02-无线技术基础

 

一、课程目标

• 了解电磁波的相关属性和传播特性

• 掌握各功率计算单位间的换算关系

• 了解WLAN的调制传输方式

• 了解射频收发器与天线

 

二、电磁波

（1）波的基本概念：某一物理量的扰动或振动在空间逐点传递时形成的运动。

        

• 波长

• 振幅

• 频率

• 波速

波速u=波长λ x 频率f

 

（2）电磁波相关属性

• 电磁波波长与频率的关系

  • λ波长

  • f -频率

  • c -光速（3*10^8） c=λ * f

• 电磁波的相关属性

  • 能量

  • 方向

  • 极化

  • 相位

（3）常见电磁波的频率分布

 

无线电的波长最长，Y射线的波长最短

• 无线电波：3000米~0.3毫米

• 红外线：0.3毫米~0.75微米

• 可见光：07微米~0.4微米

• 紫外线：0.4微米~10微米

• X射线：10微米~0.1微米

• Y射线：0.1微米~0.001微米

• 高能射线：小于0.001微米

802.11b/a/g协议使用的2.4GHz与5GHz频段属于无线电波中超高与极高的相关频段。对应的波长分别在10cm和5cm左右。

电磁波波长越长，电磁波对障碍物的衍射穿透能力越强，传播距离越远。

2.4G WiFi的频率比5G要低，波长更长，所以2.4G WiFi的覆盖范围更大。而5G WiFi的优势在于频率资源丰富，可划分更多的信道。

 

三、电磁波的传播特性

（1）路径损耗

 

电磁波在自由空间的路径损耗为：32.45+20lgf+20lgd f为电磁波频率，d为传输的距离

• 电磁波传播时的路径损耗与其频率相关。频率越高的电磁波损耗越严重，覆盖范围越小。

• 实际环境中，电磁波穿过障碍物时，能力将会大幅减少，不同物质对电磁的损耗情况也不尽相同。

          

• 障碍物的密度越大对无线信号的损耗影响就越大

• 其中金属对无线信号的损耗最强

 

（2）反射、折射

      

• 反射：是电磁波遇到别的媒介分界面时，部分仍在原物质中传播的现象

• 反射定律：

  • 反射光线、入射光线和法线都在同一平面内

  • 反射光线、入射光线分居法线两侧

  • 反射角等于入射角

• 折射：是波穿过不同的介质的适合传播方向会发生变化

• 折射定律

  • 折射光线、入射光线和法线在同一个平面内

  • 折射光线、入射光线分居法线两侧

  • 折射角与入射角关系：

    • 入射光线垂直界面入射时，折射角等于入射角等于0°

    • 光从空气斜射入到介质中时，折射角小于入射角

    • 光从水等介质斜射入空气中时，折射角大于入射角

• 注意：在两种介质的交界处，即发生折射，同时也发生反射

• 频率越高、建筑物越高、接收天线与建筑物越近，信号强度与通信质量受影响程度越大。

 

（3）多径

      

• 在安装WLAN设备时，需要考虑多径的影响，避免设备安装在反射较严重的物质附近（如金属、有涂层的玻璃等）

 

四、功率计算单位

• 功率计算单位包括：dB、dBm、dBW

• 相对功率用dB表示，例如描述“增益”、“衰耗”等，用dB单位

• 绝对功率用dBm、dBW单位

 

五、信号

信号：含有所传送信息的可检测到的发射能量。

• 随时间变化的信号

  通过示波器可查看信号在时域的变化

• 随频率变化的信号

  通过频谱分析可查看信号的频域的变化

• 噪音

  常见噪音为白噪音（高斯噪音）和窄带干扰

 

六、带宽

带宽是通信系统中一个非常重要的概念，分为两种基本的带宽类型：模拟带宽和数字带宽

• 模拟带宽

  电磁信号在频域内宽度，即所含的最高频率与最低频率的差值。也称信道带宽，单位为赫兹（Hz）

• 数字带宽

  某一信道在单位时间内能传递的信息量，单位为比特每秒（bps）

  吞吐量：一般情况下，吞吐量仅指实际承载的业务数据量，而不包含协议开销，所以实际的吞吐量通常小于系统的数字带宽

 

七、调制与传输技术

调制与传输技术在网络中的应用

 

• 调制：就是根据所需发送的信息来改变载波的相关属性，以便使信息编码在载波上。

• 解调：实质上就是调制的反过程，从载波中提取出发送的信息。

（1）调制技术

（2）WLAN调制技术

（3）WLAN传输技术

 

八、射频收发器与天线

（1）射频收发器

• 射频收发器：也叫射频芯片，无线信号之源头。它直接产生高频电磁信号，也能对接收到的电磁信号进行调制解码。

• 任何一台WLAN设备，也包括支持WLAN的无线终端，都有射频芯片，它就是射射频收发器。

 

（2）天线

• 无线通信借助自由空间的电磁波来传输信号数据，而天线就是连接无线设备线缆和自由空间的媒介

• 天线的作用

  是把高频电磁能转换为电磁波向自由空间辐射出去，或反之将自由空间中的电磁波转换为传输线缆中的高频电磁能。

  天线是发射和接收电磁波的一个重要无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。

• 天线的分类

  • 用途：通信天线、电视天线、雷达天线

  • 工作频段：短波天线、超短波天线、微波天线

  • 方向性：全向天线、定向天线

  • 外形：线状天线、面状天线

  不管天线用于哪种无线通信技术，其大小尺寸用于与电磁波波长相当。比如：WLAN 2.4G波长约为12.5cm，那么WLAN天线的尺寸也大约与一台iPhone相当。

 

（3）天线的主要工作参数

• 在所有的无线通讯系统中，通讯的双方都必须有天线。天线是电磁信号连接自由空间的媒介。

• 天线的主要参数：

  • 工作频率

  • 方向性

    • 全向天线：水平面上各向能量辐射相等的天线

      

    • 定向天线：水平面上各向能力辐射不相等的天线称为定向天线

      定向天线的原理就是利用反射板把辐射能量控制到单侧方向从而构成扇形区覆盖天线。

  • 增益

  • 极化方向

  • 波瓣宽度

  •