工业无线技术理论与应用（二）

菲尼克斯电气（南京）研发工程中心有限公司 张 龙，吴勇志

2.6 电磁场

2.6.1 电磁场的产生

要产生电磁场，则需要使用振荡电路，通过谐振频率激发振荡电路，额外能量在电容和绕组线圈间连续振荡，线圈中的磁场和电容中的电场连续产生和分解，在极板间的电场和磁场由线圈导致的，电磁场不会片刻之间就产生。但是，为获得电磁场，电容的两极板必须分离一些并将里面转向外，同时线圈的效果通过长导线继续，结果是偶极天线，其电场线和磁场线在空间延伸得很远。

图1 电磁场的产生

2.6.2 偶极子

偶极子也通过电磁波发射能量，它必须通过频率发生器提供，发生器和天线波阻抗必须防止反射，理想发生器在偶极子产生标准的电磁波，为此，所选择的频率产生的波长必须符合如下条件：

图2 偶极子

偶极波长I=波长λ/2

波长和频率成反比。传输速度等于光速c

示例：

UKW （超短波）发射器发射大约100MHz频率，其波长计算结果为：

I= 300,000,000 [m/s] / 100,000,000 [1/s]= 3 m

天线长度必须达到波长的一半，即必须达到1.5 m 长度才能接收此UKW。如果偶极天线垂直地面，第二个偶极子的功能可通过地面反射达到，用这种方法，天线长度只需I =λ/4 即可。上例中，天线的长度只需75cm。

发射过程也可以颠倒过来。如果偶极子具有相应的谐振频率，电磁波也可以激励偶极子振荡，一般同一根天线既能发射也能接收信号。

2.7 信号

2.7.1 信号陈述

为获得较好的信号频谱，通信技术中模拟信号也可以以频谱图或相位图表示，在频谱图中，正弦信号以直线表示，线长度反映了信号的幅值，所有非正弦信号都可通过多个正弦信号叠加实现，在图3中，信号覆盖范围称为信号带宽。未分配的频率范围可用于并行信号传输。

相位偏移不能用频谱表示，然而由于在实践中是通过相移对数字信号进行编码，因此用相位图表示更为实用，点和原点之间的距离代表幅值，与X轴之间的角度表示与参考信号或前一个码元之间的相位偏移。

图3 信号陈述

2.7.2 信号调制

通过天线发射的电磁波创造了自身信号传输的媒介，有辐射作用的基本振荡频率也称为有效信号，与通过电缆进行信号传输一样，需要决定信号在传输媒介中的传输方式。在现场总线系统中，信号通常用电或光（电压，电流或光强度）来定义，在无线技术中，信号需要通过载波检测调制来呈现，调制类型分：AM调幅（如中波）、FM 调频（如超短波）、PM 调相（如数字信号显示）。

图4 信号调制

2.7.3 信号编码

数字信号调制也称为偏移键控，通过数字编码生成的信号特性曲线，然后在真正的载波上进行调制。

图5 数字信号编码

2.7.4 信号调制和解调

信号可在期望频率范围内通过在载波频率上偏移基本信号来实现传输。

图6 信号调制和解调

2.7.5 码元

通信技术中，信息通过码元序列连续传输。每个传输节拍（时钟）精确地传输一个码元。传输协议中码元状态是由定义了的修正通信信号产生。每秒传输的码元数量称为波特率，单位是波特Baud [Bd]。

对大多总线系统，只定义了2种码元状态，即二进制状态0，1。在此情况下，传输的数据速率[bps] 等于波特率，在数据远程传输中，传输媒介必须以更有效的方式使用，通常，使用多于2种码元来传输数据。

数据速率（Bps）=码元速率（Bd）×比特/码元

图7 码元

图8 增效编码方式

示例：

用9.6 Kbps的速率发送传真。由于使用了总共16种不同的码元，每个码元中包含4比特信息量。这样，传真每秒传输2400个码元，对应的波特率为2.4 KBd。

2.7.6 增效编码方式

在一个码元编码中携带越多比特，在离散码元等级之间的差异就越低。这样，对传输路径的质量要求提高。因此卫星传输使用具有相对健壮性的二相相移键控（Binary Phase Shift Keying），该方法在每个码元中多增加1比特。相位位置为180°或-180°且不使用幅度，长途通信中的操作经常是基于正交相移键控法（QPS），这里区分4个不同的相位坐标且不使用幅度，使用正交调幅（QAM）以实现高传输速率，这里有64种码元。此外，除相位位置外，幅度也用于编码。

示例：16-QAM（每码元携4比特）

0011和0001码元符号具有相同的相位和不同的幅度；

0000和1000码元符号具有不同的相位和相同的幅度。

由于幅度参与编码和相位角之间的距离较小，传输易受干扰影响

2.8 ISM（Industrial Scientific Medical）频段

为了能并行使用多个无线资源，通常在无线传输接入中采用多路复用技术，由于电磁波可以无干扰地叠加，因此只要使用不同的频段便可以不受限制地并行使用，频段的分割和使用受国家控制，ISM频段即工业、科学和医用频段，一般来说世界各国均保留了一些无线频段，以用于工业、科学研究，和微波医疗方面的应用，应用这些频段无需许可证，只需要遵守一定的发射功率（一般低于1W），并且不要对其它频段造成干扰即可。ISM频段在各国的规定并不统一，而2.4GHz为各国共同的ISM频段，因此无线局域网（IEEE 802.11b/g）、蓝牙、ZigBee等无线网络，均工作在2.4GHz频段上。ISM频段划分见表1。

表1 ISM频段

下面分别介绍2.4GHz ISM频段物理层协议FHSS和DSSS，以及5GHz频段高速物理层扩展（IEEE802.11a）协议OFDM和带FEC的数据备份。

2.8.1 FHSS（跳频扩频 Frequency Hopping Spread Spectrum）传输步骤

在无线传输空间，有许多自然和人工信号源发射电磁波，形成了大范围不受控的背景噪声，并与有效信号相叠加，通过信噪间距（信号和噪声电平差），从背景噪声中区别出有效信号，由于无线信号的信号性能随距离的平方递减，因此，提出了提高传输范围的方法，以提高传输可靠性针，特别是针对低信噪比的情况，其中一种方法是扩频（Spread Spectrum ）技术，有2种扩频方法： FHSS（跳频扩频）和DSSS（直接序列扩频）。

FHSS跳频方法不是在固定载波频率上传输信息，而是通过在短时间间隔内改变无线信道，根据定义的频率跳动表（该表为发射端和接收端都已知）来选择信道，以保护信息不受窄带信号干扰。

图9 FHSS传输步骤

2.8.2 DSSS（直序列扩频 Direct Sequence Spread Spectrum）传输步骤

对DSSS ，信息直接逐位转换宽带信号，最简单的例子，使用定义的扩频码和数据位异或传输，数据位为逻辑0状态时，扩频码直接传输，为逻辑1状态时，扩频码取反。在接收端，用于另一个扩频码和数据位异或，恢复原始信号。

若延长扩频码，将提高抗干扰能力，同时也降低了有效信号数据速率，在无线局域网中，扩频码通常为8-11位（802.11b 标准）。

图10 DSSS传输步骤

2.8.3 OFDM（正交频分复用Orthogonal Frequency Division Multiplexing）传输步骤

对DSSS，为获得更高数据速率，使用了FDM（频分复用）技术，传输信道可用的频段被分为几个可并行使用的子信道，通过在子信道上并行传输数据，即使是在相对低码元率的情况下也能达到了较高的数据吞吐量且不会积聚多径问题，对于正交频分复用OFDM 技术，子通道相互移动且信息在子通道上互相没有重叠干扰（正交），因此所需求的带宽可减至约50%。OFDM用于多个传输标准，在WLAN中，802.11a 和 802.11g 使用OFDM，使传输速率最大可达54 Mbps。

图11 OFDM传输步骤

2.8.4 带FEC的数据备份

由于OFDM信息在窄带子信道上传输，与扩频方法相反，各个子信道上的信号易受干扰，因此数据传输必须使用纠错方法加以保护，为了省略消时的重复发送，数据使用前向纠错（FEC Forward Error Correction）加以保证。这意味着传输路径上发生的潜在错误不仅能被检测到，且能在一定程度上加以纠正，为此在数据流中加入附加信息，以提高整条消息的可识别性。在接收端，附加信息从数据流中提取出来，并在需要时用于纠错。数据纠错使用编码率表示，也代表了用户数据和整段数据的比率。值越小，纠错性能越好，相对用户数据，数据吞吐量越低。因此前向纠错的优点主要针对非保护性媒介如无线电波或电话线缆（ADSL），原理图如下：

图12 带FEC的数据备份

在WLAN标准中，OFDM传输的前向错误检测率定义在½和3/4之间。

3 无线局域网协议标准

无线局域网技术是新世纪无线通信领域最有发展前景的重大技术之一。以IEEE（电气和电子工程师协会）为代表的多个研究机构针对不同的应用场合，制定了一系列协议标准，推动了无线局域网的实用化。

作为全球公认的局域网权威，IEEE 802工作组建立的标准在局域网领域内得到了广泛应用，并于1999年9月提出802.11b协议了，之后又推出了802.11a、802.11g、802.11h等一系列协议，进一步完善了无线局域网规范。IEEE802.11工作组制订的具体协议如下：

3.1 IEEE802.11b/g

802.11b也被称为Wi-Fi技术，采用补码键控（CCK）调制方式，使用2.4GHz ISM频带，其对无线局域网通信的最大贡献是可以支持两种速率: 5.5Mbit/s和11Mbit/s。多速率机制的介质访问控制可确保当工作站之间距离过长或干扰太大、信噪比低于某个门限值时，传输速率能够从11Mbit/s自动降到5.5Mbit/s，或根据直序扩频（DSSS）技术调整到2Mbit/s和1Mbit/s。DSSS作为该标准的唯一物理层技术。

802.11b无线局域网采用CSMA/CA（载波监听多路访问/冲突避免）技术和RTS/CTS（请求发送/清除发送）技术，从而避免了网络冲突的发生，可以大幅度提高网络效率。其原理是：站点在发送报文后等待来自接入点AP（基本模式）或来自另一站点（对等模式）的确认帧（ACK），如果在一定的时间内没有收到确认帧，则假定发生了冲突并重发该数据；如果站点注意到信道上有活动，就不发送数据。在发送数据之前，站点将一个请求发送帧发送到目的站点，如果信道上没有活动，那么目的站点将一个清除发送帧发送回源站点，这个过程成为“预热”其他站点，从而防止不必要的冲突。RTS/CTS只用于特别大的报文和重发数据时可能出现严重带宽问题的场合。

802.11g使用2.4GHz ISM频段，其原始传送速度为54Mbit/s，净传输速度约为24.7Mbit/s（跟802.11a相同），802.11g的设备向下与802.11b兼容，它既能适应传统的802.11b标准（在2.4GHz频率下提供的数据传输率为11Mbit/s），也符合802.11a标准（在5GHz频率下提供的数据传输率56Mbit/s），从而解决了对已有的802.11b设备的兼容。用户还可以配置与802.11a、802.11b以及802.11g均相互兼容的多方式无线局域网，有利于促进无线网络市场的发展。

3.2 IEEE802.11a/h

802.11a采用了提高频率信道利用率的正交频分复用（OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing）的多载波数字调制技术，OFDM 将无线通信传输信号分割成了多个子载波进行传输，而每个子载波由于仅仅携带了很小一部分的数据负载，这样的话OFDM 技术就能利用更长的符号周期，从而使通信传输信号更不容易受到多径传输的干扰或者其他外界的特殊干扰，它还通过提高载波频谱利用率的方法来提高通信的稳定性。这种技术通过对多载波的调制改进，让各子载波相互正交，于是扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。在对每个载波完成调制以后，为了增加数据的吞吐量，提高数据传输的速度。

802.11a工作频率为5GHz，使用52个正交频分多路复用副载波，最大原始数据传输率为54Mb/s，如果需要的话，数据传输率可降为48 Mb/s、36 Mb/s、24 Mb/s、18 Mb/s、12 Mb/s、9 Mb/s或者6Mb/s。802.11a拥有12条不相互重叠的频道，8条用于室内，4条用于点对点传输。

802.11h涉及两种技术，一种是动态频率选择（DFS Dynamic Frequency Selection），它用于检测在一个信道上有其他信号出现，当这样的信号被检测到时，就会自动将网络转移到另一个信道。另一种技术是传输功率控制（TPC Transmission Power Control），它主要是减少网络传输的无线频率输出功率，使系统间干扰最小，而且还可以达到更好的网络性能。

3.3 IEEE802.11b/g和IEEE802.11a/h基本功能对比

表2 802.11b/g和802.11a/h基本功能对比

3.4 IEEE802.11b/g相关技术

3.4.1 IEEE802.11b/g频段

802.11b/g标准使用相同的2.4 GHz ISM频段，频带被划分为13个信道，每个带宽为22 MHz，离中心频率距离是5 MHz，所以相邻信道会重叠。

美国只发布了前面的11个信道，日本使用了另外一个信道（第14个）。

图13 802.11b/g频段

3.4.2 IEEE802.11b/g信道划分

为防止无线电信道重叠，离中心频率的距离至少为30 MHz（美国25 MHz）。这意味着在相同接收范围内且没有任何干扰的情况下，最多只有3个WLAN信道可用。

图14 802.11b/g信道划分

3.4.3 直接序列展频技术 (Direct Sequence Spread Spectrum DSSS)

DSSS工作方式，就是用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。DSSS将原来较高功率、较窄的频率变成具有较宽频的低功率频率，以在无线通信领域获得令人满意的抗噪声干扰性能。

对于扩频，用定义了的11位编码来传输1Mbps和2Mbps传输速率。为实现5.5Mbps和11Mbps数据传输率，使用了8比特（切片）的短扩频码，传输速率增加了11/8或1.375。另外，这里的扩频码是变量，其选择取决于用户数据（补码键控，CCK Complementary Code Keying），这意味着部分传输的信息在扩频中编码，传输的码元的信息内容增加到4或8比特/码元。

每个信道带宽：22MHz

码元速率：1.375MBd

这使得传输数据速率达到：8比特/码元*1,375,000码元/s=11Mbps

图15 DSSS参数

3.4.4 IEEE802.11b数据速率

802.11b标准在1Mbps到11Mbps间定义了4种数据速率。不同的数据速率有不同的调制类型、可变的扩频码（CCK）以及两者扩频码的长度（8或11位）。此时，信号质量标准也随着传输速率的提高而提高，接收器灵敏度在标准中设定。

表3 802.11b数据速率

3.5 IEEE802.11a/h相关技术

3.5.1 IEEE802.11a/h频段

802.11a是美国发布的标准，在美国，它覆盖了在5G频段范围内非授权国家信息基础设施频段（UNII Unlicensed National Information Infrastructure），该频段与欧洲的2.4GHz ISM频段具有相同的技术影响。在美国，使用3个带宽为100MHz的频段，有12个带宽为20MHz的信道。

与美国相反的是，欧洲不能自由使用5GHz频段，此频段用于雷达系统，定位系统或无线电业余爱好者。在欧洲，使用5GHz频段的前提是防止现存应用间的相互干扰，因此，在5GHz频段使用WLAN设备必须遵循在802.11h标准（802.11a补充协议），包括动态频率选择（DFS）和传输功率控制（TPC）规则。与802.11h一致，在低频段可使用8个信道，在高频段可使用11个信道，低频段必须在室内使用。允许传输功率EIPP（等向辐射功率，Equivalent Isotropic Radiated Power）取决于WLAN设备是否具有TPC和DFS，根据设备性能，有三种传输功率，分别是30mW（无TPC）、60 mW（有TPC）和200 mW（有TPC和DFS）。只有高频才可在室外使用，允许的传输功率是1000mW，其前提条件是无线设备具有TPC和DFS功能。

图16 802.11a/h频段

3.5.2 IEEE802.11a/h信道

与2.4GHz频段一样，5GHz频段的信道号的带宽为5MHz，对OFDM传输，实际需要的带宽是16.6MHz。在标准中给出了在中心频率间的最小距离为20MHz，这决定了5GHz频段内所提供的信道数量。

中心频率由信道数量推导出的，如下：

中心频率=5.00+0.005*信道数量[MHz]

其它信道发布：

日本：信道34、38、42、46；

新加波：信道36、40、44、48；

台湾：信道52、56、60、64。

图17 5GHz信道划分

图18 OFDM参数

3.5.3 OFDM参数

802.11a/g/h标准使用52个子载波（在OFDM中定义了64）

• 48个数据+4个导引

• （加12个虚拟次载波）

• 312.5 kHz信道距离

调制方法：64-QAM→6比特/码元和子信道

码元速率：250kBd

数据安全编码率： →4比特中包含3位用户数据

由此决定的传输速率：

6比特/码元*250,000码元/s*48数据信道* =54Mbps。