无线通信原理——基本原理:无线通信是利用无线电信号可以在自由空间传播的特性进行信息交换的通信方式。 在移动过程中实现的无线通信也俗称移动通信,人们将两者统称为无线移动通信。 简单来说,无线通信是一种仅利用电磁波而不使用电缆的通信方式。

1. 无线频谱

所有无线信号都是通过电磁波在空气中传输的,电磁波是由电子部分和能量部分组成的能量波。 声音和光是电磁波的两个例子。 无线频谱中的电波(即用于无线电、手机和卫星传输的电波)既不可见也不可听——至少在接收器对它们进行解码之前是这样。

“无线频谱”是用于长距离通信的电磁波的连续体,这些波具有不同的频率和波长。 无线频谱包括 9khz 到 300 000Ghz 之间的频率。 每个无线服务都与无线频谱的某个区域相关联。 例如,AM 广播涉及无线通信频谱的低端,使用 535 至 1605khz 之间的频率。

无线频谱是所有电磁频谱的子集。 自然界中也存在较高和较低频率的电磁波,但它们不用于远距离通信。 低于 9kz 的频率用于特殊应用,例如野生动物跟踪或车库门打开和关闭。 频率高于 300 000Ghz 的电磁波是人类可见的,因此不能用于通过空气进行通信。 例如,我们将频率为428570Ghz的电磁波识别为红色。 图 2 显示了整个电磁频谱。

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图2 电磁频谱

当然,通过空中传播的信号不一定留在一个国家内。 因此,世界各国就无线电信标准达成一致非常重要。 国际电联是决定国际无线服务标准的管理组织,包括无线电设备的频率分配、信号传输和使用的协议、无线传输和接收设备、卫星轨道等。如果政府和企业不遵守国际电联的标准,无线设备可能无法在其制造国之外使用。

2、无线传输的特点

虽然有线和无线信号有许多相似之处(例如,包括协议和编码的使用),但空气的性质使得无线传输与有线传输有很大不同。 当工程师谈论无线传输时,他们谈论的是空气作为“非引导介质”。 由于空气没有为信号提供固定的路径,因此信号的传输是无引导的。

就像有线信号一样,无线信号源自沿着导体传播的电流。 电子信号从发射器传输到天线,然后天线将信号以一系列电磁波的形式发射到空气中。 信号通过空气传播,直到到达目标位置。 在目标位置,另一个天线接收信号,接收器将其转换回电流。 图 3 显示了此过程。

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图3 无线发送和接收

请注意,无线信号的发送端和接收端均使用天线,为了交换信息,连接到每个天线的收发器必须调谐到相同的频率。

3. 天线

每项无线服务都需要专门设计的天线。 服务的规格决定了天线的功率输出、频率和辐射方向图。 天线的“辐射方向图”描述了天线发送或接收的所有电磁能量在三维区域上的相对长度。 “定向天线”沿单个方向发送无线电信号。 当源需要与目标位置通信(例如在点对点连接中)时,使用这种类型的天线。 当多个接收节点排列成一条线时,也可以使用定向天线。 或者,当在一定距离上保持信号强度比覆盖更广泛的地理区域更重要时,可以使用它,因为天线可以使用其能量向更多方向发送信号,并且还可以在一个方向上发送更长时间。 距离。 使用定向天线的无线服务的一些示例包括卫星下行链路和上行链路、无线 LAN 以及太空、海洋和航空导弹。 图4所示为定向天线的辐射图。

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图4 定向天线辐射图

相比之下,“全向天线”在各个方向上以相同的强度和清晰度发送和接收无线信号。 当许多不同的接收器必须能够获取信号,或者当接收器的位置高度可变时,使用这种类型的天线。 电视台和广播电台使用全向天线,大多数传输移动电话的信号塔也是如此。 图 5 显示了全向天线的辐射方向图。

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图5 全向天线辐射方向图

无线信号传输中的一个重要考虑因素是天线可以承载信号的距离,同时信号强度仍足以被接收器清楚地解释。 无线传输的一个简单原理是,较强的信号比较弱的信号传播得更远。

正确的天线放置对于确保无线系统的最佳性能也非常重要。 用于远距离信号传输的天线通常安装在塔上或高层建筑的顶部。 从高空发射信号可以确保更少的障碍物和更好的信号接收。

4. 信号传播

在理想的世界中,无线信号直接从发射器沿直线传输到预期的接收器。 这种类型的传播称为视距(LOS),它使用很少的能量并且可以接收非常清晰的信号。 然而,由于空气是一种非引导介质,并且发射器和接收器之间的路径不是很清晰,因此无线信号通常不会沿直线传播。 当障碍物阻挡信号路径时,信号可能绕过物体、被物体吸收,或者可能发生以下任何现象:发射、衍射或散射。 物体的几何形状决定了这三种现象中的哪一种会发生。 (1)反射、衍射和散射 无线信号传输中的“反射”与其他电磁波(如光或声音)的反射没有什么不同。 波遇到障碍物并反射(或反弹)回到其源头。 无线信号会从大于信号平均波长的物体上反弹。 例如,考虑微波炉。 由于微波的平均波长小于1毫米,一旦发出微波,就会在微波炉内壁(通常至少15厘米长)上反射。 究竟哪些物体会引起无线信号反射取决于信号的波长。 在无线局域网中,可能使用波长在1米到10米之间的信号,因此这些物体包括墙壁、地板、天花板和地面。

在“衍射”过程中,无线信号遇到障碍物时会分解成次级波。 次级波继续沿其分解的方向传播。 如果你能看到衍射的无线电信号,你会看到它们在障碍物周围弯曲。 具有锐利边缘的物体(包括墙壁和桌角)可能会引起衍射。

“散射”是指信号向许多不同方向传播或反射。 当无线信号遇到尺寸小于信号波长的物体时,就会发生散射。 散射还与无线信号遇到的表面的粗糙度有关。 表面也很粗糙,信号遇到表面时更容易发生散射。 室外,树木和路标会导致手机信号散射。

此外,环境条件(如雾、雨、雪)也可能引起反射、散射和衍射

(2)多径信号

由于反射、衍射和散射的影响,无线信号会沿着许多不同的路径到达目的地。 这种信号被称为“多径信号”。 多径信号的产生并不取决于信号的发送方式。 它们可以从源沿多个方向以相等的强度辐射,或者它们可以主要从源的一个方向辐射。 然而,一旦信号被发送,由于反射、衍射和散射的影响,它们会沿着许多路径传播。 图 6 显示了这三个信号产生的多径信号。

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图6 多径信号

无线信号的多路径特性既是优点也是缺点。 一方面,由于信号会从障碍物上反弹,因此更有可能到达目的地。 在办公楼等环境中,无线服务依赖于墙壁、天花板、地板和家具反射的信号最终到达目的地。

多径信号传输的缺点是,由于其路径不同,多径信号在发射机和接收机之间传播的距离不同。 因此,同一信号的多个实例将在不同时间到达接收器,从而导致衰落和延迟。

5. 窄带、宽带和扩频信号

传输技术根据其信号使用的无线频谱部分而有所不同。 一个重要的区别是无线使用窄带还是宽带信号传输。 在“窄带”中,发射机将信号能量集中在单个频率或非常小的频率范围上。 与窄带相反,“宽带”是指使用相对较宽的无线频谱的信号传输方法。

使用多个频率来传输信号称为扩频技术。 换句话说,在传输过程中,信号永远不会连续停留在一个频率范围内。 在更宽的频带上分配信号的结果是,与窄带信号传输相比,每个频率所需的功率更少。 信号强度的这种分布使得扩频信号不太可能干扰在同一频带上传输的窄带信号。

将信号传播到多个频率的另一个结果是提高了安全性。 由于信号是根据只有授权的发射机和接收机才知道的序列来分发的,因此未经授权的接收机更难以捕获和解码。

扩频的一种具体实现是跳频扩频(FHSS)。 在 FHSS 传输中,信号在频带内的几个不同频率之间跳跃,并且具有信道的接收器和发射器已知的相同同步模式。 另一种类型的扩频信号称为“直接序列扩频”(DSSS)。 在 DSSS 中,信号的比特同时分布在整个频带上。 每个比特都经过编码,以便接收器在接收到这些比特时可以重建原始信号。

6.固定式和移动式

每种类型的无线通信都属于两类之一:固定或移动。 在“固定”无线系统中,发射器和接收器的位置不会改变。 发射天线将其能量引导到接收天线,因此有更多的能量可用于信号。 对于必须跨越长距离或困难地形的情况,固定无线连接比铺设电缆更经济。

然而,并非所有通信都适合固定无线。 例如,移动用户无法使用要求他们留在一个位置才能接收信号的服务。 相反,移动电话、寻呼、无线 LAN 和许多其他服务都使用“移动”无线系统。 在移动无线系统中,接收器可以位于发射器指定范围内的任何位置。 这允许接收器从一个位置移动到另一个位置,同时仍然接收信号。

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