信號(hào)一樣，無線信號(hào)也來自沿著導(dǎo)體傳輸?shù)碾娏?。電子信?hào)從發(fā)射器到達(dá)天線，然后天線將信號(hào)以一系列電磁波發(fā)射到空氣中。信號(hào)空氣傳播通過，直到到達(dá)目標(biāo)位置。在目標(biāo)位置，另一個(gè)天線接收信號(hào)，接收器將其轉(zhuǎn)換回電流。
無線信號(hào)的發(fā)送端和接收端都使用天線，要交換信息，連接到每個(gè)天線的收發(fā)器必須調(diào)整為相同的頻率。
3、射頻天線
所有無線服務(wù)都需要專門設(shè)計(jì)的天線。服務(wù)規(guī)格決定天線的功率輸出、頻率和輻射度。天線的“輻射圖”描述了天線發(fā)送和接收的所有電磁能量三維區(qū)域的相對(duì)長(zhǎng)度。定向天線向單獨(dú)的方向發(fā)送無線信號(hào)。當(dāng)源需要與目標(biāo)位置(如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接)通信時(shí)，使用此天線。定向天線還可以用于多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)排列在一行中?；蛘撸捎谔炀€可以使用能量向更多的方向發(fā)送信號(hào)或向一個(gè)方向發(fā)送更長(zhǎng)的距離，因此保持信號(hào)特定距離的強(qiáng)度可能比覆蓋更大的地理區(qū)域更重要。使用定向天線無線服務(wù)的一些例子包括衛(wèi)星下行和上行鏈路、無線局域網(wǎng)、宇宙、海洋和航空導(dǎo)彈。
相反，“全方位天線”在所有方向以相同的強(qiáng)度和清晰度發(fā)送和接收無線信號(hào)。該天線在多個(gè)接收器需要能夠接收信號(hào)或接收器的位置非常容易變化的情況下使用。電視臺(tái)和電視臺(tái)使用全方位天線，發(fā)送移動(dòng)電話的大部分發(fā)射塔也是如此。
無線信號(hào)傳輸中的一個(gè)重要考慮因素是天線可以傳輸信號(hào)的距離，同時(shí)信號(hào)可以足夠強(qiáng)，能夠被接收器明確解釋。無線通信的簡(jiǎn)單原則是強(qiáng)信號(hào)傳輸比較弱的信號(hào)更遠(yuǎn)。
正確的天線位置對(duì)確保無線系統(tǒng)的最佳性能也很重要。用于傳輸遠(yuǎn)程信號(hào)的天線經(jīng)常安裝在塔或高層頂部。從高處發(fā)射信號(hào)可以保證接收較少的障礙和更好的信號(hào)。
4、信號(hào)傳播
理想情況下，無線信號(hào)直接從發(fā)射器傳播到預(yù)期接收器。這種傳播被稱為“視線”(LineOf Sight，LOS)，幾乎不使用能量，能收到非常明確的信號(hào)。但是，由于空氣是未誘導(dǎo)的介質(zhì)，發(fā)射器和接收器之間的路徑不明確，所以無線信號(hào)通常不會(huì)沿直線傳播。如果障礙物阻斷信號(hào)的路徑，信號(hào)可能會(huì)繞過該物體，被物體吸收，或發(fā)生發(fā)射、衍射或散射等現(xiàn)象。物體的幾何形狀決定了這三種現(xiàn)象之一的發(fā)生。
(1)反射、衍射和散射
無線信號(hào)傳輸?shù)摹胺瓷洹迸c其他電磁波(如光或聲音)的反射沒有區(qū)別。波遇到障礙，反射——或以源反彈。對(duì)于大小大于信號(hào)平均波長(zhǎng)的物體，無線信號(hào)會(huì)再次反彈。例如，想想微波爐。微波的平均波長(zhǎng)小于1毫米，所以一旦微波發(fā)出，就會(huì)反射到微波爐的內(nèi)壁(通常至少15厘米長(zhǎng))。究竟哪個(gè)物體引起無線信號(hào)反射取決于信號(hào)的波長(zhǎng)。無線局域網(wǎng)可以使用波長(zhǎng)在1到10米之間的信號(hào)，因此這些物體包括墻壁、地板天花板和地面。
在衍射中，無線信號(hào)在遇到障礙物時(shí)分解為輔助波。第二波繼續(xù)向分解的方向傳播。如果你能看到衍射的無線信號(hào)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它在障礙物周圍彎曲。有尖銳邊緣的物體——包括墻壁和桌子的角度，可能會(huì)發(fā)生衍射。
散射是指信號(hào)在多個(gè)方向擴(kuò)散或反射。當(dāng)無線信號(hào)遇到比信號(hào)波長(zhǎng)小的物體時(shí)，就會(huì)發(fā)生散射。散射也與無線信號(hào)相遇表面的粗糙度有關(guān)。表面也很粗糙，遇到這個(gè)表面信號(hào)更容易散射。在野外，樹木會(huì)把標(biāo)志都造成移動(dòng)電話信號(hào)的散射。另外，霧、雨、雪等環(huán)境條件也會(huì)引起反射、散射和衍射
(2)多路徑信號(hào)
由于反射、衍射和散射的影響，無線信號(hào)沿著多種不同的路徑到達(dá)目的地。這些信號(hào)被稱為“多路徑信號(hào)”。多路徑信號(hào)的生成并不取決于信號(hào)的傳輸方式。它們可以從源開始，在多個(gè)方向具有相同的發(fā)射強(qiáng)度，也可以從源開始，主要朝一個(gè)方向發(fā)射。但是信號(hào)傳輸后，由于反射、衍射和散射的影響，會(huì)沿著很多路徑傳播。
無線信號(hào)的多路徑特性是優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。另一方面，信號(hào)反射在障礙物上，因此更有可能到達(dá)目的地。在辦公建筑等環(huán)境下，無線服務(wù)依靠對(duì)墻壁、天花板、地板和家具的信號(hào)反射，最終可以到達(dá)目的地。多路徑信號(hào)傳輸?shù)娜秉c(diǎn)是多路徑信號(hào)在發(fā)射器和接收器之間的不同距離傳播。因此，同一信號(hào)的多個(gè)實(shí)例在不同的時(shí)間到達(dá)接收器，導(dǎo)致淡入和延遲。
5、窄帶、寬帶和擴(kuò)展頻譜信號(hào)
傳輸技術(shù)取決于信號(hào)使用無線頻譜的部分大小。一個(gè)重要的區(qū)別是無線使用窄帶或?qū)拵盘?hào)傳輸。在窄頻帶中，發(fā)射機(jī)在單個(gè)頻率或極小的頻率范圍內(nèi)集中信號(hào)能量。與窄頻帶不同，“寬帶”是指使用無線頻譜的較寬頻帶的信號(hào)傳輸方式。
使用多種頻率傳輸信號(hào)稱為擴(kuò)展頻譜技術(shù)。也就是說，在傳輸過程中，信號(hào)不會(huì)停留在一個(gè)頻率范圍內(nèi)。在寬頻帶上分散信號(hào)的結(jié)果是，每個(gè)頻率需要的功率比窄頻帶信號(hào)傳輸少。信號(hào)強(qiáng)度的這種分布使擴(kuò)展頻譜信號(hào)更難干擾在同一個(gè)頻帶上傳輸?shù)恼l帶信號(hào)。將信號(hào)分散到多個(gè)頻率的另一個(gè)結(jié)果是提高安全性。信號(hào)根據(jù)只有批準(zhǔn)的發(fā)射器和接收器知道的序列分布，因此未經(jīng)認(rèn)證的接收器更難捕獲和解碼這些信號(hào)。
擴(kuò)展頻譜的特定實(shí)現(xiàn)之一是跳頻展頻(FHSS)。在FHSS傳輸中，信號(hào)以與信道接收器和發(fā)射器相同的同步模式在一個(gè)頻帶的不同頻率之間跳躍。另一個(gè)擴(kuò)展頻譜信號(hào)稱為直接序列展頻(DSSS)。在DSSS中，信號(hào)的比特同時(shí)分布在整個(gè)頻帶中。接收器接收這些位時(shí)，對(duì)每個(gè)位進(jìn)行編碼，以便重新配置原始信號(hào)。
6、固定和移動(dòng)
每個(gè)無線通信都屬于兩個(gè)類別之一：固定或移動(dòng)。在“固定”無線系統(tǒng)中，發(fā)射器和接收器的位置不變。傳輸天線將它的能量直接對(duì)準(zhǔn)接收器天線，這樣就可以對(duì)信號(hào)使用更多的能量。固定無線連接在需要跨越長(zhǎng)距離或復(fù)雜地形的情況下比鋪設(shè)電纜更經(jīng)濟(jì)。
但是，固定無線不適用于某些通信。例如，移動(dòng)用戶不能使用需要停留在一個(gè)位置才能接收信號(hào)的服務(wù)。相反，手機(jī)、尋呼、無線局域網(wǎng)和許多其他服務(wù)都使用移動(dòng)無線系統(tǒng)。在移動(dòng)無線系統(tǒng)中，接收器可以位于發(fā)射器特定范圍內(nèi)的任何位置。這樣，接收器可以從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，同時(shí)繼續(xù)接收信號(hào)。
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