第二部分無線通信

1、第4章 無線通信基礎(chǔ)4.1 RF頻譜4.2 擴(kuò)頻傳輸4.3 無線復(fù)用和多址訪問技術(shù)4.4 數(shù)字調(diào)制技術(shù)4.5 RF信號(hào)的發(fā)送與接收4.6 超寬帶無線電4.7 MIMO無線電4.8 近場(chǎng)通信4.1 RF頻譜4.1.1 RF頻譜概述4.1.2 無線電頻譜管理?xiàng)l例4.1.3 作為網(wǎng)絡(luò)媒體的射頻傳輸4.1.1 RF頻譜概述無線電頻率，簡(jiǎn)稱射頻(RF)。無線通信是絕大部分無線網(wǎng)絡(luò)的核心，其原理類似于熟知的電臺(tái)廣播和電視廣播。RF頻段是指9kHz至300 GHz之間的電磁頻譜，如表4.1所示，不同的頻段用來傳輸不同的業(yè)務(wù)。電磁輻射的波長(zhǎng)和頻率是通過光速聯(lián)系在一起的，波長(zhǎng)()= 光速(c)/頻率(f )，或

2、者波長(zhǎng)(m)= 300/頻率(MHz)。無線電頻譜的劃分傳輸類型傳輸類型頻率頻率波長(zhǎng)波長(zhǎng)甚低頻（VLF）930kHz3310km低頻（LF）30300kHz101km中頻（MF）3003000kHz1000100m高頻（HF）330MHz10010m甚高頻（VHF）30300MHz101m特高頻（UHF）3003000MHz1000100mm超高頻（SHF）330GHz10010mm極高頻（EHF）30300GHz101mm 在無線電頻譜的使用中，頻段分配給不同的授權(quán)和非授權(quán)業(yè)務(wù)，不同信號(hào)格式所允許使用的傳輸功率大小由不同國(guó)家和地區(qū)的管理機(jī)構(gòu)控制。國(guó)家國(guó)家/ /地地區(qū)區(qū)管理機(jī)構(gòu)管理機(jī)構(gòu)美國(guó)FC

3、C美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)加拿大IC加拿大工業(yè)部歐洲ETSI歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)日本ARIB日本無線工業(yè)及商貿(mào)聯(lián)合會(huì)無線電頻譜管理機(jī)構(gòu)RFRF頻段頻段無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范915/868MHz ISMZigbee2.4GHz ISMIEEE802.11b/g,藍(lán)牙ZigBee5.8GHzIEEE802.11a無線網(wǎng)絡(luò)使用的無線電頻段4.1.2 無線電頻譜管理?xiàng)l例固定通信固定通信移動(dòng)通信移動(dòng)通信空間研究空間研究空間運(yùn)行空間運(yùn)行地球勘察地球勘察空間研究空間研究固定通信固定通信移動(dòng)通信移動(dòng)通信無線電愛好者無線電愛好者廣播衛(wèi)星廣播衛(wèi)星移動(dòng)通信移動(dòng)通信無線電定位無線電定位無線電愛好者無線電愛好者固定通信固定通信

4、移動(dòng)通信移動(dòng)通信無線電測(cè)定衛(wèi)星無線電測(cè)定衛(wèi)星移動(dòng)衛(wèi)星移動(dòng)衛(wèi)星廣播衛(wèi)星廣播衛(wèi)星固定通信固定通信無線電天文觀察無線電天文觀察空間研究空間研究地球勘探衛(wèi)星地球勘探衛(wèi)星航空無線電導(dǎo)航航空無線電導(dǎo)航氣象服務(wù)氣象服務(wù)無線電定位無線電定位2.22.32.42.52.72.9GHzFCC在2.4GHz的ISM波段上的頻譜分配4.1.3 作為網(wǎng)絡(luò)媒體的射頻傳輸 與傳統(tǒng)有線傳輸相比，面臨安全性和信號(hào)傳播問題等挑戰(zhàn)挑戰(zhàn)挑戰(zhàn)考慮因素和解決方案考慮因素和解決方案鏈路可靠性信號(hào)傳播、干擾、設(shè)備選址、鏈路預(yù)算媒體接入感知其他用戶（隱藏站點(diǎn)和暴露站點(diǎn)問題）、服務(wù)質(zhì)量要求安全性WEP、WPA、EEE802.11i、定向天線無線

5、射頻網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)站點(diǎn)A站點(diǎn)B站點(diǎn)C站點(diǎn)C發(fā)射機(jī)的覆蓋范圍隱藏站點(diǎn)：隱藏站點(diǎn)：C C是是A A的隱藏站點(diǎn)的隱藏站點(diǎn)A感知不到C的傳輸，由于C的干擾存在A到B的傳輸失敗暴露站點(diǎn)：暴露站點(diǎn)：B B是是C C的暴露站點(diǎn)的暴露站點(diǎn)當(dāng)站點(diǎn)C發(fā)送時(shí)，站點(diǎn)B被阻止不能向站點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)，盡管此時(shí)A是能夠成功接收的隱藏站點(diǎn)和暴露站點(diǎn)給無線媒體接入控制帶來的挑戰(zhàn)4.2 擴(kuò)頻傳輸4.2.1 擴(kuò)頻傳輸?shù)母攀?.2.2 擴(kuò)頻傳輸?shù)姆诸?.2.3 碼片、擴(kuò)頻及相關(guān)4.2.4 片碼4.2.5 補(bǔ)碼鍵控4.2.6 2.4GHz ISM頻段的直接序列擴(kuò)頻4.2.7 2.4GHz ISM頻段的跳頻擴(kuò)頻4.2.8 跳時(shí)擴(kuò)頻4.2.9

6、無線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)頻技術(shù)的利與弊4.2.1 擴(kuò)頻傳輸?shù)母攀?定義：定義：擴(kuò)展頻譜是一種無線電傳輸技術(shù)，簡(jiǎn)稱擴(kuò)頻。最初在第二次世界大戰(zhàn)的軍事應(yīng)用中提出，目的是使無線傳輸更加安全，不易截取和阻塞。在同樣的頻帶內(nèi)它可以減少甚至消除與窄帶傳輸之間的干擾。基帶信號(hào)擴(kuò)頻信號(hào)擴(kuò)頻信號(hào)解擴(kuò)后的基帶信號(hào)擴(kuò)展函數(shù)解擴(kuò)函數(shù)頻率頻率頻率頻率窄帶干擾4.2.1 擴(kuò)頻傳輸?shù)姆诸悢U(kuò)展技術(shù)的關(guān)鍵是使用了一些與傳輸信息完全獨(dú)立的函數(shù)，通過這些函數(shù)可以把信號(hào)擴(kuò)展到很寬的傳輸頻帶上。主要有一下幾種類型：1.直接序列擴(kuò)頻（DSSS）2.調(diào)頻擴(kuò)頻（Frequency Hopping Spectrum，F(xiàn)HSS）3.跳時(shí)擴(kuò)頻（Time Hopp

7、ing Spectrum，THSS）4.脈沖調(diào)頻系統(tǒng)5.混合系統(tǒng)基帶信號(hào)擴(kuò)展函數(shù)頻率頻率頻率解擴(kuò)基帶信號(hào)擴(kuò)頻信號(hào)OOO相關(guān)函數(shù)圖4.4 直接序列擴(kuò)頻(DSSS)的簡(jiǎn)單示意圖頻率頻率頻率基帶信號(hào)OO調(diào)頻信道發(fā)射機(jī)跳頻模式1216510.接收機(jī)跳頻模式1216510.圖4.5 跳頻擴(kuò)頻(FHSS)的簡(jiǎn)單示意圖線性chirp-掃頻下降線性chirp-掃頻上升變調(diào)-掃頻先上升再下降變調(diào)-掃頻先下降再上升數(shù)據(jù)脈沖的調(diào)頻模式由擴(kuò)展函數(shù)決定時(shí)間時(shí)隙；Ts圖4.7 脈沖調(diào)頻系統(tǒng)的簡(jiǎn)單示意圖在擴(kuò)頻函數(shù)決定的時(shí)隙內(nèi)數(shù)據(jù)在某一位置突發(fā)傳輸時(shí)隙；Ts時(shí)間圖4.6 跳時(shí)擴(kuò)頻(THSS)的簡(jiǎn)單示意圖4.2.3 碼片、擴(kuò)頻

8、及相關(guān)直接序列擴(kuò)頻中使用的擴(kuò)頻函數(shù)是一個(gè)數(shù)字碼，也稱為碼片或偽隨機(jī)(Pseudo-noise, PN)碼，它們經(jīng)過挑選并具有特殊的數(shù)學(xué)性質(zhì)。其中一個(gè)性質(zhì)，就是信號(hào)對(duì)廣播頻段的偶然接收者表現(xiàn)出隨機(jī)噪聲的特點(diǎn)，也由此得名“偽隨機(jī)”。在IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)中，數(shù)據(jù)速率為1 Mbps和2 Mbps的偽隨機(jī)碼是11比特的巴克碼。巴克碼是二進(jìn)制序列，具有低自相關(guān)性，即該序列與自身時(shí)移后的序列不具有相關(guān)性。表4.7介紹了長(zhǎng)度為213的巴克碼。長(zhǎng)度長(zhǎng)度編碼編碼210和和11311041011和和100051110171110010111110001001013111100111001表4.7 長(zhǎng)度為2

9、13的巴克碼比特流碼片碼片流數(shù)據(jù)11位巴克序列編碼后的數(shù)據(jù)圖4.8 DSSS偽隨機(jī)碼4.2.4 片碼偽隨機(jī)碼的一個(gè)突出的數(shù)字特性是，它可以使接收機(jī)的隨機(jī)碼產(chǎn)生器非常迅速地與接收信號(hào)的偽隨機(jī)碼同步。同步是解擴(kuò)過程的第一步?？焖偻揭笤诮邮招盘?hào)中碼字的位置能夠被迅速識(shí)別，這一點(diǎn)借助與巴克碼的抵自相關(guān)性實(shí)現(xiàn)。抵自相關(guān)性另一好處是接收機(jī)可以拒收時(shí)延超過一個(gè)碼片周期的信號(hào)。片碼的另一個(gè)重要性質(zhì)是低互相關(guān)性，這在移動(dòng)電話等必須避免多發(fā)射機(jī)間干擾的應(yīng)用中非常重要。低互相關(guān)性減少了相關(guān)器被不同偽隨機(jī)碼編碼的信號(hào)干擾的機(jī)會(huì)（如相關(guān)性會(huì)錯(cuò)誤地解碼采用不同片碼的干擾信號(hào)）。4.2.5 補(bǔ)碼鍵控除了使用單個(gè)片碼對(duì)輸

10、入數(shù)據(jù)流的每個(gè)不特進(jìn)行擴(kuò)展外，還可以使用一組擴(kuò)碼，并依據(jù)輸入的數(shù)據(jù)比特組的數(shù)值對(duì)從這組擴(kuò)碼中選擇一個(gè)碼。這種機(jī)制稱為補(bǔ)碼鍵控（Complementary Code Keying，CCK）。4.2.6 2.4GHz ISM頻段的直接序列擴(kuò)頻如前面所述，在直接序列擴(kuò)頻中，數(shù)據(jù)信號(hào)和碼字結(jié)合，片碼和數(shù)據(jù)信號(hào)的組合信號(hào)用來調(diào)制射頻載波，從而使發(fā)射信號(hào)擴(kuò)展到很寬的頻帶。22MHz信道帶寬25MHz信道帶寬圖4.9 IEEE 802.11 DSSS信道信道1信道2信道3信道4信道5信道6信道7信道8信道9信道10信道11圖4.10 2.4 GHz ISM波段DSSS信道4.2.7 2.4GHz ISM頻段

11、的跳頻擴(kuò)頻 在調(diào)頻擴(kuò)頻傳輸中，數(shù)據(jù)直接調(diào)制到單個(gè)載頻上，然而載波頻率在射頻頻段內(nèi)多個(gè)信道之間以偽隨機(jī)跳躍的模式進(jìn)行跳變。 用一定碼序列進(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說，用擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳變，所以稱為跳頻。 每秒發(fā)生2.5次跳頻跳頻最小間隔6MHz78種跳頻模式1MHz信道帶寬79個(gè)1MHz的藍(lán)牙信道圖4.11 2.4 GHz ISM頻段的FHSS信道4.2.8 跳時(shí)擴(kuò)頻 與跳頻相似，跳時(shí)(THTimeHopping)是使發(fā)射信號(hào)在時(shí)間軸上跳變。首先把時(shí)間軸分成許多時(shí)片。在一幀內(nèi)哪個(gè)時(shí)片發(fā)射信號(hào)由擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行控制?？梢园烟鴷r(shí)理解為：用一定碼序列進(jìn)行選擇的多時(shí)

12、片的時(shí)移鍵控。 比特時(shí)間Tb用戶1的比特流=1101用戶2的比特流=1101用戶1的脈沖TH碼=2767用戶2的脈沖TH碼=4483發(fā)送時(shí)隙序號(hào)幀時(shí)間Tf圖4.12 跳時(shí)擴(kuò)頻(THSS)4.2.9 無線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)頻技術(shù)的利與弊跳頻擴(kuò)頻跳頻擴(kuò)頻直接序列擴(kuò)頻直接序列擴(kuò)頻設(shè)計(jì)和制作簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)和制作簡(jiǎn)單高數(shù)據(jù)速率高數(shù)據(jù)速率實(shí)現(xiàn)成本低實(shí)現(xiàn)成本低范圍增大范圍增大網(wǎng)絡(luò)重疊使用的密度高網(wǎng)絡(luò)重疊使用的密度高吞吐量允許門限值內(nèi)的吞吐量允許門限值內(nèi)的干擾干擾在干擾情況下吞吐量逐在干擾情況下吞吐量逐漸惡化漸惡化表4.8 常見擴(kuò)頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)4.3 無線復(fù)用和多址訪問技術(shù)4.3.1 簡(jiǎn)介4.3.2 時(shí)分多址4.3.3 頻分多址

13、4.3.4 正交頻分復(fù)用4.3.5 空分多址4.3.6 碼分多址4.3.1 簡(jiǎn)介復(fù)用技術(shù)的目的是在單一媒體上傳輸多路信號(hào)或多路數(shù)據(jù)流來提高傳輸效率。這樣增加的容量可以為一個(gè)用戶提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，也可以使多個(gè)用戶能夠同時(shí)無干擾地接入傳輸媒體。用戶接入媒體可以有這樣幾種方法：時(shí)分多址(Time Division Multiple Access, TMDA)，頻分多址(Frequency Division Multiple Access, FDMA)或正交頻分復(fù)用(OFDM)，空分多址(Space Division Multiple Access, SDMA)，以及碼分多址(CDMA)。這些方

14、法會(huì)在后面的章節(jié)中依次討論。4.3.2 時(shí)分多址TMDA通過分配給每個(gè)用戶特定的時(shí)隙，從而允許多個(gè)用戶無干擾地接入到一個(gè)信道。如圖4.13所示，時(shí)間軸分為多個(gè)時(shí)隙，按照時(shí)隙分配算法指派給用戶。TDMA的一種簡(jiǎn)單形式就是時(shí)分雙工(Time Division Duplex, TDD)，雙工通信系統(tǒng)中的上下行鏈路可以輪流占用傳輸周期。TDD用在無繩電話系統(tǒng)可以在一個(gè)頻帶內(nèi)容納雙向通信。TDMA時(shí)隙分配站點(diǎn)1站點(diǎn)2站點(diǎn)3站點(diǎn)4時(shí)隙；Ts時(shí)間時(shí)間TDD時(shí)隙分配上行鏈路下行鏈路圖4.13 時(shí)分多址(TDMA)和時(shí)分雙工(TDD)4.3.3 頻分多址與TDMA不同，F(xiàn)DMA提供給每個(gè)用戶一個(gè)連續(xù)信道，信道帶

15、寬是總帶寬的一部分。將可用帶寬劃分成多個(gè)信道然后分配給每個(gè)用戶，如圖4.14所示。頻分雙工(Frequency Division Duplex, FDD)是FDMA的一種簡(jiǎn)單形式，它將可用帶寬分成兩個(gè)信道來提供連續(xù)的全雙工通信。蜂窩電話系統(tǒng)，如GSM(Global System for Mobile Communications，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，即第2代移動(dòng)通信）和UMTS(Universal Mobile Telecommunications System，通用移動(dòng)通信系統(tǒng)，即第3代移動(dòng)通信）使用FDD來分隔上下行信道，第一代蜂窩電話系統(tǒng)使用FDMA來分配帶寬給多個(gè)用戶?？捎脤拵?nèi)的信道數(shù)

16、目頻率FDMA信道 分配FDD信道 分配用戶A用戶D用戶C用戶B下行鏈路上行鏈路圖4.14 頻分多址(FDMA)和頻分雙工(FDD)4.3.4 正交頻分復(fù)用正交頻分復(fù)用(OFDM)是頻分復(fù)用(Frequency Division Multiplexing, FDM)的一種形式，它在一個(gè)頻帶內(nèi)傳輸多個(gè)離散子載波，選擇合適的子載波頻率，可使相鄰子載波之間的干擾降至最小?？刂泼總€(gè)子載波（也稱單音）的帶寬可以達(dá)到降低干擾的作用，可使子載波的頻率正好是其相鄰子載波的頻譜最小處，如圖4.16所示。頻率圖4.16 OFDM子載波的頻域正交性在時(shí)域中，OFDM載波之間的正交性意味著在符號(hào)傳輸周期內(nèi)子載波的周期

17、數(shù)是整數(shù)，如圖4.17所示。可以表示為式中：Ts表示符號(hào)傳輸周期，vi表示第i個(gè)子載波的頻率。因此這些子載波在頻率上存在著間隔，頻率間隔是符號(hào)周期的倒數(shù)。iivnT/s時(shí)間圖4.17 時(shí)域OFDM系統(tǒng)子載波的正交性O(shè)FDM的多載波可以應(yīng)用在很多方面：OFDM可以作為多址接入技術(shù)(OFDM Access, OFDMA)，根據(jù)每個(gè)用戶的帶寬要求為其分配單個(gè)子載波或一組子載波。將一路串行比特流可以分成多路并行比特流，每一路用一個(gè)單獨(dú)的子載波編碼。一個(gè)用戶使用多路子載波可以獲得高的數(shù)據(jù)吞吐量。比特流可以采用片碼擴(kuò)展，每個(gè)碼片可以通過單獨(dú)的子載波并行傳輸。由于代碼允許多用戶接入，因此這樣的系統(tǒng)被稱為多載

18、波CDMA(Multi-Carrier, MC-CDMA)。 OFDM的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是，用多載波方式傳輸?shù)姆?hào)速率比單載波傳輸?shù)姆?hào)速率低很多，這樣無線鏈路就不容易受到符號(hào)間干擾(Inter-Symbol Interference, ISI)的影響。ISI是由多徑傳播造成的，兩個(gè)不同時(shí)間發(fā)射的符號(hào)經(jīng)過不同的傳播路徑后同時(shí)到達(dá)接收天線，如圖4.18所示。盡管OFDM本身不容易被ISI影響，但絕大部分OFDM系統(tǒng)還是在符號(hào)間引入了保護(hù)間隔來進(jìn)一步減小ISI。延遲的信號(hào)直接信號(hào)符號(hào)符號(hào)符號(hào)符號(hào)符號(hào)符號(hào)符號(hào)間干擾時(shí)間圖4.18 符號(hào)間干擾(ISI)串行比特符號(hào)流串行比特符號(hào)流串并轉(zhuǎn)換串并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)編碼（

19、）（）OFDM調(diào)制快速傅里葉逆變換（）插入保護(hù)間隔數(shù)模轉(zhuǎn)換和濾波射頻上變頻傳輸信道噪聲、多徑和其他干擾子載波的相位和幅度信道均衡和數(shù)據(jù)解碼快速傅里葉變換（）（）去除保護(hù)間隔模數(shù)轉(zhuǎn)換和濾波射頻下變頻OFDM解調(diào)圖4.19 OFDM發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的示意框圖 4.3.5 空分多址空分多址(SDMA)將空間位置作為參數(shù)，控制用戶對(duì)傳輸媒體的接入，從而提高無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，如果基站配備成具有30水平波束寬度的扇形天線，它可以根據(jù)用戶圍繞基站的位置劃分12個(gè)空間區(qū)域或信道（圖3.17描述的波束模式就是一個(gè)基站具有6個(gè)信道）。采用這種配置，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)容量與使用全向天線基站的容量相比，可以提

20、高12倍。和簡(jiǎn)單扇形天線一樣，正在發(fā)展中的智能天線技術(shù)將數(shù)字信號(hào)處理能力與天線陣列相結(jié)合，以達(dá)到對(duì)信號(hào)傳輸和接收的空間控制。智能天線系統(tǒng)可以根據(jù)信號(hào)環(huán)境和系統(tǒng)要求來調(diào)整方向性的特征參數(shù)，為SDMA提供了基礎(chǔ)。4.3.6 碼分多址CDMA與DSSS密切相關(guān)，采用偽隨機(jī)碼將數(shù)據(jù)信號(hào)擴(kuò)展到很寬的頻帶上來提高抗干擾能力。如前文所述，如果兩個(gè)或多個(gè)發(fā)射機(jī)在DSSS中使用不同的正交偽隨機(jī)(PN)碼，它們就可以在相同物理區(qū)域使用同樣的頻段而互不干擾。這是由于使用偽隨機(jī)碼的相關(guān)器不能檢測(cè)由另一正交碼編碼的信號(hào)，而正交碼的定義決定它們互不相關(guān)。沃爾什就是正交碼集的一個(gè)例子，沃爾什碼可以通過哈達(dá)馬變換非常方便的得

21、到。在圖4.20中從左往右看，三個(gè)淺色的矩陣都與它們左邊的整個(gè)矩陣相同，而深色的矩陣的數(shù)值正好與它左邊整個(gè)矩陣的數(shù)值相反。沃爾什碼可以從矩陣的每一行很容易地讀出，所以長(zhǎng)度為4的沃爾什碼組是0000, 0101, 0011和0110。圖4.20 Walsh碼的構(gòu)造4.4 數(shù)字調(diào)制技術(shù)4.4.1 簡(jiǎn)介4.4.2 簡(jiǎn)單調(diào)制技術(shù)4.4.3 相移鍵控4.4.4 正交幅度調(diào)制4.4.5 雙載波調(diào)制4.4.6 脈沖調(diào)制方法4.4.1 簡(jiǎn)介為某個(gè)具體應(yīng)用選擇最佳數(shù)字調(diào)制技術(shù)，需要遵循一系列規(guī)范，以下是其中最重要的幾項(xiàng)：頻譜效率：在可用的帶寬內(nèi)達(dá)到要求的數(shù)據(jù)速率，如表4.9所示。誤比特率(Bit Error R

22、ate, BER)性能：在具體應(yīng)用中，在考慮了諸多可能的影響因素（如干擾、多徑衰落等）情況下，系統(tǒng)要達(dá)到的誤比特率。功率效率：這在移動(dòng)應(yīng)用中尤其重要，電池壽命是用戶非?？粗械囊蛩?。頻譜效率（表示為每赫茲帶寬的數(shù)據(jù)速率）高的調(diào)制模式要求高的信號(hào)強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度：實(shí)現(xiàn)某個(gè)特定技術(shù)與硬件成本直接相關(guān)?？梢栽谀承┓矫嬗密浖韺?shí)現(xiàn)調(diào)制的復(fù)雜性，減少對(duì)終端用戶成本的影響。調(diào)制技術(shù)頻譜效率(b/Hz)BPSK0.5QPSK1.016-QAM2.0128-QAM3.5256-QAM4.0表4.9 幾種典型調(diào)制技術(shù)的頻譜效率4.4.2 簡(jiǎn)單調(diào)制技術(shù)歸零翻轉(zhuǎn)(RZI)調(diào)制是在傳輸速率為1.152

23、 Mbps的紅外數(shù)據(jù)傳輸中使用的調(diào)制技術(shù)。它是不歸零(Non-return to Zero, NRZ)調(diào)制的一種變換形式，NRZ用在通用異步接收/發(fā)送裝置(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, UART)的數(shù)據(jù)傳輸中，如圖4.21所示，用1表示高電平，用0表示低電平，只有在1后跟著0時(shí)，才會(huì)從高電平轉(zhuǎn)到低電平。數(shù)據(jù)比特不歸零（NRZ）歸零（RZ）差分歸零（RZI）比特周期圖4.21 NRZ, RZ和RZI調(diào)制技術(shù)歸零(Return to Zero, RZ)傳輸在每個(gè)比特期間用低-高-低脈沖表示1，與此相反，RZI用這樣的脈沖表示0。當(dāng)RZI調(diào)

24、制信號(hào)被接收時(shí)，每個(gè)收到的脈沖觸發(fā)一次從高電平到低電平的躍變，可以恢復(fù)出比特流，如圖4.22所示。在每個(gè)比特周期結(jié)束時(shí)刻，解碼信號(hào)如果是低電平則下個(gè)周期被置為高電平，如果是高電平則保持不變，但如果收到了另一個(gè)脈沖則要發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)。起始位RZI已調(diào)信號(hào)解碼信號(hào)數(shù)據(jù)比特圖4.22 RZI比特流解碼4.4.3 相移鍵控4.4.3.1 二進(jìn)制相移鍵控4.4.3.2 四進(jìn)制相移鍵控4.4.3.3 差分相移鍵控4.4.3.4 頻移鍵控4.4.3.1 二進(jìn)制相移鍵控BPSK是這類技術(shù)中最簡(jiǎn)單的，載波相位總是如表4.10中所示兩種狀態(tài)中的一種。0輸入符號(hào)（比特或者碼片）對(duì)應(yīng)載波零相位，1輸入符號(hào)對(duì)應(yīng)180移相

25、的載波，產(chǎn)生的輸出波形如圖4.23所示。符號(hào)載波相位001180表4.10 二進(jìn)制相移鍵控比特流零相位載波BPSK已調(diào)載波圖4.2 二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制(BPSK)4.4.3.2 四進(jìn)制相移鍵控與BPSK使用兩種相位狀態(tài)不同，QPSK使用四種不同的載波相位，每種相位用來編碼由兩個(gè)比特或碼片組成的一個(gè)符號(hào)。圖4.24說明了這四種載波相位，用IQ平面表示了載波信號(hào)的相位，其中I代表同向，Q代表正交或者90相位。在IQ平面上點(diǎn)與I軸的角度表示相角，到原點(diǎn)的距離表示信號(hào)的幅度。表4.11中表示了00, 01, 11和10這四個(gè)點(diǎn)，即調(diào)制星座，它表示了單位幅度的四個(gè)載波相位。單位幅度圓QPSK星座圖/4Q

26、PSK星座圖圖4.24 QPSK相位星座符號(hào)載波相位00001901118010270表4.11 正交相移鍵控4.4.3.3 差分相移鍵控差分相移鍵控(Differential Phase Shift Keying, DPSK)是BPSK和QPSK的變換形式，輸入符號(hào)用來控制相位的差分變化，而不是用來定義載波的絕對(duì)相位。在BPSK中，0對(duì)應(yīng)零相位載波周期，而在DBPSK中，0符號(hào)表示載波相位相對(duì)于前一個(gè)比特周期沒有變化。類似地，在DQPSK中，每個(gè)符號(hào)被表示為相位的變化而不是載波的絕對(duì)相位，如表4.12所示。符號(hào)相位變化00001901118010270表4.12 差分正交相移鍵控4.4.3.

27、4 頻移鍵控頻移鍵控(Frequency Shift Keying, FSK)是簡(jiǎn)單的頻率調(diào)制方式，數(shù)據(jù)符號(hào)對(duì)應(yīng)不同的載波頻率。表4.13給出的是二進(jìn)制移頻鍵控(Binary Frequency Shift Keying, BFSK)情況。符號(hào)載波頻率0f0f11f0 + f1表4.13 二進(jìn)制頻移鍵控4.4.4 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制(QAM)是將相位調(diào)制和幅度調(diào)制相結(jié)合的合成調(diào)制技術(shù)。如前文所述，在BPSK或QPSK中，用恒定的載波幅度和2或4個(gè)不同的相位來表示輸入數(shù)據(jù)符號(hào)。QAM定義了16, 64或更多點(diǎn)的星座而不是2點(diǎn)或4點(diǎn)，每一個(gè)點(diǎn)都有特定的相位和幅度代表4或6比特（或碼片）的數(shù)據(jù)

28、符號(hào)。16-QAM和64-QAM調(diào)制技術(shù)應(yīng)用在IEEE 802.11a和IEEE 802.11g規(guī)范中，與OFDM相結(jié)合，可以達(dá)到2454 Mbps的數(shù)據(jù)率。圖4.25所示的16-QAM星座（即IQ平面上有16個(gè)點(diǎn)）可用來實(shí)現(xiàn)24 Mbps和36 Mbps數(shù)據(jù)速率。圖4.25 16QAM星座圖16QAM星座圖上的點(diǎn)也可以選用格雷碼編碼方式，格雷碼可使相鄰點(diǎn)之間只有1位不同，如圖4.26所示。使用這種編碼方法可以減少在接收機(jī)中出現(xiàn)兩位錯(cuò)誤的概率，因?yàn)槿绻硞€(gè)點(diǎn)被錯(cuò)誤地判定為相鄰的點(diǎn)，則只會(huì)發(fā)生一位錯(cuò)誤，這易于采用糾錯(cuò)技術(shù)恢復(fù)出錯(cuò)的位。圖4.26 格雷編碼的16-QAM星座圖4.4.5 雙載波調(diào)制

29、雙載波調(diào)制是用在多載波系統(tǒng)中的技術(shù)，如OFDM，可以對(duì)抗多徑環(huán)境中對(duì)單載波信號(hào)的破壞性干擾或衰落帶來的數(shù)據(jù)損耗（參見4.5.4.3節(jié)）。將數(shù)據(jù)調(diào)制到兩個(gè)載波而不是一個(gè)載波上，盡管增加了帶寬，但傳輸?shù)聂敯粜愿?。在多帶OFDM(Multi-band OFDM)（參見4.6.4節(jié)）中，4比特符號(hào)被映射到兩個(gè)不同的16-QAM星座圖上，符號(hào)在相隔至少200 MHz的兩個(gè)OFDM載波中傳輸。如果其中一個(gè)載波的接收受到衰落的影響，數(shù)據(jù)可以從另一個(gè)載波中恢復(fù)出來，由于兩個(gè)載波間隔很大，所以兩個(gè)載波同時(shí)受到影響的概率很小。4.4.6 脈沖調(diào)制方法4.4.6.1 脈沖位置調(diào)制4.4.6.2脈沖形狀調(diào)制4.4.

30、6.1 脈沖位置調(diào)制在脈沖位置調(diào)制(PPM)中，每個(gè)脈沖都在參考時(shí)間幀內(nèi)傳輸，脈沖傳送的信息是由在一幀內(nèi)脈沖的具體傳輸時(shí)間決定的。例如，4-PPM的系統(tǒng)定義了參考幀內(nèi)4個(gè)可能的脈沖位置，每個(gè)可能的位置用來對(duì)四個(gè)輸入符號(hào)中的一個(gè)符號(hào)進(jìn)行編碼，如表4.14所示。輸入數(shù)據(jù)符號(hào)4-PPM數(shù)據(jù)符號(hào)001000010100100010110001表4.14 4-PPM調(diào)制的數(shù)據(jù)符號(hào)4.4.6.2脈沖形狀調(diào)制脈沖形狀調(diào)制(Pulse Shape Modulation, PSM)將輸入數(shù)據(jù)流編碼成發(fā)送脈沖的形狀。PSM最簡(jiǎn)單的形式就是脈沖幅度調(diào)制(PAM)，具有代表性的是用兩個(gè)或四個(gè)不同的脈沖幅度來對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)

31、編碼，如表4.15所示。輸入數(shù)據(jù)符號(hào)脈沖幅度000011102113表表4.15 PAM編碼表編碼表4.5 RF信號(hào)的發(fā)送與接收4.5.1 發(fā)射機(jī)功率4.5.2 天線增益4.5.3 接收機(jī)靈敏度4.5.4 RF信號(hào)的傳播和損耗4.5.5 鏈路預(yù)算4.5.6 環(huán)境噪聲4.5.1 發(fā)射機(jī)功率射頻發(fā)射機(jī)都會(huì)產(chǎn)生一定的功率，常用PTX表示，是決定信號(hào)輻射距離的首要因素。發(fā)射功率可以用以下兩種方法度量，一種是常用的瓦或毫瓦（W或mW），另一種是相對(duì)單位“dBm”。x mW功率對(duì)應(yīng)的dBm數(shù)X用下式計(jì)算：X(dBm) = 10lg x(mW)，所以100 mW(0.1 W)的發(fā)射功率相當(dāng)于20.0 dBm

32、，如表4.16所示。使用dB（或dBm）有兩個(gè)原因。第一，當(dāng)考慮到影響信號(hào)強(qiáng)度的多種因素時(shí)，使用dB做單位，這些影響可以很容易地用dB疊加表示，即只需將相應(yīng)的dB值簡(jiǎn)單地相加；第二，用dB來表示相對(duì)功率時(shí)只需記住+3 dB表示功率加倍，-3 dB表示功率減半，而且加性規(guī)則成立，即-6 dB表示1/4功率，-9 dB表示1/8功率，依此類推。功率(mW)功率(dBm)0.01-200.1-100.5-31010102013100201 00030表4.16 用mW和dBm表示的功率4.5.2 天線增益天線將發(fā)射機(jī)的功率轉(zhuǎn)換為向接收機(jī)輻射的電磁波，天線的類型影響輻射的方式和功率密度，因此也影響了接

33、收端接收到的信號(hào)強(qiáng)度。例如，簡(jiǎn)單的偶極子天線向所有離開軸線的方向均勻地輻射，而定向天線只輻射出窄的無線電波。圖4.28所示為典型的偶極子天線和定向天線。圖4.28 偶極子天線和八木天線的輻射圖在天線輻射圖中心的最大功率密度與參考的全向天線輻射功率密度之比稱為天線增益，表示為GTX或GRX，單位是dBi。發(fā)射天線的等效全向輻射功率，即EIRP，是將發(fā)射機(jī)到天線的功率（用dBm表示）與天線增益（用dBi表示）相加。 連接發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的電纜和連接器也會(huì)給系統(tǒng)帶來?yè)p耗，從幾個(gè)dB至幾十dB不等，主要由電纜的長(zhǎng)度和質(zhì)量決定。在發(fā)射機(jī)與天線或接收機(jī)與天線的連接中，有個(gè)同樣重要的因素，就是這些器件之間的阻

34、抗匹配。 4.5.3 接收機(jī)靈敏度4.5.3.1 誤比特率4.5.3.2 接收機(jī)噪聲基底4.5.3.3 接收機(jī)靈敏度4.5.3.1 誤比特率解調(diào)錯(cuò)誤發(fā)生率可以用誤比特率(BER)來度量，接收機(jī)靈敏度極限的典型誤比特率是10-5。數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式傳輸，數(shù)據(jù)包包含幾百甚至幾千個(gè)數(shù)據(jù)比特，解碼時(shí)10-5的誤比特率會(huì)導(dǎo)致大數(shù)據(jù)包的錯(cuò)誤概率乘性增加，包錯(cuò)誤率(Packet Error Rate, PER)會(huì)達(dá)到百分之幾的范圍。BER是接收機(jī)信噪比的函數(shù)，它也取決于所使用的具體調(diào)制方法。 圖4.29 幾種常用調(diào)制方法的誤比特率BER4.5.3.2 接收機(jī)噪聲基底接收機(jī)噪聲基底由兩部分組成：理想接收機(jī)的理

35、論熱噪聲基底(Noise floor, N)和接收機(jī)噪聲系數(shù)(NF)，后者用來測(cè)量特定接收機(jī)的額外噪聲和損耗。 4.5.3.3 接收機(jī)靈敏度接收機(jī)靈敏度PRX是接收機(jī)噪聲基底(RNF)和達(dá)到要求誤比特率所需要的信噪比之和 。從上述討論可以看出，2 Mbps數(shù)據(jù)速率增加到IEEE 802.11b的11 Mbps最大數(shù)據(jù)速率，需要使用不同的調(diào)制方法，以獲得較高的頻譜效率 。若達(dá)到同樣的誤比特率要求，則需要更高的信噪比，因此高數(shù)據(jù)速率時(shí)接收機(jī)的靈敏度會(huì)下降，如表4.17所示的IEEE 802.11b接收機(jī)的例子。 數(shù)據(jù)速率(Mbps)調(diào)制技術(shù)PRX(dBm)11256CCK + DQPSK-855.

36、516CCK + DQPSK-882Barker + DQPSK-891Barker + DBPSK-92表4.17 IEEE 802.11b接收機(jī)的PRX與數(shù)據(jù)速率4.5.4 RF信號(hào)的傳播和損耗4.5.4.1自由空間損耗4.5.4.2 菲涅耳區(qū)理論4.5.4.3 多徑衰落4.5.4.4 室內(nèi)信號(hào)衰減4.5.4.1自由空間損耗信號(hào)從天線輻射以后，信號(hào)功率由于無線電波的擴(kuò)散而不斷隨著距離而下降。這就是自由空間損耗，總體來說它是影響接收信號(hào)強(qiáng)度最重要的因素。圖4.30 2.4 GHz和5.8 GHz的自由空間損耗5.8GHz的路徑損耗2.4GHz的路徑損耗自由空間損耗（dB）對(duì)自由空間損耗的計(jì)算

37、假設(shè)了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的天線是在視線之內(nèi)的，也就是說接收機(jī)可以有效地“看見”發(fā)射機(jī)。然而，在戶外要使射頻傳播距離最大，只是把兩個(gè)天線安裝在一條能夠看得見的直線上是不夠的，圍繞這條直線的空間物體會(huì)影響信號(hào)傳播，在靠近視線直線的任何障礙物都會(huì)引起信號(hào)損耗。4.5.4.2 菲涅耳區(qū)理論用來計(jì)算障礙物影響的理論稱為菲涅耳區(qū)理論。菲涅耳區(qū)是在兩個(gè)天線之間橄欖球形狀的區(qū)域。第一菲涅耳區(qū)第二菲涅耳區(qū)圖4.31 傳播路徑周圍的菲涅耳區(qū)域4.5.4.3 多徑衰落當(dāng)反射、散射和衍射的信號(hào)經(jīng)過不同的路徑到達(dá)接收機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生多徑衰落，不同到達(dá)時(shí)間差稱為多徑延時(shí)。經(jīng)過不同路徑到達(dá)的信號(hào)會(huì)有相位偏移，影響經(jīng)過直接路徑到達(dá)的信

38、號(hào)，如圖4.32所示，在接收端天線引起一定程度的破壞性干擾。我們熟悉的超高頻電視(UHF TV)接收到的重影就是由于附近的建筑或其他巨大物體反射的干擾信號(hào)造成的。簡(jiǎn)單起見，省略了其他路徑兩個(gè)信號(hào)不同相到達(dá)圖4.32 室內(nèi)環(huán)境的多徑衰落4.5.4.4 室內(nèi)信號(hào)衰減典型的家用或小型辦公室無線網(wǎng)絡(luò)，很多如墻、地板、家具和其他物體的障礙物會(huì)阻礙接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的傳播路徑，使接受信號(hào)變化很大。根據(jù)建筑材料的不同，傳輸經(jīng)過一面墻大約會(huì)產(chǎn)生36 dB甚至更多的損耗，如表4.18所示，在鏈路預(yù)算時(shí)需要額外考慮對(duì)這些損耗的補(bǔ)償。衰減范圍材料損耗(dB)低無色玻璃、木門、空心磚墻、塑料24中等磚墻、大理石、金屬

39、絲網(wǎng)、金屬著色玻璃58高混凝土墻、紙、陶瓷防彈玻璃1015很高金屬、鍍銀（鏡子）15表4.18 2.4 GHz不同建筑材料的典型衰減4.5.5 鏈路預(yù)算前面所考慮的各種因素，包括發(fā)射功率(PTX)、發(fā)射機(jī)的天線增益(GTX)和接收機(jī)的天線增益(GRX)、接收機(jī)靈敏度(PRX)、自由空間損耗(LFS)及其他損耗組合成的衰落余量(LFM)，共同定義了能夠成功發(fā)送和檢測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)所需要的鏈路預(yù)算，如表4.19所示。減少所需的PTX增加所需的PTX降低接收機(jī)靈敏度（增加負(fù)的）PRX提高自由空間損耗LFS提高發(fā)射機(jī)天線增益GTX提高衰落余量LFM提高接收機(jī)天線增益GRX表4.19 鏈路預(yù)算的平衡因素功率級(jí)

40、（dBm）自由空間損耗所需PTX衰落容差天線增益Rx天線增益Tx接收機(jī)靈敏度圖4.33 用所需發(fā)射功率表示的鏈路預(yù)算4.5.6 環(huán)境噪聲同接收機(jī)噪聲基底（定義了接收機(jī)靈敏度限）一樣，其他的外部RF噪聲源也會(huì)影響RF信號(hào)檢測(cè)和解碼的可靠性。進(jìn)入無線天線的所有RF噪聲，不管位于什么位置，都稱為環(huán)境噪聲，由兩部分組成：環(huán)境噪聲基底：遠(yuǎn)距離噪聲源所產(chǎn)生的背景噪聲的總和，例如，汽車點(diǎn)火器、配電系統(tǒng)、工業(yè)設(shè)備、消費(fèi)產(chǎn)品以及來自宇宙的電磁風(fēng)暴等。隨機(jī)噪聲：本地人為的背景噪聲總和。無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范正在逐漸增加一些方法用來抑制干擾對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。第10章講到的無線USB就是個(gè)很好的例子，它在開始時(shí)建立RF鏈路質(zhì)量

41、的信息，然后提供方法來控制各種鏈路特性。在無線USB中，主機(jī)和其他設(shè)備能夠維持誤包率及鏈路指示器的統(tǒng)計(jì)信息，如接收信號(hào)強(qiáng)度(Received Signal Strength, RSSI)、鏈路質(zhì)量(Link Quality, LQI)等。鏈路質(zhì)量指示器測(cè)量接收到的解碼符號(hào)中的錯(cuò)誤?？刂瓶刂泼枋雒枋霭l(fā)射功率發(fā)射功率(Transmit Power, TPC)主機(jī)可以控制自己的發(fā)射功率，也可以查詢和控制主機(jī)可以控制自己的發(fā)射功率，也可以查詢和控制一簇中設(shè)備的發(fā)射功率一簇中設(shè)備的發(fā)射功率傳輸比特率傳輸比特率主機(jī)可以調(diào)整向外傳輸（主機(jī)到設(shè)備）及向內(nèi)傳輸主機(jī)可以調(diào)整向外傳輸（主機(jī)到設(shè)備）及向內(nèi)傳輸（設(shè)備到

42、主機(jī)）的比特率（設(shè)備到主機(jī)）的比特率數(shù)據(jù)有效載荷大數(shù)據(jù)有效載荷大小小當(dāng)干擾導(dǎo)致當(dāng)干擾導(dǎo)致PER增加時(shí)，可以減少包的大小，從而增加時(shí)，可以減少包的大小，從而減少不可糾的錯(cuò)誤，提高吞吐量減少不可糾的錯(cuò)誤，提高吞吐量RF信道選擇信道選擇無線無線USB的的MB-OFDM使主機(jī)可以選擇信道，只要使主機(jī)可以選擇信道，只要被簇中的所有設(shè)備支持被簇中的所有設(shè)備支持主機(jī)進(jìn)程控制主機(jī)進(jìn)程控制在傳輸同步數(shù)據(jù)時(shí)可以臨時(shí)利用信道時(shí)隙傳輸異步在傳輸同步數(shù)據(jù)時(shí)可以臨時(shí)利用信道時(shí)隙傳輸異步數(shù)據(jù)，目的是用來重傳失敗的同步數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，目的是用來重傳失敗的同步數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)帶寬控制動(dòng)態(tài)帶寬控制主機(jī)控制主機(jī)控制MB-OFDM UWB無線電頻

43、譜整形能力，無線電頻譜整形能力，將在后面部分中介紹將在后面部分中介紹表4.20 無線USB干擾抑制控制4.6 超寬帶無線電4.6.1 簡(jiǎn)介4.6.2 跳時(shí)PPM UWB（脈沖無線電）4.6.3 直接序列UWB(DS-UWB)4.6.4 多頻帶UWB4.6.1 簡(jiǎn)介超寬帶無線通信系統(tǒng)基于20世紀(jì)60年代美國(guó)和蘇聯(lián)發(fā)展的軍用脈沖雷達(dá)技術(shù)。脈沖雷達(dá)或脈沖無線電發(fā)射非常短的電磁脈沖，典型情況是長(zhǎng)度小于1 ns（納秒），不需要載波信號(hào)，這么短的脈沖會(huì)使傳輸?shù)挠行拸?00 MHz到幾個(gè)GHz。2002年，美國(guó)FCC開放7.5 GHz無線頻譜用做UWB應(yīng)用，從3.1到10.6 GHz，并且采納UWB的定

44、義為：-3 dB點(diǎn)帶寬與中心頻率相比最少為20%，最小帶寬為500 MHz。既然UWB占用了很寬的無線電頻譜，那么就要求它在現(xiàn)在或?qū)聿粫?huì)對(duì)其他射頻傳輸設(shè)備產(chǎn)生干擾。為了達(dá)到這種共存，F(xiàn)CC規(guī)定了嚴(yán)格的UWB發(fā)射EIRP限，如圖4.34所示。 EIRP頻譜密度（dBm/MHz）FCC15部分限制室內(nèi)室外WSB通帶3.110.6GHz頻率（GHz）圖4.34 FCC UWB通帶規(guī)范UWB有如下三種數(shù)據(jù)通信應(yīng)用：跳時(shí)脈沖位置調(diào)制（或脈沖無線電）直接序列擴(kuò)頻UWB(DS-UWB)多帶UWB(Multiband-UWB, MB-UWB)（例如多帶OFDM）4.6.2 跳時(shí)PPM UWB（脈沖無線電）脈

45、沖無線電(IR)用來指基于跳時(shí)和脈沖位置調(diào)制的UWB無線電。數(shù)據(jù)以非連續(xù)的短脈沖序列傳輸，每個(gè)用戶的一個(gè)脈沖在每個(gè)跳時(shí)的幀長(zhǎng)為Tf。在一個(gè)給定幀中，脈沖的額定傳輸時(shí)間由PN碼決定，通信信道中的每個(gè)用戶都有一個(gè)特定的PN碼。一個(gè)脈沖表示1還是0是由實(shí)際傳輸時(shí)間和額定傳輸時(shí)間（脈沖位置調(diào)制）的關(guān)系決定。例如，在一個(gè)超前/滯后PPM系統(tǒng)中，如果脈沖相對(duì)于額定傳輸時(shí)間向前偏移表示1，則向后偏移表示0。用戶nTH碼=2767用戶n比特流=1101每比特傳4個(gè)脈沖額定脈沖傳輸時(shí)間提前脈沖表示滯后脈沖表示圖4.35 TH-PPM脈沖無線電傳輸中的脈沖序列4.6.3 直接序列UWB(DS-UWB)直接序列，在

46、4.2.5節(jié)中討論的IEEE 802.11b和IEEE 802.11g物理層協(xié)議擴(kuò)頻技術(shù)時(shí)曾做過介紹，也可以應(yīng)用在UWB中。與用片碼提高符號(hào)傳輸速率來擴(kuò)展載波頻譜不同，UWB的頻譜擴(kuò)展是因?yàn)椴捎煤苷拿}沖傳輸符號(hào)。片碼承擔(dān)多址接入任務(wù)，根據(jù)用戶碼字決定每個(gè)用戶發(fā)送或接收脈沖的準(zhǔn)確時(shí)間。很多調(diào)制方法（如PAM和PSM）可將數(shù)據(jù)流編碼成脈沖流，但是，DS-UWB還沒有成為哪種無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的目標(biāo)技術(shù)。 4.6.4 多頻帶UWB在多頻帶UWB中，把頻帶分成多個(gè)重疊或相鄰頻帶來實(shí)現(xiàn)超寬帶，可以在所有可用頻帶上同時(shí)工作。目前，這項(xiàng)技術(shù)的主要應(yīng)用實(shí)例是多帶(MB)OFDM，正在被MB-OFDM聯(lián)盟(MB-O

47、FDM Alliance, MBOA)大力推廣，并被認(rèn)為是無線USB和無線火線接口(1394)的基礎(chǔ)。MBOA提出的MB-OFDM，使用3.16810.560 GHz頻段，將該頻段分成14個(gè)波段，每個(gè)波段528 MHz，滿足FCC 500 MHz最小帶寬規(guī)定。在一個(gè)波段組內(nèi)，波段間的跳頻可形成重疊式的微微網(wǎng)。與藍(lán)牙每秒1600跳、跨越79個(gè)載頻不同，無線USB專用的MBOA無線通信每秒跳頻3106次，每傳輸一個(gè)符號(hào)跳一次，只跨越3個(gè)頻率。MBOA指定了兩種時(shí)-頻編碼(Time-frequency Code, TFC)方式，如表4.21所示。時(shí)-頻交錯(cuò)編碼(Time-frequency Inte

48、rleaving, TFI)定義了跳頻模式，而固定頻率交錯(cuò)編碼(Fixed Frequency Interleaving, FFI)定義了在單個(gè)OFDM頻段上的連續(xù)傳輸。給每個(gè)微微網(wǎng)分配一個(gè)頻段，F(xiàn)FI能夠改善兩個(gè)或兩個(gè)以上同時(shí)運(yùn)行的微微網(wǎng)的性能。編碼號(hào)編碼類型波段號(hào)（波段組1）1TFI1231232TFI1321323TFI1122334TFI1133225FFI1111116FFI2222227FFI333333表4.21 MBOA時(shí)-頻編碼4.7 MIMO無線電如4.5.4.3節(jié)中所述，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間射頻信號(hào)的多徑傳播，會(huì)因?yàn)槎鄰剿ヂ涠鴮?dǎo)致射頻信號(hào)強(qiáng)度的惡化。多輸入多輸出(MIMO)

49、無線通信利用RF傳播的多徑特點(diǎn)，利用發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間的多個(gè)路徑，傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流來達(dá)到較高的數(shù)據(jù)容量，如圖4.37所示。 TxTxTxTxRxRxRxRxSISO單輸入單輸出MIMO多輸入多輸出MISO多輸入單輸出SIMO單輸入多輸出圖4.37 MIMO無線電的定義4.8 近場(chǎng)通信4.8.1 簡(jiǎn)介4.8.2 近場(chǎng)通信和遠(yuǎn)場(chǎng)通信4.8.3 感應(yīng)耦合4.8.4 負(fù)載調(diào)制4.8.1 簡(jiǎn)介近場(chǎng)通信(NFC)是一種非常小范圍的無線通信技術(shù)，廣泛應(yīng)用在RF識(shí)別(RF Identification, RFID)標(biāo)簽和其他智能標(biāo)簽中。這些應(yīng)用都利用13.56 MHz RF載波頻率，該頻率是國(guó)際上非授權(quán)的ISM

50、頻段。NFC和所謂遠(yuǎn)場(chǎng)RF通信不同，后者用于個(gè)域網(wǎng)和范圍更大的無線網(wǎng)絡(luò)中，NFC則依賴于發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備之間的直接磁場(chǎng)耦合。NFC設(shè)備有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種類型，操作有很大的不同。被動(dòng)設(shè)備不需要內(nèi)部電源，它的能量來自主動(dòng)發(fā)起者的感應(yīng)耦合。被動(dòng)設(shè)備也不像主動(dòng)設(shè)備那樣通過產(chǎn)生磁場(chǎng)來傳輸數(shù)據(jù)，而是通過負(fù)載調(diào)制過程回傳數(shù)據(jù)給主動(dòng)設(shè)備。這些概念將在下面較為詳細(xì)地討論。4.8.2 近場(chǎng)通信和遠(yuǎn)場(chǎng)通信根據(jù)天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的特性不同，可以把天線周圍的空間分為兩個(gè)區(qū)域。區(qū)域界線是以/2為半徑的弧度球，是傳播的電磁波波長(zhǎng)。區(qū)域內(nèi)的天線和振蕩器產(chǎn)生最初的磁場(chǎng)，并在周圍區(qū)域生成電場(chǎng)。在弧度球內(nèi)的區(qū)域處于主磁場(chǎng)的影響范

51、圍內(nèi)，稱為天線的近場(chǎng)。近場(chǎng)中電磁場(chǎng)公式反映磁場(chǎng)的能量存儲(chǔ)，由近場(chǎng)耦合體積定理描述。弧度球外的區(qū)域被稱為天線遠(yuǎn)場(chǎng)，在這里電磁場(chǎng)與天線分離并以電磁波的形式向空間傳播。 4.8.3 感應(yīng)耦合近場(chǎng)感應(yīng)耦合利用振蕩電磁場(chǎng)在設(shè)備間傳輸RF能量，每個(gè)設(shè)備包含一個(gè)調(diào)諧到RF載波頻率的諧振電路，這樣當(dāng)兩個(gè)設(shè)備的線圈或天線環(huán)路進(jìn)入一定范圍時(shí)就形成了松耦合的“空間轉(zhuǎn)換器”，如圖4.38所示，有效范圍取決于傳輸天線環(huán)路的物理尺寸。主動(dòng)式NFC發(fā)射機(jī)解調(diào)器濾波器震蕩器磁場(chǎng)負(fù)載調(diào)制器電源芯片被動(dòng)式NFC發(fā)射機(jī)感應(yīng)耦合與NFC天線環(huán)路4.8.4 負(fù)載調(diào)制當(dāng)被動(dòng)式NFC目標(biāo)設(shè)備在主動(dòng)式NFC發(fā)射機(jī)（發(fā)起者）的范圍內(nèi)時(shí)，它的諧

52、振電路可以從發(fā)起者建立的磁場(chǎng)中獲得能量。這種附加的能量消耗會(huì)引起電壓變化，該變化可以被發(fā)起者的諧振電路測(cè)量。如果目標(biāo)設(shè)備上的附加負(fù)載阻抗周期性地接通和斷開，則會(huì)引起發(fā)起者載波電壓的振幅調(diào)制。使用從目標(biāo)設(shè)備發(fā)射的數(shù)據(jù)流控制負(fù)載開關(guān)，數(shù)據(jù)流可以從目標(biāo)設(shè)備回傳到發(fā)起者。這種技術(shù)稱為負(fù)載調(diào)制。負(fù)載調(diào)制在13.56 MHz載波頻率上產(chǎn)生振幅調(diào)制邊帶，在發(fā)起設(shè)備的RF信號(hào)處理電路中通過解調(diào)這些邊帶來恢復(fù)數(shù)據(jù)流。第5章 紅外通信基礎(chǔ)5.1 紅外光譜5.2 紅外傳播與接收5.3 第二部分總結(jié)5.1 紅外光譜電磁頻譜中，紅外(Ir)部分的波長(zhǎng)介于0.78 m與1000 m之間。紅外輻射的范圍從300 GHz極高頻(EHF)至低于可見光紅光頻譜（波長(zhǎng)約為0.76 m）。紅外輻射的產(chǎn)生與射頻輻射不同，當(dāng)天線被振蕩電信號(hào)激勵(lì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生射頻輻射，而紅外輻射的產(chǎn)生是由于分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)產(chǎn)生的振蕩。紅外光譜通常分為三個(gè)區(qū)域：近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外，如表5.1所示。 紅外區(qū)域波長(zhǎng)(m)波數(shù)(/cm)近紅外0.782.512 8004000中紅外2.5504000200遠(yuǎn)紅外501 00020010表5.1 紅外光譜的劃分5.2 紅外傳