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    2020-05-21 09:49:24
    按传输媒介可分为有线通信(电缆、光缆、导波、纳米材料等)和无线通信(电磁波); 按信道中传输信号类型可分为模拟信号(有时也称为连续信号)和数字信号(也称为离散信号); 按工作频段可分为 长波通信、中波...

    1.分类

    按传输媒介可分为有线通信(电缆、光缆、导波、纳米材料等)和无线通信(电磁波);

    按信道中传输信号类型可分为模拟信号(有时也称为连续信号)和数字信号(也称为离散信号);

    按工作频段可分为 长波通信、中波通信、短波通信、微波通信;

    2.基本概念

    模拟信号中模拟,简单来说就是指将非电信号电信号模拟表示出来,模拟信号是连续的信号。 (比如话筒的声音转变为电流)

    数字信号:是离散的信号,比如0和1

    基带信号(电信号):没有经过调制(进行频谱搬移和变换)的原始电信号,是信源的连续消息转换的,频率较低,信号频谱从零频附近开始,具有低通形式;基带信号可分为数字基带信号模拟基带信号(相应地,信源也分为数字信源和模拟信源),其由信源决定。

    3.模拟通信系统 

    模拟通信系统的组成可由一般通信系统模型略加改变而成,如图 l-2 所示。这里,一般通信系统模型中的发送设备和接收设备分别为调制器解调器所代替。 

    对于模拟通信系统,它主要包含两种重要变换。一是把连续消息变换成电信号(发端信息源完成)和把电信号恢复成最初的连续消息(收端信宿完成)。由信源输出的电信号(基带信号)由于它具有频率较低的频谱分量,一般不能直接作为传输信号而送到信道中去。因此,模拟通信系统里常有第二种变换,即将基带信号转换成其适合信道传输的信号,这一变换由调制器完成;在收端同样需经相反的变换,它由解调器完成。经过调制后的信号通常称为已调信号。已调信号有三个基本特性:一是携带有消息,二是适合在信道中传输,三是频谱具有带通形式,且中心频率远离零频。因而已调信号又常称为频带信号(宽带信号)。

      必须指出,从消息的发送到消息的恢复,事实上并非仅有以上两种变换,通常在一个通信系统里可能还有滤波、放大、天线辐射与接收、控制等过程。对信号传输而言,由于上面两种变换对信号形式的变化起着决定性作用,它们是通信过程中的重要方面。而其它过程对信号变化来说,没有发生质的作用,只不过是对信号进行了放大和改善信号特性等。(比如使用放大器)

    4.数字通信系统

    数字信号是一些离散的信号,通常用0和1表示,其分别表示高电平和低电平。相比模拟信号,数字信号有不少优点:抗干扰能力强、便于复用传输、便于交换、加密、存储等。 

           从原始信号到抽样信号大体上分为三个过程:抽样、量化、编码。抽样就是每隔一小段时间抽取原始信号的一个值,然后量化就是将该值归为既定几个数值(比如0~9)中的某一个,类似于我们将成绩90-100分归为A,80-90归为B一样,最后编码就是将量化后的值编成仅由0和1组成的序列,就相当于转为二进制。

            转为数字信号后,比如发送端将声音信号进行处理后已经转为了数字信号,也就是说用二进制数表示这段声音,那么将这段数字信号传递出去,我们就只需要按低电平表示0,高电平表示1就行。

     可以看出,转为数字信号后,在接收端只需要区分高电平和低电平就很容易恢复出二进制数字, 但如果传输线路较长,信号衰减较大,这时候信号的波形失真就会比较严重,二进制数据的恢复容易出现错误。这种情况下,我们可以在中间阶段,信号波形失真还不是很严重的情况下插入数字中继器(对信号进行整形),将波形重新恢复成理想波形再传输出去。

    5.通信系统的主要性能指标

    • 传输速率
    • 频带利用率
    • 可靠性,有效性

    6.

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  • BOOMBOX编译码器与ARIES的有线通讯是当前地震勘探井炮施工常用的方法。文章以BOOMBOX与ARIES 仪器有线通信为例,分析BOOM BOX有线通信原理和各种在野外应用的方法。
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  • 无线通信原理简述

    万次阅读 多人点赞 2016-07-02 10:03:05
    有线传输相比,无线传输具有许多优点。或许最重要的是,它更灵活。无线信号可以从一个发射器发出到许多接收器而不需要电缆。所有无线信号都是随电磁波通过空气传输的,电磁波是由电子部分和能量部分组成的能量波。...

    与有线传输相比,无线传输具有许多优点。或许最重要的是,它更灵活。无线信号可以从一个发射器发出到许多接收器而不需要电缆。所有无线信号都是随电磁波通过空气传输的,电磁波是由电子部分和能量部分组成的能量波。

    本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/271849.htm

      在中频谱包括了9khz到300000Ghz之间的频率。每一种无线服务都与某一个无线频谱区域相关联。无线信号也是源于沿着导体传输的电流。电子信号从发射器到达天线,然后天线将信号作为一系列电磁波发射到空气中。

      信号通过空气传播,直到它到达目标位置为止。在目标位置,另一个天线接收信号,一个接收器将它转换回电流。接收和发送信号都需要天线,天线分为全向天线和定向天线。在信号的传播中由于反射、衍射和散射的影响,无线信号会沿着许多不同的路径到达其目的地,形成多径信号。

      图1无所不在

     

    无线通信原理——基本原理

      无线通信是利用电波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。在移动中实现的无线通信又通称为移动通信,人们把二者合称为无线移动通信。简单讲,无线通信是仅利用电磁波而不通过线缆进行的通信方式。

      1,无线频谱

      所有无线信号都是随电磁波通过空气传输的,电磁波是由电子部分和能量部分组成的能量波。声音和光是电磁波得两个例子。无线频谱(也就是说,用于广播、蜂窝电话以及卫星传输的波)中的波是不可见也不可听的——至少在接收器进行解码之前是这样的。

      “无线频谱”是用于远程通信的电磁波连续体,这些波具有不同的频率和波长。无线频谱包括了9khz到300 000Ghz之间的频率。每一种无线服务都与某一个无线频谱区域相关联。例如,AM广播涉及无线通信波谱的低端频率,使用535到1605khz之间的频率。

      无线频谱是所有电磁波谱的一个子集。在自然界中还存在频率更高或者更低的电磁波,但是他们没有用于远程通信。低于9kz的频率用于专门的应用,如野生动物跟踪或车库门开关。频率高于300 000Ghz的电磁波对人类来说是可见的,正是由于这个原因,他们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显示了整个电磁波谱。

      图2电磁波谱

      当然,通过空气传播的信号不一定会保留在一个国家内。因此,全世界的国家就无线远程通信标准达成协议是非常重要的。ITU就是管理机构,它确定了国际无线服务的标准,包括频率分配、无线电设备使用的信号传输和协议、无线传输及接收设备、卫星轨道等。如果政府和公司不遵守ITU标准,那么在制造无线设备的国家之外就可能无法使用它们。

      2,无线传输的特征

      虽然有线信号和无线信号具有许多相似之处——例如,包括协议和编码的使用——但是空气的本质使得无线传输与有线传输有很大的不同。当工程师门谈到无线传输时,他们是将空气作为“无制导的介质”。因为空气没有提供信号可以跟随的固定路径,所以信号的传输是无制导的。

      正如有线信号一样,无线信号也是源于沿着导体传输的电流。电子信号从发射器到达天线,然后天线将信号作为一系列电磁波发射到空气中。信号通过空气传播,直到它到达目标位置为止。在目标位置,另一个天线接收信号,一个接收器将它转换回电流。图3显示了这个过程。

      图3 无线发送和接收

      注意,在无线信号的发送端和接收端都使用了天线,而要交换信息,连接到每一个天线上的收发器都必须调整为相同的频率。

      3,天线

      每一种无线服务都需要专门设计的天线。服务的规范决定了天线的功率输出、频率及辐射图。天线的“辐射图”描述了天线发送或接收的所有电磁能的三维区域上的相对长度。“定向天线”沿着一个单独的方向发送无线电信号。这种天线用在来源需要与一个目标位置(如在点对点连接中)通信时。定向天线还可能用在多个接收节点排列在一条线上时。或者,它可能用在维持信号的一定距离上的强度比覆盖一个较广的地理区域更重要时,因为天线可以使用它的能量在更多的方向发送信号,也可以在一个方向上发送更长的距离。使用定向天线无线服务的一些例子包括卫星下行线路和上行线路,无线LAN以及太空、海洋和航空导弹。图4显示了一个定向天线的辐射示意图。

      图4 定向天线的辐射示意图

      与之相比,“全向天线”在所有的方向上都与相同的强度和清晰度发送和接收无线信号。这种天线用在许多不同的接收器都必须能够获得信号时,或者用在接收器的位置高度易变时。电视台和广播站使用全向天线,大多数发送移动电话的发射塔也是如此。图5显示了全向天线的辐射图。

      图5全向天线的辐射图

      无线信号传输中的一个重要考虑是天线可以将信号传输的距离,同时还使信号能够足够强,能够被接收机清晰地解释。无线传输的一个简单原则是,较强的信号将传输的比较弱的信号更远。

      正确的天线位置对于确保无线系统的最佳性能也是非常重要的。用于远程信号传输的天线经常都安装在塔上或者高层的顶部。从高处发射信号确保了更少的障碍和更好的信号接收。

      4,信号传播

      在理想情况下,无线信号直接在从发射器到预期接收器的一条直线中传播。这种传播被称为“视线”(Line Of Sight,LOS),它使用很少的能量,并且可以接收到非常清晰的信号。不过,因为空气是无制导介质,而发射器与接收器之间的路径并不是很清晰,所以无线信号通常不会沿着一条直线传播。当一个障碍物挡住了信号的路线时,信号可能会绕过该物体、被该物体吸收,也可能发生以下任何一种现象:发射、衍射或者散射。物体的几何形状决定了将发生这三种现象中的那一种。

      (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。波遇到一个障碍物并反射——或者弹回——到其来源。对于尺寸大于信号平均波长的物体,无线信号将会弹回。例如,考虑一下微波炉。因为微波的平均波长小于1毫米,所以一旦发出微波,它们就会在微波炉的内壁(通常至少有15cm长)上反射。究竟哪些物体会导致无线信号反射取决于信号的波长。在无线LAN中,可能使用波长在1~10米之间的信号,因此这些物体包括墙壁、地板天花板及地面。

      在“衍射”中,无线信号在遇到一个障碍物时将分解为次级波。次级波继续在它们分解的方向上传播。如果能够看到衍射的无线电信号,则会发现它们在障碍物周围弯曲。带有锐边的物体——包括墙壁和桌子的角——会导致衍射。

      “散射”就是信号在许多不同方向上扩散或反射。散射发生在一个无线信号遇到尺寸比信号的波长更小的物体时。散射还与无线信号遇到的表面的粗糙度有关。表面也粗糙,信号在遇到该表面是就越容易散射。在户外,树木会路标都会导致移动电话信号的散射。

      另外,环境状况(如雾、雨、雪)也可能导致反射、散射和衍射

      (2)多路径信号

      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其目的地。这样的信号被称为“多路径信号”。多路径信号的产生并不取决于信号是如何发出的。它们可能从来源开始在许多方向上以相同的辐射强度,也可能从来源开始主要在一个方向上辐射。不过,一旦发出了信号,由于反射、衍射和散射的影响,它们就将沿着许多路径传播。图6显示了这三种信号所导致的多径信号。

      图6 多径信号

      无线信号的多路径性质既是一个优点又是一个缺点。一方面,因为信号在障碍物上反射,所以它们更可能到达目的地。在办公楼这样的环境中,无线服务依赖于信号在墙壁、天花板、地板以及家具上的反射,这样最终才能到达目的地。

      多路径信号传输的缺点是因为它的不同路径,多路径信号在发射器与接收器之间的不同距离上传播。因此,同一个信号的多个实例将在不同的时间到达接收器,导致衰落和延时。

      5,窄带、宽带及扩展频谱信号

      传输技术根据它们的信号使用了无线频谱的部分大小而有所不同。一个重要区别就是无线使用窄带还是宽带信号传输。在“窄带”,发射器在一个单独的频率或者非常小的频率范围上集中信号能量。与窄带相反,“宽带”是指一种使用无线频谱的相对较宽频带的信号传输方式。

      使用多个频率来传输信号被称为扩展频谱技术,换句话说,在传输过程中,信号从来不会持续停留在一个频率范围内。在较宽的频带上分布信号的一个结果是它的每一个频率需要的功率比窄带信号传输更小。信号强度的这种分布使扩展频谱信号更不容易干扰在同一个频带上传输的窄带信号。

      在多个频率上分布信号的另一个结果是提高了安全性。因为信号是根据一个只有获得授权的发射器和接收器才知道的序列来分布的,所以未获授权的接收器更难以捕获和解码这些信号。

      扩展频谱的一个特定实现是“跳频扩展频谱”(Frequency Hopping Spread Spectrum ,FHSS)。在FHSS传输中,信号与信道的接收器和发射器知道的同一种同步模式在一个频带的几个不同频率之间跳跃。另一种扩展频谱信号被称为“直接序列扩展频谱”(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)。在DSSS中,信号的位同时分布在整个频带上。对每一位都进行了编码,这样接收器就可以在接收到这些位时重组原始信号。

      6,固定和移动

      每一种无线通信都属于以下两个类别之一:固定或移动。在“固定”无线系统中,发射器和接收器的位置是不变的。传输天线将它的能量直接对准接收器天线,因此,就有更多的能量用于该信号。对于必须跨越很长的距离或者复杂地形的情况,固定的无线连接比铺设电缆更经济。

      不过,并非所有通信都适用固定无线。例如,移动用户不能使用要求他们保留在一个位置来接收一个信号的服务。相反,移动电话、寻呼、无线LAN以及 其它许多服务都在使用“移动”无线系统。在移动无线系统中,接收器可以位于发射器特定范围内部的任何地方。这就允许接收器从一个位置移动到另一个位置,同时还继续接受信号。

    无线通信原理——发展现状

      1,分类

      无线通信主要包括微波通信和卫星通信。微波是一种无线电波,它传送的距离一般只有几十千米。但微波的频带很宽,通信容量很大。微波通信每隔几十千米要建一个微波中继站。卫星通信是利用通信卫星作为中继站在地面上两个或多个地球站之间或移动体之间建立微波通信联系。

      2,热点技术

      (1)4G

      第四代移动电话行动通信标准,指的是第四代移动通信技术,外语缩写:4G。该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式(严格意义上来讲,LTE只是3.9G,尽管被宣传为4G无线标准,但它其实并未被3GPP认可为国际电信联盟所描述的下一代无线通讯标准IMT-Advanced,因此在严格意义上其还未达到4G的标准。只有升级版的LTE Advanced才满足国际电信联盟对4G的要求)。4G是集3G与WLAN于一体,并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和图像等。4G能够以100Mbps以上的速度下载,比目前的家用宽带ADSL(4兆)快25倍,并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。此外,4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署,然后再扩展到整个地区。很明显,4G有着不可比拟的优越性。

      图7 4G迅速火爆

      (2)ZigBee技术

      ZigBee技术主要用于无线个域网(WPAN),是基于IEE802.15.4无线标准研制开发的,是一种介于RFID和蓝牙技术之间的技术提案,主要应用在短距离并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。ZigBee协议比蓝牙、高速率个域网或802.11x无线局域网更简单使用,可以认为是蓝牙的同族兄弟。

      (3)WLAN与WiFi/WAPI

      WLAN(无线局域网)是一种借助无线技术取代以往有线布线方式构成局域网的新手段,可提供传统有线局域网的所有功能,是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它是通用无线接入的一个子集,支持较高传输速率(2Mb/s~54Mb/s,甚至更高),利用射频无线电或红外线,借助直接序列扩频(DSSS)或跳频扩频(FHSS)、GMSK、OFDM等技术,甚至将来的超宽带传输技术UWBT,实现固定、半移动及移动的网络终端对Internet网络进行较远距离的高速连接访问。目前,原则上WLAN的速率尚较低,主要适用于手机、掌上电脑等小巧移动终端。1997年6月,IEEE推出了802.11标准,开创了WLAN先河,WLAN领域现在主要有IEEE802.11x系列与HiperLAN/x系列两种标准。

      WiFi俗称无线宽带,全称Wireless Fideliry。无线局域网又常被称作WiFi网络,这一名称来源于全球最大的无线局域网技术推广与产品认证组织——WiFi联盟(WiFi Alliance)。作为一种无线联网技术,WiFi早已得到了业界的关注。WiFi终端涉及手机、PC(笔记本电脑)、平板电视、数码相机、投影机等众多产品。目前,WiFi网络已应用于家庭、企业以及公众热点区域,其中在家庭中的应用是较贴近人们生活的一种应用方式。由于WiFi网络能够很好地实现家庭范围内的网络覆盖,适合充当家庭中的主导网络,家里的其他具备WiFi功能的设备,如电视机、影碟机、数字音响、数码相框、照相机等,都可以通过WiFi网络这个传输媒介,与后台的媒体服务器、电脑等建立通信连接,实现整个家庭的数字化与无线化,使人们的生活变得更加方便与丰富。目前,除了用户自行购置WiFi设备建立无线家庭网络外,运营商也在大力推进家庭网络覆盖。比如,中国电信的“我的E家”,将WiFi功能加入到家庭网关中,与有线宽带业务绑定。今后WiFi的应用领域还将不断扩展,在现有的家庭网、企业网和公众网的基础上向自动控制网络等众多新领域发展。

      WAPI是WLAN Authentication and Privacy Infrastructure的缩写。WAPI作为我国首个在计算机网络通信领域的自主创新安全技术标准,能有效阻止无线局域网不符合安全条件的设备进入网络,也能避免用户的终端设备访问不符合安全条件的网络,实现了“合法用户访问合法网络”。WAPI安全的无线网络本身所蕴含的“可运营、可管理”等优势,已被以中国移动、中国电信为代表的极具专业能力的运营商积极挖掘并推广、应用,运营市场对WAPI的应用进一步促进了其他行业市场和消费者关注并支持WAPI。目前市场上已有50多款来自全球主要手机制造商的智能手机支持WAPI,包括诺基亚、三星、索爱、酷派。而中国三大电信运营商也都已开始或完成第一批WAPI热点的招标和竞标工作,以中国移动为例,到目前为止已实际部署了大概10万个WAPI热点。这意味着WAPI的生态系统已基本建成,WAPI商业化的大门已经打开。

      (4)短距离无线通信(蓝牙、RFID、IrDA)

      蓝牙(Bluetooth)技术,实际上是一种短距离无线电技术。利用蓝牙技术,能够有效地简化掌上电脑、笔试本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信,也能够成功地简化以上这些设备与因特网之间的通信,从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效,进而为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术,支持点对点及点对多点通信,工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段,其数据速率为1Mbps,采用时分双工传输方案实现全双工传输。蓝牙技术为免费使用,全球通用规范,在现今社会中的应用范围相当广泛。

      RFID是Radio Frequency Identification的缩写,即射频识别,俗称电子标签。射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。目前RFID产品的工作频率有低频(125kHz~134kHz)、高频(13.56MHz)和超高频(860MHz~960MHz),不同频段的RFID产品有不同的特性。射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、防伪等众多领域,例如WalMart、Tesco、美国国防部和麦德龙超市都在它们的供应链上应用RFID技术。在将来,超高频的产品会得到大量的应用。

      IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术,也许是第一个实现无线个人局域网(PAN)的技术。目前其软硬件技术都很成熟,在小型移动设备,如PDA、手机上广泛使用。事实上,当今每一个出厂的PDA及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持IrDA。IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权,因而红外通信成本低廉。它还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点;且由于数据传输率较高,适于传输大容量的文件和多媒体数据。此外,红外线发射角度较小,传输安全性高。IrDA的不足在于它是一种视距传输,2个相互通信的设备之间必须对准,中间不能被其他物体阻隔,因而该技术只能用于2台(非多台)设备之间的连接(而蓝牙就没有此限制,且不受墙壁的阻隔)。IrDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。

      (5)WiMAX

      WiMAX全称为World Interoperability for Microwave Access,即全球微波接入互操作系统,可以替代现有的有线和DSL连接方式,来提供最后一英里的无线宽带接入,其技术标准为IEEE 802.16,其目标是促进IEEE 802.16的应用。相比其他无线通信系统,WiMAX的主要优势体现在具有较高的频谱利用率和传输速率上,因而它的主要应用是宽带上网和移动数据业务。

      (6)超宽带无线接入技术UWB

      UWB(Ultra Wideband)是一种无载波通信技术,利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号,UWB能在10米左右的范围内实现数百Mb/s至数Gb/s的数据传输速率。UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势,主要应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。

      对于UWB技术,应该看到,它以其独特的速率以及特殊的范围,也将在无线通信领域占据一席之地。由于其高速、窄覆盖的特点,它很适合组建家庭的高速信息网络。它对蓝牙技术具有一定的冲击,但对当前的移动技术、WLAN等技术的威胁不大,反而可以成为其良好的补充。

      (7)EnOcean

      EnOcean无线通信标准被采纳为国际标准“ISO/IEC 14543-3-10”,这也是世界上唯一使用能量采集技术的无线国际标准。EnOcean能量采集模块能够采集周围环境产生的能量,从光、热、电波、振 动、人体动作等获得微弱电力。这些能量经过处理以后,用来供给EnOcean超低功耗的无线通讯模块,实现真正的无数据线,无电源线,无电池的通讯系统。 EnOcean无线标准ISO/IEC14543-3-10使用868MHz,902MHz,928MHz和315MHz频段,传输距离在室外是300 米,室内为30米。

      (8)Z-Wave

      Z-Wave是由丹麦公司Zensys所主导的无线组网规格, Z-Wave是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。工作频带为908.42MHz,868.42MHz信号的有效覆盖范围在室内是30m,室外可超过100m,适合于窄带宽应用场合。Z-Wave技术也是低功耗和低成本的技术,有力地推动着低速率无线个人区域网。

      图8 各协议的功耗及传输距离对比

      通过下面两个表格,我们可以更直观全面地对比几种主流的无线通信技术:

      表1 部分主流无线通信技术比较

      表2 EnOcean、Zigbee和Z-Wave无线通信技术情况对比

      图9示出这些无线通信技术的作用距离与数据率的关系:可见,数据率越高,作用距离就越短。可用网络技术扩展作用距离而仍然保持数据率。

      图9无线通信技术数据率与作用距离的关系

      当今最流行的无线通信技术、应用、和规范示于表3,包括:各种无线通信技术的适用频段、调制方式、最大作用距离、数据率和应用领域等。

      表3 常用无线通信技术、应用、和规范

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  • 本案例《楼宇有线对讲机电话机案例》属于模拟基带通信,重点阐述什么是模拟基带通信这个核心的概念。 基带:Baseband 信源(信息源,也称发射端)发出的没有经过调制(进行频谱搬移和变换)的原始电信号所固有的...

    前言:

    前面的几个案例,如CPU与内存外设的通信、I2C串口通信、SPI串口通信、Uart串口通信、RS232串口通信、以太网通信、SFP光通信,都是纯数字通信

    从本文开始,将拆解模拟通信,模拟通信系统分为三大类:模拟基带通信、模拟频带、数字模拟通信系统。

    本案例《楼宇有线对讲机电话机案例》属于模拟基带通信,重点阐述什么是模拟基带通信这个核心的概念。

    基带:Baseband 信源(信息源,也称发射端)发出的没有经过调制(进行频谱搬移和变换)的原始电信号所固有的频带(频率带宽),称为基本频带,简称基带。

    基带和高频相对应,

    基带是频率范围非常窄的信号,也就是说幅度谱仅在频率原点(f= 0)附近才是非零的,其他频率几乎可以忽略。

    在电信与信号处理中,基带信号是无调变传输的,即该信号的频率范围没有任何移位,而且频率很低 ,包含频带从接近 0Hz到更高截止频率的电信号。

    有线电话的电信号就属于基带传输。然而,随着数字技术的发展,纯模拟基带传输通信系统已经非常少见。

    楼宇有线对讲电话机是目前市面上少见的几个纯模拟基带传输的通信技术的应用之一。



    目录:

    1. 楼宇有线对讲电话机简介

    2. 楼宇有线对讲电话机的工作原理

    3. 话筒的工作原理:声音信号到模拟基带电信号的转换

    4. 扬声器的工作原理:模拟基带电信号到声音信号的转换

    5. 声音的特性

    6. 音频基带电信号

    7. 模拟基带通信过程

    7.1 发送过程

    7.2 信道

    7.3 接收过程



    1. 楼宇有线对讲电话机简介

    楼宇对讲是一个安全防范系统。即在多层或高层建筑中实现访客、住户和物业管理中心相互通话、进行信息交流并实现对小区安全出入通道控制的管理系统,俗称楼宇对讲系统。

    来访者可通过楼下单元门前的主机方便地呼叫住户并与其对话,而且在没有带钥匙的情况下呼叫物业管理人员,协助开启单元门锁,而住户在户内也可以控制单元门的启闭,住户可以操作室内分机进行呼叫物业管理人员,门口主机这也可以随时接收住户报警信号传给值班主机通知小区保卫人员,系统不仅增强了高层住宅安全保卫工作,而且大大方便了住户,减少许多不必要的上下楼麻烦,沟通更方便快捷安全可靠。

    楼宇有线对讲电话机,特别适应于楼宇来宾呼叫对讲通话。有线对讲机的连接线可达1000M以上。

    安装简便:

    有线对讲机,分室内机和室外机,两话机通过有线电话线连接,然后在室内话机装上4节5号电池,两对讲机就可以通信了。

    两个话机连接线为低电压几伏而已,使用安全,本机为有线信号传输,通话清晰抗干扰性能安全可靠。  

    使用简单:

    呼叫对方时,只需在室外机上按下呼叫按钮,双方响起呼叫铃声,对方提话筒时铃声停止,此时即刻通话,通话完毕将话筒放回挂好即可。

     

    (1)室外楼宇有线对讲机

    (2)室内家用有线电话机

    (3)有线电话线

    电话线一般分为2芯,4芯,(4芯适用于公司或部分集团电话使用),6芯(6芯适用于数字电话使用)。

    两芯标准的电话水晶头是RJ32。2芯是走模拟电话信号,分别称为A线、B线,没有正负极的区别。

     

    注意:

    楼宇有线对讲电话机不同于家用电话,它比家用电话要简单,没有拨号系统,只能进行一对一的双向通信!

    本文借用此案例介绍模拟基带通信的基本原理。



    2. 楼宇有线对讲电话机的工作原理

    实际版本的基带通信模型:

    拾音器:又叫受话器,话筒,是把空气中的震动语言信号转换成电路中微软的模拟电流信号。

    前置放大器:把微弱的模拟电流信号,进行放大,便于变线路上进行传输。

    侧音消除器:侧音通常指在终端设备(例如电话机)中,发端信号经处理后,其中一部分回馈到自身接收电话的那部分信号,侧音消除器,就是消除侧音。

    音频放大器:把接收到的模拟电信号进行放大,以便于送话器把电信号转换成声音信号

    放大倍数通过调制电阻和电容的数值来完成。

     

    听筒:又称为送话器,扬声器,把模拟的电流信号转换成空气中震动的声音信号。

     

    上述通信中,有一个关键的信号和两个关键的部件

    (1)模拟基带信号:声音信号对应的模拟电流信号,在上图中,模拟基带信号经过两次放大,

    在发送端,经过前置放大电路放大,以应对传输线路的信号损耗。

    在接收端,经过音频放大器放大,便于有足够大的电流还原成合适音量的声音信号。

    (2)两个关键的部件:话筒和听筒,完成声音信号到电信号的转换。

    简化版本的基带通信模型:

    话筒把空气中震动的语音信号,转换成线路模拟的电流信号。

    听筒把模拟的电流信号还原成空气中震动的语音信号。



    3. 话筒的工作原理:声音信号到模拟基带电信号的转换

    受话器也叫听筒,英文为Receiver。

    一种在无声音泄漏的条件下将音频电信号转换成声音电信号的电声器件,广泛用于移动电话、固定电话及助听器等通信终端设备中,实现音频(语音、音乐)重放。

    方案1:ECM(驻极体电容器)麦克风

    传统的麦克风多数是极体电容传声器,俗称咪头,是一种声电转换器件。

    驻极体电容又称为为永电体,是一种自身带有电荷的介电材料。永电体可以只带有单一电荷,也可以带有等量的异号电荷

    永电体带有单一电荷的时候,例如正电荷,则其电场方向由自身指向无穷远或者等效的无穷远处;

    带有等量异号电荷的永电体通过内部的电荷对的相同指向,可以形成等效的两端分别带正负电荷的物体,此种情形下永电体与磁铁非常相似。

    驻极体电容传声器的内部采用了可储存电荷的驻极体材料(俗称永电体)作为振膜或背极,因此无需外加极化电源。

    同时,由于驻极体电容传声器内置了场效应管,输出灵敏度得到大幅提升。而且驻极体电容传声器采用了超小型零部件,使得产品体积很小。

    利用驻有永久电荷的聚合材料振动膜的震动完成声音信号到电信号的转换。

     

    其工作原理如下图所示:

    这种传声器由一个开有若干小孔的金属电极(称为背极)和一片一面敷有金属的驻极体薄膜构成。

    背极与驻极体面相对,中间有一空气隙。

    这实际上构成了一个以空气和驻极体作绝缘材料为介质,以背极和驻极体上的金属层作为两个电极的介质电容器。电容器的两极之间接有一个电阻,这个电阻是传声器的前置放大器或是阻抗变换器的输入电阻。

    由于驻极体薄膜(通常为10~12μm厚)上有自由电荷,因此,当声波的作用而使振膜产生振动时,电容器两极之间就有了电荷量,于是改变了静态电容。电容量的改变使电容器的输出端之间产生了相应的交变电流信号,从而完成了声电转换任务

     

    方案2:铝带麦克风

    对于铝带麦克风来说,其使用的铝带既是麦克风膜片,又是在磁场中运动的导体。

    铝带通常由铝帛制成,厚0~1毫米,宽2毫米~4毫米,质量仅为0.2毫克,以求达到较好的瞬态反应。为了取得在2kHz~4kHz之间较理想的共振频率,铝带被制成皱折状以保持一个精确的张力值。

    铝带作为导体和麦克风膜片被悬挂于两磁极面中间的磁场中,随入射声波频率而振动,同时在铝带两端产生一定的电流输出。



    4. 扬声器的工作原理:模拟基带电信号到声音信号的转换

    简介:

    扬声器,又称为听筒,又称“喇叭”。是一种把电信号转变为声信号的换能器件。

     

    扬声器的结构和工作原理:

    目前使用最为广泛的是电动式扬声器,它由振动膜、音圈、永久磁铁、支架等组成。

    这里的核心组件有:

    (1)振动膜/纸盘:是通过振动膜/纸盘的震荡,产生声音的机械装置。

    (2)音圈(又称为声音线圈):用于传输代表声音的模拟基带电流信号,在物理上,音圈与振动膜连接在一起。

    现在的问题是:当代表声音的模拟基带交流电流信号通过线圈时,如何带动振动膜振动?

    这就要靠永久磁铁了!

    (3)永久磁铁:交变的电流,交变的磁场,该交变的磁场与永久磁铁的静态磁场产生相互的磁力作用,带动音圈的交变振动,带动振动膜进行交变的震荡,从而产生振动的声音信号。
     

    其他附属组件:

    (1)T型铁:增加静态磁场的强度

    (2)华斯:一种金属垫片,增加加静态磁场的强度

    (3)盘架:用于支撑振动膜/纸盘的机械结构

    (4)防尘盖:防止灰层进入

    (5)弹波:

    上图黄色的组件就是弹波。书面名称(定心支片)英文称为 damper,在日文称"中心保档部" ,国内 有地方称"弹波"、"弹拔",是扬声器系统的重要组成部分。弹波的相关震动系数对扬声器的音质有一定的影响。

    弹波的作用:

    a 保持音圈在磁隙中的正确位置  

    b 保证音圈在受力时,振动系统沿轴向往复运动  

    c 和振动系统的音圈,振膜共同决定扬声器的谐振效率  

    d 防止灰尘进入磁隙
     

    详细的流程如下:

    (1)永久磁铁自身也会产生一个大小和方向不变的恒定磁场

    (2)当扬声器的音圈通入音频电流后音圈在电流的作用下便产生一个交变的磁场,音圈所产生磁场的大小和方向随音频电流的变化不断地在改变。

    (3)这样两个磁场的相互作用使音圈作垂直于音圈中电流方向的运动

    (4)由于音圈和振动膜相连,从而带动振动膜产生振动,

    (5)振动膜振动引起空气的振动而发出声音。

    因此,当输入音圈的电流越大,其磁场的作用力就越大,振动膜振动的幅度也就越大,声音则越响。

    扬声器发出高音的部分主要在振动膜的中央,当扬声器振动膜的中央材质越硬,则其重放的声音效果越好。

    扬声器发出低音的部分主要在振动膜的边缘,如果扬声器的振动膜边缘较为柔软且纸盆口径较大,则扬声器发出的低音效果越好。



    5. 声音的特性

    (1)声音的定义:

    声音(sound)是由物体振动产生的声波。

    声音是通过介质(空气或固体、液体)传播并能被人或动物听觉器官所感知的波动现象。

    最初发出振动(震动)的物体叫声源。

    声音以波的形式振动(震动)传播。

    声音是声波通过任何介质传播形成的运动。

    声音在不同介质中传播速度一般是固体>液体>气体

     

    (2)声音的传播:

    声音的传播需要物质,物理学中把这样的物质叫做介质,这个介质可以是空气,水,固体.

    当然在真空中,声音不能传播。

    声音在不同的介质中传播的速度也是不同的。

    声音的传播也与温度和阻力有关。

    速度 介质 速度
    空气(15℃) 340m/s 空气(25℃) 346m/s
    水(常温) 1500m/s 海水(25℃) 1530m/s
    钢铁 5200m/s 3160m/s
    软木 500m/s 松木 3320m/s
    尼龙 2600m/s 水泥 4800m/s

     

    (3)声音的特性:

    音调,响度,音色是乐音的三个主要特征,人们就是根据他们来区分声音。

    • 响度(loudness):人主观上感觉声音的大小(俗称音量),由“振幅”(amplitude)和人离声源的距离决定,振幅越大响度越大,人和声源的距离越小,响度越大。(单位:分贝dB)

    • 音调(pitch):声音的高低(高音、低音),由“频率”(frequency)决定,频率越高音调越高(频率单位Hz(hertz),赫兹

    • 频率:是每秒经过一给定点的声波数量,它的测量单位为赫兹,是以海因里希·鲁道夫·赫兹的名字命名的。此人设置了一张桌子,演示频率是如何与每秒的周期相关的。1千赫或1000赫表示每秒经过一给定点的声波有1000个周期,1兆赫就是每秒钟有1,000,000个周期,等等。

    人耳听觉范围为20~20KHz,即声音的带宽为约为20kHz。

    20Hz以下称为次声波,也亚音信号,或次音信号

    人的发音器官,发出的声音频率在:80-3400Hz

    人正常说话时,发出的声音频率在:300-3000Hz,也称为话音信号。

    20KHz以上称为超声波,也称为超音频信号。

    • 音色(Timbre):又称音品,波形决定了声音的音色。声音因物体材料的特性而不同,音色本身是一种抽象的东西,但波形是把这个抽象直观的表现。波形不同,音色则不同。不同的音色,通过波形,完全可以分辨的。

     

    乐音有规则的、让人愉悦的声音。

    噪音:从物理学的角度看,由发声体作无规则振动时发出的声音;从环境保护角度看,凡是干扰人们正常工作、学习和休息的声音,以及对人们要听的声音起干扰作用的声音。

     

    (4)时域信号与频域信号

    f(t)=A1sin(w1t)+ A2sin(w2t)+ .....

    所谓频域:就是信号f(t)中,包含的周期信号的频率与幅度的关系, A1: W1, A2:W2.....

    所谓时域:就是信号f(t), 随着时间的推移,信号的幅度与时间的关系,它是所有频率分量信号在幅度上的叠加。

    以钢琴为例:

    每个钢琴的按键,代表某一种频率的声音信号,即音符,钢琴键盘就是频域,按照频率的高低进行排序。

    当仅仅按下一个键盘时,就得到某个频率声音信号的时域信号。

    当同时按下多个键盘时,就得到多个频率声音信号的时域信号,也就混合信号,也称为“和”声。

    而弹出的整个音乐信号就是所谓的时域信号

    每个音符就是频率,听到的声音效果就是时域。



    6. 音频基带电信号

    基带信号(信息源,也称发终端)指发出的没有经过调制(进行频谱搬移和变换)的原始电信号,其特点是频率较低,

    信号频谱从零频附近开始,具有低通形式。

     

    音频基带电信号(acoustic signals)是带有语音、音乐和音效的有规律的声波的频率、幅度变化信息的电信号,其频率和震荡幅度与原始的声音信号一致,但幅度的大小与声音不完全相等。

     

    (1)敲钟的时域图与频谱图

    频率集中在两个地方:

    一个是0.2 * 10^4 = 20Hz

    一个是2.1 * 10^4 = 21KHz

     

    (2)鸟叫的时域图与频谱图

    频率集中在高频段:2.3 * 10^4 = 23KHz左右。



    7. 模拟基带通信过程

    7.1 发送过程

    (1)信源:帅哥A

    (2)信息:对美女的爱慕之情

    (3)消息:通过口腔,把爱慕之情通过模拟的声音信号表达出来:“I Love you"

    (4)信源编码:通过话筒,声音信号转换成模拟的基带电信号

    (5)信号发送:通过前置信号放大器,把模拟的基带信号进行放大,就可以直接在线路中进行传输了。

    7.2 信道

    信道是指通信的通道,是信号传输的媒介。

    这里就是二线制的电话线:

     

    7.3 接收过程

    (1)信宿:美女B

    (2)模拟的基带电信号通过信道传输到接收端

    (3)信号接收:通过音频放大器对接收到的模拟基带电信号进行放大

    (4)信源解码:通过听筒,把模拟的基带电信号转换成空气震动的声音信号。

    (5)消息:美女B通过耳朵把空气震动的声音信号转换成:“I Love you"消息,即听到了帅哥A的电话表白。

    (6)信息:美女B根据亲耳听到的“I Love you”语音信号或消息,感受到了帅哥A对自己的爱慕之情。

     

    至此,帅哥A通过模拟的基带电信号,把自己对美女的爱慕之情传递给了远处的美女B。


    有线双向对讲电话机原理图:https://tech.hqew.com/circuit_519576

    电话机原理简介:https://wenku.baidu.com/view/42cb8d5b57270722192e453610661ed9ac51554b.html

    有线对讲机的设计与实现设计: https://wenku.baidu.com/view/55b127b79fc3d5bbfd0a79563c1ec5da51e2d677.html

    展开全文
  • 无线通信原理

    千次阅读 2019-07-17 14:40:57
    无线通信原理——简述  与有线传输相比,无线传输具有许多优点。或许最重要的是,它更灵活。无线信号可以从一个发射器发出到许多接收器而不需要电缆。所有无线信号都是随电磁波通过空气传输的,电磁波是由电子部分...

    无线通信原理——简述

      与有线传输相比,无线传输具有许多优点。或许最重要的是,它更灵活。无线信号可以从一个发射器发出到许多接收器而不需要电缆。所有无线信号都是随电磁波通过空气传输的,电磁波是由电子部分和能量部分组成的能量波。

    本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/271849.htm

      在无线通信中频谱包括了9khz到300000Ghz之间的频率。每一种无线服务都与某一个无线频谱区域相关联。无线信号也是源于沿着导体传输的电流。电子信号从发射器到达天线,然后天线将信号作为一系列电磁波发射到空气中。

      信号通过空气传播,直到它到达目标位置为止。在目标位置,另一个天线接收信号,一个接收器将它转换回电流。接收和发送信号都需要天线,天线分为全向天线和定向天线。在信号的传播中由于反射、衍射和散射的影响,无线信号会沿着许多不同的路径到达其目的地,形成多径信号。

     

      图1无线通信无所不在

     

    无线通信原理——基本原理

      无线通信是利用电波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。在移动中实现的无线通信又通称为移动通信,人们把二者合称为无线移动通信。简单讲,无线通信是仅利用电磁波而不通过线缆进行的通信方式。

      1,无线频谱

      所有无线信号都是随电磁波通过空气传输的,电磁波是由电子部分和能量部分组成的能量波。声音和光是电磁波得两个例子。无线频谱(也就是说,用于广播、蜂窝电话以及卫星传输的波)中的波是不可见也不可听的——至少在接收器进行解码之前是这样的。

      “无线频谱”是用于远程通信的电磁波连续体,这些波具有不同的频率和波长。无线频谱包括了9khz到300 000Ghz之间的频率。每一种无线服务都与某一个无线频谱区域相关联。例如,AM广播涉及无线通信波谱的低端频率,使用535到1605khz之间的频率。

      无线频谱是所有电磁波谱的一个子集。在自然界中还存在频率更高或者更低的电磁波,但是他们没有用于远程通信。低于9kz的频率用于专门的应用,如野生动物跟踪或车库门开关。频率高于300 000Ghz的电磁波对人类来说是可见的,正是由于这个原因,他们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显示了整个电磁波谱。

      图2电磁波谱

      当然,通过空气传播的信号不一定会保留在一个国家内。因此,全世界的国家就无线远程通信标准达成协议是非常重要的。ITU就是管理机构,它确定了国际无线服务的标准,包括频率分配、无线电设备使用的信号传输和协议、无线传输及接收设备、卫星轨道等。如果政府和公司不遵守ITU标准,那么在制造无线设备的国家之外就可能无法使用它们。

      2,无线传输的特征

      虽然有线信号和无线信号具有许多相似之处——例如,包括协议和编码的使用——但是空气的本质使得无线传输与有线传输有很大的不同。当工程师门谈到无线传输时,他们是将空气作为“无制导的介质”。因为空气没有提供信号可以跟随的固定路径,所以信号的传输是无制导的。

      正如有线信号一样,无线信号也是源于沿着导体传输的电流。电子信号从发射器到达天线,然后天线将信号作为一系列电磁波发射到空气中。信号通过空气传播,直到它到达目标位置为止。在目标位置,另一个天线接收信号,一个接收器将它转换回电流。图3显示了这个过程。

      图3 无线发送和接收

      注意,在无线信号的发送端和接收端都使用了天线,而要交换信息,连接到每一个天线上的收发器都必须调整为相同的频率。

      3,天线

      每一种无线服务都需要专门设计的天线。服务的规范决定了天线的功率输出、频率及辐射图。天线的“辐射图”描述了天线发送或接收的所有电磁能的三维区域上的相对长度。“定向天线”沿着一个单独的方向发送无线电信号。这种天线用在来源需要与一个目标位置(如在点对点连接中)通信时。定向天线还可能用在多个接收节点排列在一条线上时。或者,它可能用在维持信号的一定距离上的强度比覆盖一个较广的地理区域更重要时,因为天线可以使用它的能量在更多的方向发送信号,也可以在一个方向上发送更长的距离。使用定向天线无线服务的一些例子包括卫星下行线路和上行线路,无线LAN以及太空、海洋和航空导弹。图4显示了一个定向天线的辐射示意图。

      图4 定向天线的辐射示意图

      与之相比,“全向天线”在所有的方向上都与相同的强度和清晰度发送和接收无线信号。这种天线用在许多不同的接收器都必须能够获得信号时,或者用在接收器的位置高度易变时。电视台和广播站使用全向天线,大多数发送移动电话的发射塔也是如此。图5显示了全向天线的辐射图。

      图5全向天线的辐射图

      无线信号传输中的一个重要考虑是天线可以将信号传输的距离,同时还使信号能够足够强,能够被接收机清晰地解释。无线传输的一个简单原则是,较强的信号将传输的比较弱的信号更远。

      正确的天线位置对于确保无线系统的最佳性能也是非常重要的。用于远程信号传输的天线经常都安装在塔上或者高层的顶部。从高处发射信号确保了更少的障碍和更好的信号接收。

      4,信号传播

      在理想情况下,无线信号直接在从发射器到预期接收器的一条直线中传播。这种传播被称为“视线”(Line Of Sight,LOS),它使用很少的能量,并且可以接收到非常清晰的信号。不过,因为空气是无制导介质,而发射器与接收器之间的路径并不是很清晰,所以无线信号通常不会沿着一条直线传播。当一个障碍物挡住了信号的路线时,信号可能会绕过该物体、被该物体吸收,也可能发生以下任何一种现象:发射、衍射或者散射。物体的几何形状决定了将发生这三种现象中的那一种。

      (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。波遇到一个障碍物并反射——或者弹回——到其来源。对于尺寸大于信号平均波长的物体,无线信号将会弹回。例如,考虑一下微波炉。因为微波的平均波长小于1毫米,所以一旦发出微波,它们就会在微波炉的内壁(通常至少有15cm长)上反射。究竟哪些物体会导致无线信号反射取决于信号的波长。在无线LAN中,可能使用波长在1~10米之间的信号,因此这些物体包括墙壁、地板天花板及地面。

      在“衍射”中,无线信号在遇到一个障碍物时将分解为次级波。次级波继续在它们分解的方向上传播。如果能够看到衍射的无线电信号,则会发现它们在障碍物周围弯曲。带有锐边的物体——包括墙壁和桌子的角——会导致衍射。

      “散射”就是信号在许多不同方向上扩散或反射。散射发生在一个无线信号遇到尺寸比信号的波长更小的物体时。散射还与无线信号遇到的表面的粗糙度有关。表面也粗糙,信号在遇到该表面是就越容易散射。在户外,树木会路标都会导致移动电话信号的散射。

      另外,环境状况(如雾、雨、雪)也可能导致反射、散射和衍射

      (2)多路径信号

      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其目的地。这样的信号被称为“多路径信号”。多路径信号的产生并不取决于信号是如何发出的。它们可能从来源开始在许多方向上以相同的辐射强度,也可能从来源开始主要在一个方向上辐射。不过,一旦发出了信号,由于反射、衍射和散射的影响,它们就将沿着许多路径传播。图6显示了这三种信号所导致的多径信号。

      图6 多径信号

      无线信号的多路径性质既是一个优点又是一个缺点。一方面,因为信号在障碍物上反射,所以它们更可能到达目的地。在办公楼这样的环境中,无线服务依赖于信号在墙壁、天花板、地板以及家具上的反射,这样最终才能到达目的地。

      多路径信号传输的缺点是因为它的不同路径,多路径信号在发射器与接收器之间的不同距离上传播。因此,同一个信号的多个实例将在不同的时间到达接收器,导致衰落和延时。

      5,窄带、宽带及扩展频谱信号

      传输技术根据它们的信号使用了无线频谱的部分大小而有所不同。一个重要区别就是无线使用窄带还是宽带信号传输。在“窄带”,发射器在一个单独的频率或者非常小的频率范围上集中信号能量。与窄带相反,“宽带”是指一种使用无线频谱的相对较宽频带的信号传输方式。

      使用多个频率来传输信号被称为扩展频谱技术,换句话说,在传输过程中,信号从来不会持续停留在一个频率范围内。在较宽的频带上分布信号的一个结果是它的每一个频率需要的功率比窄带信号传输更小。信号强度的这种分布使扩展频谱信号更不容易干扰在同一个频带上传输的窄带信号。

      在多个频率上分布信号的另一个结果是提高了安全性。因为信号是根据一个只有获得授权的发射器和接收器才知道的序列来分布的,所以未获授权的接收器更难以捕获和解码这些信号。

      扩展频谱的一个特定实现是“跳频扩展频谱”(Frequency Hopping Spread Spectrum ,FHSS)。在FHSS传输中,信号与信道的接收器和发射器知道的同一种同步模式在一个频带的几个不同频率之间跳跃。另一种扩展频谱信号被称为“直接序列扩展频谱”(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)。在DSSS中,信号的位同时分布在整个频带上。对每一位都进行了编码,这样接收器就可以在接收到这些位时重组原始信号。

      6,固定和移动

      每一种无线通信都属于以下两个类别之一:固定或移动。在“固定”无线系统中,发射器和接收器的位置是不变的。传输天线将它的能量直接对准接收器天线,因此,就有更多的能量用于该信号。对于必须跨越很长的距离或者复杂地形的情况,固定的无线连接比铺设电缆更经济。

      不过,并非所有通信都适用固定无线。例如,移动用户不能使用要求他们保留在一个位置来接收一个信号的服务。相反,移动电话、寻呼、无线LAN以及 其它许多服务都在使用“移动”无线系统。在移动无线系统中,接收器可以位于发射器特定范围内部的任何地方。这就允许接收器从一个位置移动到另一个位置,同时还继续接受信号。

    无线通信原理——发展现状

      1,分类

      无线通信主要包括微波通信和卫星通信。微波是一种无线电波,它传送的距离一般只有几十千米。但微波的频带很宽,通信容量很大。微波通信每隔几十千米要建一个微波中继站。卫星通信是利用通信卫星作为中继站在地面上两个或多个地球站之间或移动体之间建立微波通信联系。

      2,热点技术

      (1)4G

      第四代移动电话行动通信标准,指的是第四代移动通信技术,外语缩写:4G。该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式(严格意义上来讲,LTE只是3.9G,尽管被宣传为4G无线标准,但它其实并未被3GPP认可为国际电信联盟所描述的下一代无线通讯标准IMT-Advanced,因此在严格意义上其还未达到4G的标准。只有升级版的LTE Advanced才满足国际电信联盟对4G的要求)。4G是集3G与WLAN于一体,并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和图像等。4G能够以100Mbps以上的速度下载,比目前的家用宽带ADSL(4兆)快25倍,并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。此外,4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署,然后再扩展到整个地区。很明显,4G有着不可比拟的优越性。

      图7 4G迅速火爆

      (2)ZigBee技术

      ZigBee技术主要用于无线个域网(WPAN),是基于IEE802.15.4无线标准研制开发的,是一种介于RFID和蓝牙技术之间的技术提案,主要应用在短距离并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。ZigBee协议比蓝牙、高速率个域网或802.11x无线局域网更简单使用,可以认为是蓝牙的同族兄弟。

      (3)WLAN与WiFi/WAPI

      WLAN(无线局域网)是一种借助无线技术取代以往有线布线方式构成局域网的新手段,可提供传统有线局域网的所有功能,是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它是通用无线接入的一个子集,支持较高传输速率(2Mb/s~54Mb/s,甚至更高),利用射频无线电或红外线,借助直接序列扩频(DSSS)或跳频扩频(FHSS)、GMSK、OFDM等技术,甚至将来的超宽带传输技术UWBT,实现固定、半移动及移动的网络终端对Internet网络进行较远距离的高速连接访问。目前,原则上WLAN的速率尚较低,主要适用于手机、掌上电脑等小巧移动终端。1997年6月,IEEE推出了802.11标准,开创了WLAN先河,WLAN领域现在主要有IEEE802.11x系列与HiperLAN/x系列两种标准。

      WiFi俗称无线宽带,全称Wireless Fideliry。无线局域网又常被称作WiFi网络,这一名称来源于全球最大的无线局域网技术推广与产品认证组织——WiFi联盟(WiFi Alliance)。作为一种无线联网技术,WiFi早已得到了业界的关注。WiFi终端涉及手机、PC(笔记本电脑)、平板电视、数码相机、投影机等众多产品。目前,WiFi网络已应用于家庭、企业以及公众热点区域,其中在家庭中的应用是较贴近人们生活的一种应用方式。由于WiFi网络能够很好地实现家庭范围内的网络覆盖,适合充当家庭中的主导网络,家里的其他具备WiFi功能的设备,如电视机、影碟机、数字音响、数码相框、照相机等,都可以通过WiFi网络这个传输媒介,与后台的媒体服务器、电脑等建立通信连接,实现整个家庭的数字化与无线化,使人们的生活变得更加方便与丰富。目前,除了用户自行购置WiFi设备建立无线家庭网络外,运营商也在大力推进家庭网络覆盖。比如,中国电信的“我的E家”,将WiFi功能加入到家庭网关中,与有线宽带业务绑定。今后WiFi的应用领域还将不断扩展,在现有的家庭网、企业网和公众网的基础上向自动控制网络等众多新领域发展。

      WAPI是WLAN Authentication and Privacy Infrastructure的缩写。WAPI作为我国首个在计算机网络通信领域的自主创新安全技术标准,能有效阻止无线局域网不符合安全条件的设备进入网络,也能避免用户的终端设备访问不符合安全条件的网络,实现了“合法用户访问合法网络”。WAPI安全的无线网络本身所蕴含的“可运营、可管理”等优势,已被以中国移动、中国电信为代表的极具专业能力的运营商积极挖掘并推广、应用,运营市场对WAPI的应用进一步促进了其他行业市场和消费者关注并支持WAPI。目前市场上已有50多款来自全球主要手机制造商的智能手机支持WAPI,包括诺基亚、三星、索爱、酷派。而中国三大电信运营商也都已开始或完成第一批WAPI热点的招标和竞标工作,以中国移动为例,到目前为止已实际部署了大概10万个WAPI热点。这意味着WAPI的生态系统已基本建成,WAPI商业化的大门已经打开。

      (4)短距离无线通信(蓝牙、RFID、IrDA)

      蓝牙(Bluetooth)技术,实际上是一种短距离无线电技术。利用蓝牙技术,能够有效地简化掌上电脑、笔试本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信,也能够成功地简化以上这些设备与因特网之间的通信,从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效,进而为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术,支持点对点及点对多点通信,工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段,其数据速率为1Mbps,采用时分双工传输方案实现全双工传输。蓝牙技术为免费使用,全球通用规范,在现今社会中的应用范围相当广泛。

      RFID是Radio Frequency Identification的缩写,即射频识别,俗称电子标签。射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。目前RFID产品的工作频率有低频(125kHz~134kHz)、高频(13.56MHz)和超高频(860MHz~960MHz),不同频段的RFID产品有不同的特性。射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、防伪等众多领域,例如WalMart、Tesco、美国国防部和麦德龙超市都在它们的供应链上应用RFID技术。在将来,超高频的产品会得到大量的应用。

      IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术,也许是第一个实现无线个人局域网(PAN)的技术。目前其软硬件技术都很成熟,在小型移动设备,如PDA、手机上广泛使用。事实上,当今每一个出厂的PDA及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持IrDA。IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权,因而红外通信成本低廉。它还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点;且由于数据传输率较高,适于传输大容量的文件和多媒体数据。此外,红外线发射角度较小,传输安全性高。IrDA的不足在于它是一种视距传输,2个相互通信的设备之间必须对准,中间不能被其他物体阻隔,因而该技术只能用于2台(非多台)设备之间的连接(而蓝牙就没有此限制,且不受墙壁的阻隔)。IrDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。

      (5)WiMAX

      WiMAX全称为World Interoperability for Microwave Access,即全球微波接入互操作系统,可以替代现有的有线和DSL连接方式,来提供最后一英里的无线宽带接入,其技术标准为IEEE 802.16,其目标是促进IEEE 802.16的应用。相比其他无线通信系统,WiMAX的主要优势体现在具有较高的频谱利用率和传输速率上,因而它的主要应用是宽带上网和移动数据业务。

      (6)超宽带无线接入技术UWB

      UWB(Ultra Wideband)是一种无载波通信技术,利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号,UWB能在10米左右的范围内实现数百Mb/s至数Gb/s的数据传输速率。UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势,主要应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。

      对于UWB技术,应该看到,它以其独特的速率以及特殊的范围,也将在无线通信领域占据一席之地。由于其高速、窄覆盖的特点,它很适合组建家庭的高速信息网络。它对蓝牙技术具有一定的冲击,但对当前的移动技术、WLAN等技术的威胁不大,反而可以成为其良好的补充。

      (7)EnOcean

      EnOcean无线通信标准被采纳为国际标准“ISO/IEC 14543-3-10”,这也是世界上唯一使用能量采集技术的无线国际标准。EnOcean能量采集模块能够采集周围环境产生的能量,从光、热、电波、振 动、人体动作等获得微弱电力。这些能量经过处理以后,用来供给EnOcean超低功耗的无线通讯模块,实现真正的无数据线,无电源线,无电池的通讯系统。 EnOcean无线标准ISO/IEC14543-3-10使用868MHz,902MHz,928MHz和315MHz频段,传输距离在室外是300 米,室内为30米。

      (8)Z-Wave

      Z-Wave是由丹麦公司Zensys所主导的无线组网规格, Z-Wave是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。工作频带为908.42MHz,868.42MHz信号的有效覆盖范围在室内是30m,室外可超过100m,适合于窄带宽应用场合。Z-Wave技术也是低功耗和低成本的技术,有力地推动着低速率无线个人区域网。

      图8 各协议的功耗及传输距离对比

      通过下面两个表格,我们可以更直观全面地对比几种主流的无线通信技术:

      表1 部分主流无线通信技术比较

      表2 EnOcean、Zigbee和Z-Wave无线通信技术情况对比

      图9示出这些无线通信技术的作用距离与数据率的关系:可见,数据率越高,作用距离就越短。可用网络技术扩展作用距离而仍然保持数据率。

      图9无线通信技术数据率与作用距离的关系

      当今最流行的无线通信技术、应用、和规范示于表3,包括:各种无线通信技术的适用频段、调制方式、最大作用距离、数据率和应用领域等。

      表3 常用无线通信技术、应用、和规范

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