工業無線技術理論與應用（二）

菲尼克斯電氣（南京）研發工程中心有限公司 張 龍，吳勇志

2.6 電磁場

2.6.1 電磁場的產生

要產生電磁場，則需要使用振蕩電路，通過諧振頻率激發振蕩電路，額外能量在電容和繞組線圈間連續振蕩，線圈中的磁場和電容中的電場連續產生和分解，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向外，同時線圈的效果通過長導線繼續，結果是偶極天線，其電場線和磁場線在空間延伸得很遠。

圖1 電磁場的產生

2.6.2 偶極子

偶極子也通過電磁波發射能量，它必須通過頻率發生器提供，發生器和天線波阻抗必須防止反射，理想發生器在偶極子產生標準的電磁波，為此，所選擇的頻率產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）發射器發射大約100MHz頻率，其波長計算結果為：

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。

發射過程也可以顛倒過來。如果偶極子具有相應的諧振頻率，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，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 信號調制

通過天線發射的電磁波創造了自身信號傳輸的媒介，有輻射作用的基本振蕩頻率也稱為有效信號，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。在現場總線系統中，信號通常用電或光（電壓，電流或光強度）來定義，在無線技術中，信號需要通過載波檢測調制來呈現，調制類型分：AM調幅（如中波）、FM 調頻（如超短波）、PM 調相（如數字信號顯示）。

圖4 信號調制

2.7.3 信號編碼

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

圖5 數字信號編碼

2.7.4 信號調制和解調

信號可在期望頻率范圍內通過在載波頻率上偏移基本信號來實現傳輸。

圖6 信號調制和解調

2.7.5 碼元

通信技術中，信息通過碼元序列連續傳輸。每個傳輸節拍（時鐘）精確地傳輸一個碼元。傳輸協議中碼元狀態是由定義了的修正通信信號產生。每秒傳輸的碼元數量稱為波特率，單位是波特Baud [Bd]。

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

數據速率（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，對傳輸路徑的質量要求提高。因此衛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常是基于正交相移鍵控法（QPS），這里區分4個不同的相位坐標且不使用幅度，使用正交調幅（QAM）以實現高傳輸速率，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，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、科學和醫用頻段，一般來說世界各國均保留了一些無線頻段，以用于工業、科學研究，和微波醫療方面的應用，應用這些頻段無需許可證，只需要遵守一定的發射功率（一般低于1W），并且不要對其它頻段造成干擾即可。ISM頻段在各國的規定并不統一，而2.4GHz為各國共同的ISM頻段，因此無線局域網（IEEE 802.11b/g）、藍牙、ZigBee等無線網絡，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頻段物理層協議FHSS和DSSS，以及5GHz頻段高速物理層擴展（IEEE802.11a）協議OFDM和帶FEC的數據備份。

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，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改變無線信道，根據定義的頻率跳動表（該表為發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 ，信息直接逐位轉換寬帶信號，最簡單的例子，使用定義的擴頻碼和數據位異或傳輸，數據位為邏輯0狀態時，擴頻碼直接傳輸，為邏輯1狀態時，擴頻碼取反。在接收端，用于另一個擴頻碼和數據位異或，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據速率，在無線局域網中，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，為獲得更高數據速率，使用了FDM（頻分復用）技術，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據，即使是在相對低碼元率的情況下也能達到了較高的數據吞吐量且不會積聚多徑問題，對于正交頻分復用OFDM 技術，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的數據備份

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，因此數據傳輸必須使用糾錯方法加以保護，為了省略消時的重復發送，數據使用前向糾錯（FEC Forward Error Correction）加以保證。這意味著傳輸路徑上發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，為此在數據流中加入附加信息，以提高整條消息的可識別性。在接收端，附加信息從數據流中提取出來，并在需要時用于糾錯。數據糾錯使用編碼率表示，也代表了用戶數據和整段數據的比率。值越小，糾錯性能越好，相對用戶數據，數據吞吐量越低。因此前向糾錯的優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的數據備份

在WLAN標準中，OFDM傳輸的前向錯誤檢測率定義在?和3/4之間。

3 無線局域網協議標準

無線局域網技術是新世紀無線通信領域最有發展前景的重大技術之一。以IEEE（電氣和電子工程師協會）為代表的多個研究機構針對不同的應用場合，制定了一系列協議標準，推動了無線局域網的實用化。

作為全球公認的局域網權威，IEEE 802工作組建立的標準在局域網領域內得到了廣泛應用，并于1999年9月提出802.11b協議了，之后又推出了802.11a、802.11g、802.11h等一系列協議，進一步完善了無線局域網規范。IEEE802.11工作組制訂的具體協議如下：

3.1 IEEE802.11b/g

802.11b也被稱為Wi-Fi技術，采用補碼鍵控（CCK）調制方式，使用2.4GHz ISM頻帶，其對無線局域網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，或根據直序擴頻（DSSS）技術調整到2Mbit/s和1Mbit/s。DSSS作為該標準的唯一物理層技術。

802.11b無線局域網采用CSMA/CA（載波監聽多路訪問/沖突避免）技術和RTS/CTS（請求發送/清除發送）技術，從而避免了網絡沖突的發生，可以大幅度提高網絡效率。其原理是：站點在發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沒有收到確認幀，則假定發生了沖突并重發該數據；如果站點注意到信道上有活動，就不發送數據。在發送數據之前，站點將一個請求發送幀發送到目的站點，如果信道上沒有活動，那么目的站點將一個清除發送幀發送回源站點，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數據時可能出現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的設備向下與802.11b兼容，它既能適應傳統的802.11b標準（在2.4GHz頻率下提供的數據傳輸率為11Mbit/s），也符合802.11a標準（在5GHz頻率下提供的數據傳輸率56Mbit/s），從而解決了對已有的802.11b設備的兼容。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，有利于促進無線網絡市場的發展。

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）的多載波數字調制技術，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據負載，這樣的話OFDM 技術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的干擾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定性。這種技術通過對多載波的調制改進，讓各子載波相互正交，于是擴頻調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制以后，為了增加數據的吞吐量，提高數據傳輸的速度。

802.11a工作頻率為5GHz，使用52個正交頻分多路復用副載波，最大原始數據傳輸率為54Mb/s，如果需要的話，數據傳輸率可降為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，4條用于點對點傳輸。

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

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相關技術

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 (Direct Sequence Spread Spectrum DSSS)

DSSS工作方式，就是用高速率的擴頻序列在發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5.5Mbps和11Mbps數據傳輸率，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據（補碼鍵控，CCK Complementary Code Keying），這意味著部分傳輸的信息在擴頻中編碼，傳輸的碼元的信息內容增加到4或8比特/碼元。

每個信道帶寬：22MHz

碼元速率：1.375MBd

這使得傳輸數據速率達到：8比特/碼元*1,375,000碼元/s=11Mbps

圖15 DSSS參數

3.4.4 IEEE802.11b數據速率

802.11b標準在1Mbps到11Mbps間定義了4種數據速率。不同的數據速率有不同的調制類型、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定。

表3 802.11b數據速率

3.5 IEEE802.11a/h相關技術

3.5.1 IEEE802.11a/h頻段

802.11a是美國發布的標準，在美國，它覆蓋了在5G頻段范圍內非授權國家信息基礎設施頻段（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，定位系統或無線電業余愛好者。在歐洲，使用5GHz頻段的前提是防止現存應用間的相互干擾，因此，在5GHz頻段使用WLAN設備必須遵循在802.11h標準（802.11a補充協議），包括動態頻率選擇（DFS）和傳輸功率控制（TPC）規則。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，低頻段必須在室內使用。允許傳輸功率EIPP（等向輻射功率，Equivalent Isotropic Radiated Power）取決于WLAN設備是否具有TPC和DFS，根據設備性能，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頻段內所提供的信道數量。

中心頻率由信道數量推導出的，如下：

中心頻率=5.00+0.005*信道數量[MHz]

其它信道發布：

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

3.5.3 OFDM參數

802.11a/g/h標準使用52個子載波（在OFDM中定義了64）

? 48個數據+4個導引

? （加12個虛擬次載波）

? 312.5 kHz信道距離

調制方法：64-QAM→6比特/碼元和子信道

碼元速率：250kBd

數據安全編碼率： →4比特中包含3位用戶數據

由此決定的傳輸速率：

6比特/碼元*250,000碼元/s*48數據信道* =54Mbps。