WLAN培訓(xùn)D1.am.P2_射頻理論ppt課件

1、整理課件無線傳輸與接入事業(yè)部無線傳輸與接入事業(yè)部/產(chǎn)品部產(chǎn)品部2010年年3月月整理課件p無線電磁波傳播基礎(chǔ)理論無線電磁波傳播基礎(chǔ)理論p天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí)pWLAN射頻基礎(chǔ)知識(shí)射頻基礎(chǔ)知識(shí)整理課件波段名稱波段名稱 頻段范圍頻段范圍 波長(zhǎng)范圍波長(zhǎng)范圍 傳播方式傳播方式甚長(zhǎng)波330（KHz）10010km在大地與低層的電離層間形成的波導(dǎo)中進(jìn)行傳播長(zhǎng)波30300（KHz）101km沿地表面?zhèn)鞑ィǖ夭ǎ┖涂侩婋x層反射傳播（天波）中波3003000（KHz） 1000100m沿地表面?zhèn)鞑ィǖ夭ǎ┖涂侩婋x層反射傳播（天波）短波330（MHz）10010m可沿地表面?zhèn)鞑ィǖ夭ǎ乜臻g以直接或繞射方式

2、傳播（空間波）和靠電離層反射傳播（天波）超短波30300（MHz）101m主要以直射方式（即所謂的“視距”方式）傳播微波分米波3003000（MHz）10010cm是一種視距傳播，主要在對(duì)流層內(nèi)進(jìn)行厘米波330（GHz）101cm毫米波30300（GHz）101mm絲米波3003000（GHz）10.1mmWLAN工作頻段整理課件空間直線傳播 鏡面反射 漫反射 反射 透射衍射（繞射）阻擋物整理課件p 自由空間的概念自由空間的概念無任何衰減、無任何阻擋、無任何多徑的傳播理想介質(zhì)空間。p 自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗無線電波在自由空間傳播時(shí)，其單位面積中的能量會(huì)因?yàn)閿U(kuò)散而減少。這種減少稱為自由

3、空間的傳播損耗,也就是我們常說的中值損耗定理。p 計(jì)算公式計(jì)算公式LS(dB) = 92.4 + 20 log f(GHz) +20 log d(km)LS-自由空間損耗f-電磁波頻率d-傳播距離自由空間損耗可作為實(shí)際無線工程中預(yù)估通信距離的重要參數(shù)整理課件d1d2HcF1d第一菲涅爾區(qū)半徑計(jì)算公式：（所有參數(shù)單位為米）整理課件相對(duì)余隙與附加損耗關(guān)系曲線p相對(duì)余隙相對(duì)余隙傳播余隙與第一菲涅爾區(qū)半徑之比（Hc/F1）稱為相對(duì)余隙。p最小菲涅爾半徑最小菲涅爾半徑接收點(diǎn)能得到與自由空間傳播相同的信號(hào)強(qiáng)度時(shí)所需要的最小菲涅爾橢球區(qū)的半徑稱為最小菲涅爾半徑（F0）。p工程指導(dǎo)工程指導(dǎo)實(shí)際工程中確保收發(fā)天

4、線架設(shè)的高度要滿足使它們之間的障礙物盡可能不超過其第一菲涅爾區(qū)的20。最小菲涅爾半徑計(jì)算公式：整理課件雨量雨量（mm/h）3.5GHz（dB/km）5.8GHz（dB/km）26GHz（dB/km）1（小雨）（小雨）0.000650.001750.124004（中雨）（中雨）0.003070.010730.5397716（大雨）（大雨）0.014550.065772.3495950（暴雨）（暴雨）0.052170.291947.87098p 工程指導(dǎo)工程指導(dǎo)WLAN工作的2.4GHz和5.8GHz頻段雨霧衰落較小，在實(shí)際工程中可以不予考慮。雨衰系數(shù)表整理課件p極限直視距離極限直視距離WLAN設(shè)

5、備所工作的微波波段主要通過在空間范圍內(nèi)沿直線方向傳播的空間波來傳播。由于地球的曲率使空間波傳播存在一個(gè)極限直視距離Rmax。因而，WLAN設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，接收點(diǎn)應(yīng)落在發(fā)射天線極限直視距離Rmax內(nèi)。p計(jì)算公式計(jì)算公式考慮大氣層對(duì)電波折射作用的極限視距公式：RT接收天線高度HR 發(fā)射天線高度HTRmaxp有效直視距離有效直視距離由于電磁波的頻率遠(yuǎn)低于光波的頻率，電波傳播的有效直視距離Re約為極限直視距離Rmax的70%，即R Re e=0.7R=0.7Rmaxmax。p工程指導(dǎo)工程指導(dǎo)對(duì)于通訊距離在10Km以內(nèi)的WLAN工程，可以不考慮極限視距的影響，但需要考慮障礙物及菲涅爾區(qū)的影響。整理課件p

6、無線電磁波傳播基礎(chǔ)理論無線電磁波傳播基礎(chǔ)理論p天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí)pWLAN射頻基礎(chǔ)知識(shí)射頻基礎(chǔ)知識(shí)整理課件p 天線的作用天線的作用天線是電波的換能器件，用以發(fā)射和接收電波。p 電磁波的輻射電磁波的輻射導(dǎo)線上有交變電流流動(dòng)時(shí)，可發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)度和形狀有關(guān)。若導(dǎo)線間距離很近，電場(chǎng)被束縛在兩導(dǎo)線之間，則輻射很微弱。將兩導(dǎo)線張開，電場(chǎng)即散播在周圍空間，則輻射增強(qiáng)。整理課件p 振子振子通常我們將安裝在天線中并能產(chǎn)生顯著電磁輻射的直導(dǎo)線稱為振子。p 對(duì)稱振子對(duì)稱振子對(duì)稱振子是一種經(jīng)典的、應(yīng)用最廣泛的天線，單個(gè)半波對(duì)稱振子可獨(dú)立使用或用作為拋物面天線的饋源，也可將多個(gè)半波對(duì)稱振

7、子組成天線陣。兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫做對(duì)稱振子對(duì)稱振子。每臂長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)、全長(zhǎng)為二分之一波長(zhǎng)的振子，稱半波對(duì)稱振子半波對(duì)稱振子。1/4波長(zhǎng)波長(zhǎng) 1/4波長(zhǎng)波長(zhǎng) 1/2波長(zhǎng)波長(zhǎng) 整理課件p 天線的方向性天線的方向性天線輻射電磁波是有方向性的，在天線的發(fā)送端，方向性指天線向一定方向輻射電磁波的能力。對(duì)于接收端而言，則表示天線對(duì)來自不同方向的電磁波的接收能力。p 天線的方向圖天線的方向圖通常用垂直平面及水平平面上表示不同方向輻射（或接收）電磁波功率大小的曲線來表示天線的方向性，并稱為天線輻射的方向圖。全向天線立體方向圖全向天線垂直面方向圖全向天線水平面方向圖水平面方向圖視角 垂直面方向圖視角 整

8、理課件p 各種天線的形成各種天線的形成通過對(duì)天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)做相應(yīng)的改動(dòng)，可以改變天線的方向性，并由此形成不同種類及特性各異的天線。標(biāo)準(zhǔn)半波對(duì)稱振子天線增加反射板反射板振子增加振子數(shù)量振子整理課件p 波瓣寬度波瓣寬度方向圖通常都有兩個(gè)或多個(gè)瓣，其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低 3dB（功率密度降低一半）的兩點(diǎn)間的夾角定義為波瓣寬度（又稱波束寬度或主瓣寬度或半功率角）。 - 3dB點(diǎn)點(diǎn) - 3dB點(diǎn)點(diǎn)峰值方向峰值方向 （最大輻射方向）（最大輻射方向） 25o波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。板狀天線立體方向圖整理課件p

9、 增益增益增益是指在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。p 增益與波瓣寬度的關(guān)系增益與波瓣寬度的關(guān)系增益與天線波瓣寬度有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。整理課件p 上旁瓣抑制上旁瓣抑制對(duì)于無線覆蓋天線，其服務(wù)對(duì)象是地面上的無線用戶，指向天空的輻射是毫無意義的。因而人們常常要求它的垂直面方向圖主瓣上方的第一旁瓣盡可能弱一些，這就是所謂的上旁瓣抑制。抑制前抑制后整理課件p 前后比前后比方向圖中，前后瓣最大值之比稱為前后比。前后比越大，天線的后向輻射（或接收）越小，天線受后方（或?qū)蠓剑┑臒o線干擾就越小。全向天線的前后比為0dB，常

10、用定向天線的前后比典型值為1830dB。整理課件p 天線的極化天線的極化天線向周圍空間輻射電磁波是由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成的。人們規(guī)定：天線極化方向就是電場(chǎng)的方向。垂直極化垂直極化水平極化水平極化+45 極化極化-45 極化極化EEEE整理課件p 雙極化天線雙極化天線把垂直極化和水平極化兩種極化的天線組合在一起?；蛘甙?45極化和-45極化兩種極化的天線組合在一起，就構(gòu)成了雙極化天線。垂直/水平極化組合+/-45 極化組合整理課件p 極化損失極化損失收、發(fā)天線的極化方式必需一致，也就是垂直（或水平）極化波要用具有垂直（或水平）極化特性的天線來接收。當(dāng)來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時(shí)，接收到的

11、信號(hào)將會(huì)變小，也就是發(fā)生極化損失。p 極化完全隔離極化完全隔離當(dāng)接收天線的極化方向與來波的極化方向完全正交時(shí)，例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來波時(shí)，天線就完全接收不到來波的能量，這種情況下極化損失為最大，稱極化完全隔離。p 工程指導(dǎo)工程指導(dǎo)在WLAN工程中使用的天線一般均為收發(fā)一體的垂直極化天線。整理課件p 室內(nèi)吸頂天線室內(nèi)吸頂天線l 室內(nèi)吸頂天線具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。主要用于建筑物內(nèi)各區(qū)域的全向無線覆蓋。室內(nèi)吸頂天線屬于低增益天線, 一般為2dBi 。l 由于吸頂通常安裝在室內(nèi)空間的頂部，因此吸頂天線在設(shè)計(jì)時(shí)上部安裝了一塊反射板，以控制向上輻射的電磁波并使其向下輻射

12、。這樣即可以減少吸頂天線對(duì)上一樓層的無線干擾，還可以增強(qiáng)下方空間的無線覆蓋效果。整理課件p 室內(nèi)壁掛天線室內(nèi)壁掛天線室內(nèi)壁掛天線具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。主要用于對(duì)建筑物內(nèi)特定區(qū)域的某一方向進(jìn)行無線覆蓋。室內(nèi)壁掛天線屬于定向天線, 其增益約為7dBi。由于室內(nèi)壁掛天線在防水、防潮等方面沒有做特殊處理，因此切勿將其安裝在室外環(huán)境。整理課件p 室外柱狀天線室外柱狀天線柱狀天線也被稱為桿狀天線或鞭狀天線。室外柱狀天線一般采用玻璃鋼外殼封裝，具有增益高、安裝方便，并具有良好的抗風(fēng)、防潮、防腐等特點(diǎn)。其主要應(yīng)用于室外大面積無線覆蓋。整理課件p 室外板狀天線室外板狀天線板狀天線由于其覆蓋區(qū)域

13、呈扇形分布，因此也被稱為扇區(qū)天線或扇型天線。室外板狀天線具有增益高、結(jié)構(gòu)牢靠、安裝方便，以及良好的防振動(dòng)沖擊和防水防腐能力等特點(diǎn)。其主要應(yīng)用于室外定向覆蓋，也可作為WLAN工程中點(diǎn)到多點(diǎn)橋接的中心點(diǎn)天線。整理課件p 八木定向天線八木定向天線八木定向天線，具有增益較高、結(jié)構(gòu)輕巧、架設(shè)方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。因此，它特別適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。八木定向天線的單元數(shù)越多，其增益越高，通常采用 612單元的八木定向天線，其增益可達(dá)1015 dBi。 整理課件p 柵狀拋物面天線柵狀拋物面天線l 由于拋物面具有良好的聚焦作用，所以拋物面天線集射能力強(qiáng)，特別適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，例如它常被選為WLAN點(diǎn)到點(diǎn)遠(yuǎn)距離通訊

14、天線。 l 拋物面采用柵狀結(jié)構(gòu)，一是為了減輕天線的重量，二是為了減少風(fēng)的阻力。 整理課件p無線電磁波傳播基礎(chǔ)理論無線電磁波傳播基礎(chǔ)理論p天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí)pWLAN射頻基礎(chǔ)知識(shí)射頻基礎(chǔ)知識(shí)整理課件典型WLAN總體硬件原理框圖整理課件典型WLAN射頻系統(tǒng)原理框圖整理課件p dB dB是一個(gè)純計(jì)數(shù)單位，本意是表示兩個(gè)量的比值大小，沒有單位。對(duì)于功率，dB = 10log（A/B）；對(duì)于電壓或電流，dB = 20log（A/B）。此處A，B代表參與比較的功率值或者電流、電壓值。p dBmdBm用于表示射頻信號(hào)的功率，它是實(shí)際功率相對(duì)于1mW的分貝值：假設(shè)信號(hào)功率為XmW，利用dBm 表示時(shí)其大

15、小為：p(dBm)=10log(X)例如100mW相當(dāng)與20dBm，500mW相當(dāng)于27dBm整理課件p EIRP（等效全向輻射功率）（等效全向輻射功率）EIRP為射頻發(fā)射機(jī)在指定方向上的輻射功率。在WLNA應(yīng)用中其單位通常為dBm。p 計(jì)算公式計(jì)算公式EIRP=P（設(shè)備發(fā)射功率）+ G（發(fā)射天線增益）- A（線路損耗）p EIRP的意義的意義EIRP反映了設(shè)備輻射信號(hào)的強(qiáng)度，接收設(shè)備收到的信號(hào)強(qiáng)度與這個(gè)指標(biāo)有密切關(guān)系。一般的無線電認(rèn)證法規(guī)都是規(guī)定EIRP的限值，而不是發(fā)射功率的限值。整理課件p SNR（信噪比）（信噪比）信噪比是一個(gè)衡量系統(tǒng)解調(diào)處理能力的指標(biāo)。它是在接收機(jī)接收到信號(hào)經(jīng)各級(jí)放大

16、、解調(diào)后的信號(hào)與噪聲的比值。對(duì)具體業(yè)務(wù)，所要求的信噪比越低，則系統(tǒng)的容量和覆蓋就比較好。p C/I（載干比）（載干比）載干比反映信號(hào)在空間傳播過程中，接收端接收到信號(hào)的好壞。它是加到接收天線輸入口的有用載頻功率（C）與干擾信號(hào)（I）功率的比值。載干比體現(xiàn)了設(shè)備抗同頻干擾的能力，C/I越小，說明抗同頻干擾能力越強(qiáng)。信噪比是基帶信號(hào)與噪聲之比，載干比是射頻信號(hào)與噪聲比。整理課件p 接收靈敏度接收靈敏度接收靈敏度是指接收機(jī)在滿足PER（錯(cuò)包率）小于10的條件下，天線口能夠接收到的最小接收信號(hào)電平，一般用dBm表示。它反映了設(shè)備接收弱信號(hào)的能力，在發(fā)射功率一定的情況下，靈敏度越高，覆蓋范圍越大。p 最

17、大接收電平最大接收電平最大接收電平是指接收機(jī)在滿足PER（錯(cuò)包率）小于10的條件下，天線口能夠接收的最大接收信號(hào)電平，一般用dBm表示。規(guī)范要求OFDM最大接收電平為30dBm，CCK為20dBm。最大接收電平反映了接收機(jī)接收強(qiáng)信號(hào)的能力，超過最大接收電平將導(dǎo)致接收機(jī)飽和，誤碼率明顯升高。p RSSIRSSI (Receiver Signal Strength Indicator)接收信號(hào)強(qiáng)度指示，是指接收機(jī)處基頻信號(hào)的功率大小。整理課件p 鏈路總增益鏈路總增益l 計(jì)算公式：計(jì)算公式：Gl=Pt-Prs+Gt+GrPt為設(shè)備射頻輸出功率Prs為接收端接收靈敏度Gt為發(fā)射端的天線增益Gr為接收端

18、的天線增益例如：假設(shè)設(shè)備發(fā)送功率為20dBm，接收端接收靈敏度為-75dBm，收發(fā)天線增益為Gt=Gr=18dBi，那么鏈路總增益為: Gl=20-(-75)+18+18=131dB整理課件p 鏈路總損耗鏈路總損耗l 計(jì)算公式：計(jì)算公式：Lt=Ls + Lft + Lfr Ls為收、發(fā)端之間的空中損耗Lft為發(fā)射機(jī)到發(fā)射天線之間的電纜損耗Lfr為接收機(jī)到接收天線之間的電纜損耗例如，假設(shè)設(shè)備工作在2.4GHz頻段，發(fā)送和接收機(jī)到天線之間的饋線長(zhǎng)度為2米，在2.4GHz頻率饋線損耗為0.5dB。兩設(shè)備間空間距離100米。那么，鏈路總損耗為：Lt=80+0.5+0.5=81dB100100米距離自由

19、空間損耗米距離自由空間損耗Ls=Ls=92.4 + 20 lg2.4 +20 lg0.1=80dB整理課件p 鏈路儲(chǔ)備余量鏈路儲(chǔ)備余量鏈路儲(chǔ)備余量直觀體現(xiàn)了在滿足接收端接收靈敏度要求的條件下，整個(gè)無線傳輸鏈路上還可以允許應(yīng)對(duì)多少潛在的額外損耗。鏈路儲(chǔ)備余量越大，則無線傳輸系統(tǒng)應(yīng)對(duì)潛在傳輸損耗的能力越強(qiáng)，也越容易滿足通信要求。p 計(jì)算公式計(jì)算公式Margin=GlLt對(duì)于前面的例子，鏈路儲(chǔ)備余量為：Margin=131-81=50dBp 工程指導(dǎo)工程指導(dǎo)由于多徑效應(yīng)和干擾影響，為了保證鏈路的可靠性，一般要保證15dBm左右的鏈路儲(chǔ)備余量。整理課件空間損耗輸出功率:20dBm天線增益:15dBm接

20、收靈敏度:-75dBm輸出功率:20dBm天線增益:15dBm接收靈敏度:-75dBm空間損耗輸出功率:20dBm天線增益:15dBm接收靈敏度:-75dBm輸出功率:15dBm天線增益:1dBm接收靈敏度:-65dBm對(duì)稱系統(tǒng)非對(duì)稱系統(tǒng)整理課件空間損耗:100dBm輸出功率:20dBm天線增益:15dBm接收靈敏度:-75dBm輸出功率:20dBm天線增益:15dBm接收靈敏度:-75dBm鏈路儲(chǔ)備余量:25dBm鏈路儲(chǔ)備余量:25dBm空間損耗:100dBm輸出功率:30dBm天線增益:15dBm接收靈敏度:-75dBm鏈路儲(chǔ)備余量:35dBm鏈路儲(chǔ)備余量:25dBm輸出功率:20dBm天

21、線增益:15dBm接收靈敏度:-75dBm空間損耗:100dBm輸出功率:20dBm天線增益:25dBm接收靈敏度:-75dBm鏈路儲(chǔ)備余量:35dBm鏈路儲(chǔ)備余量:35dBm輸出功率:20dBm天線增益:15dBm接收靈敏度:-75dBm整理課件空間損耗:90dBm輸出功率:20dBm天線增益:15dBm接收靈敏度:-75dBm輸出功率:15dBm天線增益:1dBm接收靈敏度:-65dBm鏈路儲(chǔ)備余量:11dBm鏈路儲(chǔ)備余量:16dBm空間損耗:90dBm輸出功率:30dBm天線增益:15dBm接收靈敏度:-75dBm輸出功率:15dBm天線增益:1dBm接收靈敏度:-65dBm鏈路儲(chǔ)備余量

22、:21dBm鏈路儲(chǔ)備余量:16dBm空間損耗:90dBm輸出功率:20dBm天線增益:25dBm接收靈敏度:-75dBm輸出功率:15dBm天線增益:1dBm接收靈敏度:-65dBm鏈路儲(chǔ)備余量:21dBm鏈路儲(chǔ)備余量:26dBm整理課件p 總結(jié)總結(jié)l 在工程實(shí)施中需綜合考慮系統(tǒng)的對(duì)稱性問題，當(dāng)存在非對(duì)稱系統(tǒng)時(shí)，需分別計(jì)算系統(tǒng)兩端的鏈路儲(chǔ)備余量，并以能力較弱一端作為主要考查對(duì)象。l 在無線通訊中出現(xiàn)由于信號(hào)強(qiáng)度而導(dǎo)致的傳輸速率低下問題時(shí)，為改善通訊效果需根據(jù)實(shí)際情況在提高發(fā)射功率和（或）提高天線增益間做出正確決策。整理課件p 空間損耗空間損耗無線電波在空間傳播時(shí)，其單位面積中的能量會(huì)因?yàn)閿U(kuò)散而

23、減少。這種減少稱為空間傳播損耗，其損耗值與空間距離及電波頻率成正比。在WLAN室外通訊工程中我們通常把現(xiàn)實(shí)空間環(huán)境等效為自由空間，并利用自由空間損耗公式來估算實(shí)際環(huán)境的空間傳播損耗。p 計(jì)算公式計(jì)算公式LS(dB) = 92.4 + 20 log f(GHz) +20 log d(km)LS-自由空間損耗f-電磁波頻率d-傳播距離整理課件p 同頻干擾同頻干擾l 802.11b/g及802.11n工作的2.4GHz頻段屬于無需授權(quán)使用的免費(fèi)頻段。日常生活中存在許多在此頻段工作的設(shè)備，如其它AP設(shè)備、藍(lán)牙、微波爐、無繩電話、ZigBee產(chǎn)品等。而2.4GHz頻段只有3個(gè)非重疊信道，因此很容易產(chǎn)生同

24、頻或臨頻干擾。l 802.11a及802.11n工作的5.8GHz頻段相比2.4GHz頻段要干凈，但隨著802.11n的普及應(yīng)用，該頻段的信道干擾也將隨之變得嚴(yán)重。整理課件p 障礙物障礙物無線電波在傳播過程中遇到無法繞射的障礙物時(shí)，將會(huì)發(fā)生透射傳播。根據(jù)所穿透的障礙物材質(zhì)及其厚度和電磁波的頻率，透射所產(chǎn)生的損耗也不一樣。典型障礙物衰減量障礙物 衰減量對(duì)2.4GHz衰減量（dB)對(duì)5GHz衰減量（dB)4.5cm厚金屬門4.5cm實(shí)木門4.5cm中空門4.5cm內(nèi)部隔斷墻9cm磚塊45cm混凝土墻70cm混凝土外墻1.5cm玻璃隔斷整理課件p 多徑干擾多徑干擾由于信號(hào)在傳播鏈路中經(jīng)過反射、散射、衍射等傳播，到達(dá)接