RF信号与调制

1.1基础无线理论

无线信号的传播以“电磁波”为介质。发送方可以将交变电流发送到导线上，建立电场和磁场，并以行进波的方式像外传播。信号必须以周期性的升降来保持变化和交替，从而使电场或磁场保持周期性关系向外传播。

1.1.1理解频率

波的一个基本属性就是频率，也就是1秒内信号发生周期性变化的次数。

• 频率

  
  如上图所示，信号在1秒内传播了4个完整周期，因而频率是4周期/秒或4Hz（Hertz，赫兹）。赫兹是常用的频率单位，表示每秒一个周期。

• 频率的单位：
  
  通常将3kHz~300GHz的频率范围称为RF（Radio Frequency， 射频）该区间包含了很多无线电通信。

• 2.4GHz跟5GHz频带

  • 2.4GHz频带：用于WLAN通信的两种频率区间之一位于2.400GHz~2.4835GHz之间，称为2.4GHz频带。
  • 5GHz频带：用于WLAN通信的另一频率区间为5.150GHz~5.825GHz之间，称为5.0GHz频带（5GHz频带实际上包含了4个独立的频带）。

  为了保持有序性和兼容性，通常将频带划分为多个确定的信道，并且为每个信道都分配一个信道号和特定的频率。信道之间的间隔均为固定的5MHz，通常将信道之间的间隔称为信道间距（channel seperation）或信道宽度（channel width）。

• 信道间距示例：
  
• 信号带宽
  定义频带内信道位置时，使用的是中心频率。用于发射频率的区间称为信号带宽，即：频带内所需频率间隔的宽度。
  在理想情况下，信号带宽应该小于信道宽度，这样一来，不同信号就能在每个可能的信道内传输，而不会产生交叠和干扰。
  

1.1.2理解相位

由于RF信号始终处于运动状态，所以RF信号十分依赖定时时间。从本质上说，信号是由随时间变化的电力和磁力组成的。信号的相位是相对于信号周期起始位置的时间位移的一种度量。

• 同相（in phase）：同一时刻产生的完全相同的信号，周期完全相同即为同相。
• 异相（ out of phase）：同一时刻产生的完全相同的信号，某个信号滞后于另一个信号，即为异相。
  

1.1.3度量波长

波长（wavelength）是波进行一个完整周期所产生的物理距离的度量。波长随着频率的增大而缩小。

1.1.4理解RF和dB

如果要在自由空间发送、传播RF信号，并在接收端接收并正确理解这些信号，就必须以足够的强度或能量进行发送，以保证RF信号能完成整个发送过程。这里所说的强度就是以振幅（amplidute）在度量的，也就是信号波形的峰顶与谷底之差。

RF信号强度通常以功率来度量，单位为瓦（W），WLAN发射器的信号强度通常在0.1W（100mW）~0.001（1mW）之间，以瓦或毫瓦来度量功率时，称为绝对功率度量，换句话说，绝对功率度量是RF信号中实际存在的能量值。

• dB(decibel，分贝)：将绝对功率度量与基准量相比之后取对数。

  • 重要dB规则：

    • 规则1：0dB表示两个绝对功率值相等。
    • 规则2：3dB表示被对比的绝对功率值是基准值的2倍，-3dB表示
      被对比的绝对功率值是基准值的一半。
    • 规则3：10dB表示被对比的绝对功率值是基准值的10倍，-10dB表示被对比的绝对功率值是基准值的10分之一。
    • 此外、绝对值功率相乘，dB为正时可以相加，dB为负时可以相减。

1.2利用射频信号承载数据

以某种方式改变载波信号以表达要承载的信息，这就是调制，也就是根据其他源来调制或改变载波信号。接收器则进行相反的操作，称为解调，也就是根据载波信号的变化情况来解析信号中承载的信息。

由于RF信号的固有物理属性，调制方案只能改变RF信号如下属性：

• 频率，但只能在载波速率上做细微改变。
• 相位
• 振幅

调制技术需要以载波速率为中心的一定宽带，需要这些额外宽带的部分原因是承载的数据速率，另一部分原因是对数据进行编码并且处理载波信号时产生的开销。

WLAN必须以高比特率来承载数据信息，因而其调制操作需要更多宽带，最终是将要发送的数据扩展到整个频率区间，通常将该操作称作“扩频（spread spectrum）”。在物理层，WLAN可以分为以下三种扩频方式：

• FHSS（Frequency-hopping spread spectrum，跳频扩频）
• DSSS（Direct-sequece spread spectrum，直序扩频）
• OFMD（Orthogonal frequency-division multiplexing，正交频分复用）

1.2.1 FHSS

早期的WLAN技术通过新技术来解决避免RF干扰与需要复杂调制方案之间的关系，将无线频带分为79（或者更少）个信道，每个信道带宽1MHz。为避免窄带干扰，需要在整个频段范围内以的频率上以连续“跳动”方式发送信号，通常将该方式称为FHSS。

• FHSS工作原理：
  
• FHSS缺点
  1、信道带宽窄，只有1MHz，因而数据速率局限于1Mbit/s或2Mbit/s。
  2、如果区域内存在多个发射器，那么相同信道上将会产生冲突和干扰。

1.2.2 DSSS

由于DSSS采用了少量固定且宽频的信道，因而可支持复杂调制方案并具有一定扩展性的数据速率。DSSS每个信道宽度为22MHz，虽然比支持的最大数据速率11Mbit/s要大得多，但是却可以增加所能传播的数据，并且在防止数据破坏方面有良好的弹性能力。在2.4Ghz使用DSSS频带时，最多有14个可用信道，1、6、11三个信道不存在重叠现象。

1.2.3 OFMD

OFMD采用了并行方式通过多个频率（这些频率都位于单个20MHz信道内），来发送数据。OFMD被分为64个子载（子信道），每个子载波间隔312.5kHz，子载波类型分为：

• 保护（guard）子载波：帮组分隔不同信道的12个子载波。
• 导频（pilot）子载波：帮助接收器锁定信道的4个等距子载波。
• 数据（data）子载波：专门用来携带48个子载波。