無線通信技術(shù)原理與射頻識別特性 |
| 發(fā)布時間:2020-11-28 16:23:34
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無線通信技術(shù)原理
隨著技術(shù)的發(fā)展，無線通信技術(shù)發(fā)展速度已經(jīng)超過有線通信技術(shù)，與有線通信相比，無線通信有很多優(yōu)點。其中最重要的是它免布線更靈活。無線信號可以從一個發(fā)射器發(fā)送到很多接收器，不需要電纜。所有無線信號都是與電磁波一起通過空氣傳遞的，電磁波是由電子部分和能量部分組成的能量波。在無線通信中，頻譜包括9khz到30萬Ghz之間的頻率，每個無線服務(wù)都與無線頻譜區(qū)域相關(guān)聯(lián)，無線信號也來自于沿著導(dǎo)體傳輸?shù)碾娏鳌ｋ娮有盘枏陌l(fā)射器到達天線，然后天線將信號以一系列電磁波發(fā)射到空氣中，信號空氣傳播通過，直到到達目標(biāo)位置。在目標(biāo)位置，另一個天線接收信號，接收器將其轉(zhuǎn)換回電流。接收和發(fā)送信號都需要天線，天線分為全向天線和定向天線。由于信號傳播中反射、衍射和散射的影響，無線信號沿多條不同路徑到達目的地，形成多路徑信號。
無線通信基本原理
無線通信是利用傳播信號在自由空間傳播的特性交換信息的一種通信方式。在移動中進行的無線通信也稱為移動通信，人們將兩者稱為無線移動通信。簡單地說，無線通信是只使用電磁波，不使用電纜的通信方式。
1、無線頻譜
所有無線信號都是與電磁波一起通過空氣傳遞的，電磁波是由電子部分和能量部分組成的能量波。聲音和光是電磁波的兩個例子。無線頻譜的波是看不見或聽不到。
無線頻譜是用于具有不同頻率和波長的遠程通信的電磁波連續(xù)體。無線頻譜包括9khz到30萬Ghz之間的頻率。每個無線服務(wù)都與無線頻譜區(qū)域相關(guān)聯(lián)。例如，AM廣播包括無線通信頻譜的低端頻率，使用535至1605khz之間的頻率。
無線頻譜是所有電磁波頻譜的子集。自然界中仍然有頻率更高或更低的電磁波，但它們不用于遠程通信。低于9kz的頻率用于特殊應(yīng)用程序，如野生動物追蹤或車庫門開關(guān)。頻率超過30萬GHz的電磁波在人類身上很難體現(xiàn)，正是因為這個原因，他們不能通過空氣進行通信。例如，將頻率為428570Ghz的電磁波識別為紅色。
當(dāng)然，空氣傳播通過信號并不一定留在一個國家。因此，世界各國就無線遠程通信標(biāo)準(zhǔn)達成協(xié)議非常重要。ITU是決定國際無線服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)管機構(gòu)，包括頻率分配、無線設(shè)備使用的信號傳輸和協(xié)議、無線通信和接收設(shè)備、衛(wèi)星軌道等。如果政府和公司不遵守ITU標(biāo)準(zhǔn)，則可能無法在制造無線設(shè)備的國家以外使用。
2、無線通信特性
有線信號和無線信號有很多相似之處，如使用協(xié)議和編碼，但空氣的本質(zhì)使無線通信與有線傳輸大不相同。工程師們談?wù)摕o線通信的時候，他們把空氣當(dāng)作“沒有誘導(dǎo)的介質(zhì)”。因為空氣不提供信號可以遵循的固定路徑，所以信號傳輸不被誘導(dǎo)。
與有線信號一樣，無線信號也來自沿著導(dǎo)體傳輸?shù)碾娏?。電子信號從發(fā)射器到達天線，然后天線將信號以一系列電磁波發(fā)射到空氣中。信號空氣傳播通過，直到到達目標(biāo)位置。在目標(biāo)位置，另一個天線接收信號，接收器將其轉(zhuǎn)換回電流。
無線信號的發(fā)送端和接收端都使用天線，要交換信息，連接到每個天線的收發(fā)器必須調(diào)整為相同的頻率。
3、射頻天線
所有無線服務(wù)都需要專門設(shè)計的天線。服務(wù)規(guī)格決定天線的功率輸出、頻率和輻射度。天線的“輻射圖”描述了天線發(fā)送和接收的所有電磁能量三維區(qū)域的相對長度。定向天線向單獨的方向發(fā)送無線信號。當(dāng)源需要與目標(biāo)位置(如點對點連接)通信時，使用此天線。定向天線還可以用于多個接收節(jié)點排列在一行中?；蛘?，由于天線可以使用能量向更多的方向發(fā)送信號或向一個方向發(fā)送更長的距離，因此保持信號特定距離的強度可能比覆蓋更大的地理區(qū)域更重要。使用定向天線無線服務(wù)的一些例子包括衛(wèi)星下行和上行鏈路、無線局域網(wǎng)、宇宙、海洋和航空導(dǎo)彈。
相反，“全方位天線”在所有方向以相同的強度和清晰度發(fā)送和接收無線信號。該天線在多個接收器需要能夠接收信號或接收器的位置非常容易變化的情況下使用。電視臺和電視臺使用全方位天線，發(fā)送移動電話的大部分發(fā)射塔也是如此。
無線信號傳輸中的一個重要考慮因素是天線可以傳輸信號的距離，同時信號可以足夠強，能夠被接收器明確解釋。無線通信的簡單原則是強信號傳輸比較弱的信號更遠。
正確的天線位置對確保無線系統(tǒng)的最佳性能也很重要。用于傳輸遠程信號的天線經(jīng)常安裝在塔或高層頂部。從高處發(fā)射信號可以保證接收較少的障礙和更好的信號。
4、信號傳播
理想情況下，無線信號直接從發(fā)射器傳播到預(yù)期接收器。這種傳播被稱為“視線”(LineOf Sight，LOS)，幾乎不使用能量，能收到非常明確的信號。但是，由于空氣是未誘導(dǎo)的介質(zhì)，發(fā)射器和接收器之間的路徑不明確，所以無線信號通常不會沿直線傳播。如果障礙物阻斷信號的路徑，信號可能會繞過該物體，被物體吸收，或發(fā)生發(fā)射、衍射或散射等現(xiàn)象。物體的幾何形狀決定了這三種現(xiàn)象之一的發(fā)生。
(1)反射、衍射和散射
無線信號傳輸?shù)摹胺瓷洹迸c其他電磁波(如光或聲音)的反射沒有區(qū)別。波遇到障礙，反射——或以源反彈。對于大小大于信號平均波長的物體，無線信號會再次反彈。例如，想想微波爐。微波的平均波長小于1毫米，所以一旦微波發(fā)出，就會反射到微波爐的內(nèi)壁(通常至少15厘米長)。究竟哪個物體引起無線信號反射取決于信號的波長。無線局域網(wǎng)可以使用波長在1到10米之間的信號，因此這些物體包括墻壁、地板天花板和地面。
在衍射中，無線信號在遇到障礙物時分解為輔助波。第二波繼續(xù)向分解的方向傳播。如果你能看到衍射的無線信號，你會發(fā)現(xiàn)它在障礙物周圍彎曲。有尖銳邊緣的物體——包括墻壁和桌子的角度，可能會發(fā)生衍射。
散射是指信號在多個方向擴散或反射。當(dāng)無線信號遇到比信號波長小的物體時，就會發(fā)生散射。散射也與無線信號相遇表面的粗糙度有關(guān)。表面也很粗糙，遇到這個表面信號更容易散射。在野外，樹木會把標(biāo)志都造成移動電話信號的散射。另外，霧、雨、雪等環(huán)境條件也會引起反射、散射和衍射
(2)多路徑信號
由于反射、衍射和散射的影響，無線信號沿著多種不同的路徑到達目的地。這些信號被稱為“多路徑信號”。多路徑信號的生成并不取決于信號的傳輸方式。它們可以從源開始，在多個方向具有相同的發(fā)射強度，也可以從源開始，主要朝一個方向發(fā)射。但是信號傳輸后，由于反射、衍射和散射的影響，會沿著很多路徑傳播。
無線信號的多路徑特性是優(yōu)點和缺點。另一方面，信號反射在障礙物上，因此更有可能到達目的地。在辦公建筑等環(huán)境下，無線服務(wù)依靠對墻壁、天花板、地板和家具的信號反射，最終可以到達目的地。多路徑信號傳輸?shù)娜秉c是多路徑信號在發(fā)射器和接收器之間的不同距離傳播。因此，同一信號的多個實例在不同的時間到達接收器，導(dǎo)致淡入和延遲。
5、窄帶、寬帶和擴展頻譜信號
傳輸技術(shù)取決于信號使用無線頻譜的部分大小。一個重要的區(qū)別是無線使用窄帶或?qū)拵盘杺鬏敗Ｔ谡l帶中，發(fā)射機在單個頻率或極小的頻率范圍內(nèi)集中信號能量。與窄頻帶不同，“寬帶”是指使用無線頻譜的較寬頻帶的信號傳輸方式。
使用多種頻率傳輸信號稱為擴展頻譜技術(shù)。也就是說，在傳輸過程中，信號不會停留在一個頻率范圍內(nèi)。在寬頻帶上分散信號的結(jié)果是，每個頻率需要的功率比窄頻帶信號傳輸少。信號強度的這種分布使擴展頻譜信號更難干擾在同一個頻帶上傳輸?shù)恼l帶信號。將信號分散到多個頻率的另一個結(jié)果是提高安全性。信號根據(jù)只有批準(zhǔn)的發(fā)射器和接收器知道的序列分布，因此未經(jīng)認(rèn)證的接收器更難捕獲和解碼這些信號。
擴展頻譜的特定實現(xiàn)之一是跳頻展頻(FHSS)。在FHSS傳輸中，信號以與信道接收器和發(fā)射器相同的同步模式在一個頻帶的不同頻率之間跳躍。另一個擴展頻譜信號稱為直接序列展頻(DSSS)。在DSSS中，信號的比特同時分布在整個頻帶中。接收器接收這些位時，對每個位進行編碼，以便重新配置原始信號。
6、固定和移動
每個無線通信都屬于兩個類別之一：固定或移動。在“固定”無線系統(tǒng)中，發(fā)射器和接收器的位置不變。傳輸天線將它的能量直接對準(zhǔn)接收器天線，這樣就可以對信號使用更多的能量。固定無線連接在需要跨越長距離或復(fù)雜地形的情況下比鋪設(shè)電纜更經(jīng)濟。
但是，固定無線不適用于某些通信。例如，移動用戶不能使用需要停留在一個位置才能接收信號的服務(wù)。相反，手機、尋呼、無線局域網(wǎng)和許多其他服務(wù)都使用移動無線系統(tǒng)。在移動無線系統(tǒng)中，接收器可以位于發(fā)射器特定范圍內(nèi)的任何位置。這樣，接收器可以從一個位置移動到另一個位置，同時繼續(xù)接收信號。
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