无线通信技术原理与射频识别特性 |
| 发布时间:2020-11-28 16:23:34
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无线通信技术原理
随着技术的发展，无线通信技术发展速度已经超过有线通信技术，与有线通信相比，无线通信有很多优点。其中最重要的是它免布线更灵活。无线信号可以从一个发射器发送到很多接收器，不需要电缆。所有无线信号都是与电磁波一起通过空气传递的，电磁波是由电子部分和能量部分组成的能量波。在无线通信中，频谱包括9khz到30万Ghz之间的频率，每个无线服务都与无线频谱区域相关联，无线信号也来自于沿着导体传输的电流。电子信号从发射器到达天线，然后天线将信号以一系列电磁波发射到空气中，信号空气传播通过，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。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。由于信号传播中反射、衍射和散射的影响，无线信号沿多条不同路径到达目的地，形成多路径信号。
无线通信基本原理
无线通信是利用传播信号在自由空间传播的特性交换信息的一种通信方式。在移动中进行的无线通信也称为移动通信，人们将两者称为无线移动通信。简单地说，无线通信是只使用电磁波，不使用电缆的通信方式。
1、无线频谱
所有无线信号都是与电磁波一起通过空气传递的，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。无线频谱的波是看不见或听不到。
无线频谱是用于具有不同频率和波长的远程通信的电磁波连续体。无线频谱包括9khz到30万Ghz之间的频率。每个无线服务都与无线频谱区域相关联。例如，AM广播包括无线通信频谱的低端频率，使用535至1605khz之间的频率。
无线频谱是所有电磁波频谱的子集。自然界中仍然有频率更高或更低的电磁波，但它们不用于远程通信。低于9kz的频率用于特殊应用程序，如野生动物追踪或车库门开关。频率超过30万GHz的电磁波在人类身上很难体现，正是因为这个原因，他们不能通过空气进行通信。例如，将频率为428570Ghz的电磁波识别为红色。
当然，空气传播通过信号并不一定留在一个国家。因此，世界各国就无线远程通信标准达成协议非常重要。ITU是决定国际无线服务标准的监管机构，包括频率分配、无线设备使用的信号传输和协议、无线通信和接收设备、卫星轨道等。如果政府和公司不遵守ITU标准，则可能无法在制造无线设备的国家以外使用。
2、无线通信特性
有线信号和无线信号有很多相似之处，如使用协议和编码，但空气的本质使无线通信与有线传输大不相同。工程师们谈论无线通信的时候，他们把空气当作“没有诱导的介质”。因为空气不提供信号可以遵循的固定路径，所以信号传输不被诱导。
与有线信号一样，无线信号也来自沿着导体传输的电流。电子信号从发射器到达天线，然后天线将信号以一系列电磁波发射到空气中。信号空气传播通过，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。
无线信号的发送端和接收端都使用天线，要交换信息，连接到每个天线的收发器必须调整为相同的频率。
3、射频天线
所有无线服务都需要专门设计的天线。服务规格决定天线的功率输出、频率和辐射度。天线的“辐射图”描述了天线发送和接收的所有电磁能量三维区域的相对长度。定向天线向单独的方向发送无线信号。当源需要与目标位置(如点对点连接)通信时，使用此天线。定向天线还可以用于多个接收节点排列在一行中。或者，由于天线可以使用能量向更多的方向发送信号或向一个方向发送更长的距离，因此保持信号特定距离的强度可能比覆盖更大的地理区域更重要。使用定向天线无线服务的一些例子包括卫星下行和上行链路、无线局域网、宇宙、海洋和航空导弹。
相反，“全方位天线”在所有方向以相同的强度和清晰度发送和接收无线信号。该天线在多个接收器需要能够接收信号或接收器的位置非常容易变化的情况下使用。电视台和电视台使用全方位天线，发送移动电话的大部分发射塔也是如此。
无线信号传输中的一个重要考虑因素是天线可以传输信号的距离，同时信号可以足够强，能够被接收器明确解释。无线通信的简单原则是强信号传输比较弱的信号更远。
正确的天线位置对确保无线系统的最佳性能也很重要。用于传输远程信号的天线经常安装在塔或高层顶部。从高处发射信号可以保证接收较少的障碍和更好的信号。
4、信号传播
理想情况下，无线信号直接从发射器传播到预期接收器。这种传播被称为“视线”(LineOf Sight，LOS)，几乎不使用能量，能收到非常明确的信号。但是，由于空气是未诱导的介质，发射器和接收器之间的路径不明确，所以无线信号通常不会沿直线传播。如果障碍物阻断信号的路径，信号可能会绕过该物体，被物体吸收，或发生发射、衍射或散射等现象。物体的几何形状决定了这三种现象之一的发生。
(1)反射、衍射和散射
无线信号传输的“反射”与其他电磁波(如光或声音)的反射没有区别。波遇到障碍，反射——或以源反弹。对于大小大于信号平均波长的物体，无线信号会再次反弹。例如，想想微波炉。微波的平均波长小于1毫米，所以一旦微波发出，就会反射到微波炉的内壁(通常至少15厘米长)。究竟哪个物体引起无线信号反射取决于信号的波长。无线局域网可以使用波长在1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。
在衍射中，无线信号在遇到障碍物时分解为辅助波。第二波继续向分解的方向传播。如果你能看到衍射的无线信号，你会发现它在障碍物周围弯曲。有尖锐边缘的物体——包括墙壁和桌子的角度，可能会发生衍射。
散射是指信号在多个方向扩散或反射。当无线信号遇到比信号波长小的物体时，就会发生散射。散射也与无线信号相遇表面的粗糙度有关。表面也很粗糙，遇到这个表面信号更容易散射。在野外，树木会把标志都造成移动电话信号的散射。另外，雾、雨、雪等环境条件也会引起反射、散射和衍射
(2)多路径信号
由于反射、衍射和散射的影响，无线信号沿着多种不同的路径到达目的地。这些信号被称为“多路径信号”。多路径信号的生成并不取决于信号的传输方式。它们可以从源开始，在多个方向具有相同的发射强度，也可以从源开始，主要朝一个方向发射。但是信号传输后，由于反射、衍射和散射的影响，会沿着很多路径传播。
无线信号的多路径特性是优点和缺点。另一方面，信号反射在障碍物上，因此更有可能到达目的地。在办公建筑等环境下，无线服务依靠对墙壁、天花板、地板和家具的信号反射，最终可以到达目的地。多路径信号传输的缺点是多路径信号在发射器和接收器之间的不同距离传播。因此，同一信号的多个实例在不同的时间到达接收器，导致淡入和延迟。
5、窄带、宽带和扩展频谱信号
传输技术取决于信号使用无线频谱的部分大小。一个重要的区别是无线使用窄带或宽带信号传输。在窄频带中，发射机在单个频率或极小的频率范围内集中信号能量。与窄频带不同，“宽带”是指使用无线频谱的较宽频带的信号传输方式。
使用多种频率传输信号称为扩展频谱技术。也就是说，在传输过程中，信号不会停留在一个频率范围内。在宽频带上分散信号的结果是，每个频率需要的功率比窄频带信号传输少。信号强度的这种分布使扩展频谱信号更难干扰在同一个频带上传输的窄频带信号。将信号分散到多个频率的另一个结果是提高安全性。信号根据只有批准的发射器和接收器知道的序列分布，因此未经认证的接收器更难捕获和解码这些信号。
扩展频谱的特定实现之一是跳频展频(FHSS)。在FHSS传输中，信号以与信道接收器和发射器相同的同步模式在一个频带的不同频率之间跳跃。另一个扩展频谱信号称为直接序列展频(DSSS)。在DSSS中，信号的比特同时分布在整个频带中。接收器接收这些位时，对每个位进行编码，以便重新配置原始信号。
6、固定和移动
每个无线通信都属于两个类别之一：固定或移动。在“固定”无线系统中，发射器和接收器的位置不变。传输天线将它的能量直接对准接收器天线，这样就可以对信号使用更多的能量。固定无线连接在需要跨越长距离或复杂地形的情况下比铺设电缆更经济。
但是，固定无线不适用于某些通信。例如，移动用户不能使用需要停留在一个位置才能接收信号的服务。相反，手机、寻呼、无线局域网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特定范围内的任何位置。这样，接收器可以从一个位置移动到另一个位置，同时继续接收信号。
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