RF信號(hào)調(diào)制的基礎(chǔ)理論和承載數(shù)據(jù)

1.1基礎(chǔ)無(wú)線理論

無(wú)線信號(hào)的傳播以“電磁波”為介質(zhì)。發(fā)送方可以將交變電流發(fā)送到導(dǎo)線上，建立電場(chǎng)和磁場(chǎng)，并以行進(jìn)波的方式像外傳播。信號(hào)必須以周期性的升降來(lái)保持變化和交替，從而使電場(chǎng)或磁場(chǎng)保持周期性關(guān)系向外傳播。

1.1.1理解頻率

波的一個(gè)基本屬性就是頻率，也就是1秒內(nèi)信號(hào)發(fā)生周期性變化的次數(shù)。

頻率

如上圖所示，信號(hào)在1秒內(nèi)傳播了4個(gè)完整周期，因而頻率是4周期/秒或4Hz（Hertz，赫茲）。赫茲是常用的頻率單位，表示每秒一個(gè)周期。

頻率的單位：

通常將3kHz~300GHz的頻率范圍稱為RF（Radio Frequency， 射頻）該區(qū)間包含了很多無(wú)線電通信。

2.4GHz跟5GHz頻帶

2.4GHz頻帶：用于WLAN通信的兩種頻率區(qū)間之一位于2.400GHz~2.4835GHz之間，稱為2.4GHz頻帶。

5GHz頻帶：用于WLAN通信的另一頻率區(qū)間為5.150GHz~5.825GHz之間，稱為5.0GHz頻帶（5GHz頻帶實(shí)際上包含了4個(gè)獨(dú)立的頻帶）。

為了保持有序性和兼容性，通常將頻帶劃分為多個(gè)確定的信道，并且為每個(gè)信道都分配一個(gè)信道號(hào)和特定的頻率。信道之間的間隔均為固定的5MHz，通常將信道之間的間隔稱為信道間距（channel seperation）或信道寬度（channel width）。

信道間距示例：

信號(hào)帶寬

定義頻帶內(nèi)信道位置時(shí)，使用的是中心頻率。用于發(fā)射頻率的區(qū)間稱為信號(hào)帶寬，即：頻帶內(nèi)所需頻率間隔的寬度。

在理想情況下，信號(hào)帶寬應(yīng)該小于信道寬度，這樣一來(lái)，不同信號(hào)就能在每個(gè)可能的信道內(nèi)傳輸，而不會(huì)產(chǎn)生交疊和干擾。

1.1.2理解相位

由于RF信號(hào)始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以RF信號(hào)十分依賴定時(shí)時(shí)間。從本質(zhì)上說(shuō)，信號(hào)是由隨時(shí)間變化的電力和磁力組成的。信號(hào)的相位是相對(duì)于信號(hào)周期起始位置的時(shí)間位移的一種度量。

同相（in phase）：同一時(shí)刻產(chǎn)生的完全相同的信號(hào)，周期完全相同即為同相。

異相（ out of phase）：同一時(shí)刻產(chǎn)生的完全相同的信號(hào)，某個(gè)信號(hào)滯后于另一個(gè)信號(hào)，即為異相。

1.1.3度量波長(zhǎng)

波長(zhǎng)（wavelength）是波進(jìn)行一個(gè)完整周期所產(chǎn)生的物理距離的度量。波長(zhǎng)隨著頻率的增大而縮小。

1.1.4理解RF和dB

如果要在自由空間發(fā)送、傳播RF信號(hào)，并在接收端接收并正確理解這些信號(hào)，就必須以足夠的強(qiáng)度或能量進(jìn)行發(fā)送，以保證RF信號(hào)能完成整個(gè)發(fā)送過(guò)程。這里所說(shuō)的強(qiáng)度就是以振幅（amplidute）在度量的，也就是信號(hào)波形的峰頂與谷底之差。

RF信號(hào)強(qiáng)度通常以功率來(lái)度量，單位為瓦（W），WLAN發(fā)射器的信號(hào)強(qiáng)度通常在0.1W（100mW）~0.001（1mW）之間，以瓦或毫瓦來(lái)度量功率時(shí)，稱為絕對(duì)功率度量，換句話說(shuō)，絕對(duì)功率度量是RF信號(hào)中實(shí)際存在的能量值。

dB（decibel，分貝）：將絕對(duì)功率度量與基準(zhǔn)量相比之后取對(duì)數(shù)。

重要dB規(guī)則：

規(guī)則1：0dB表示兩個(gè)絕對(duì)功率值相等。

規(guī)則2：3dB表示被對(duì)比的絕對(duì)功率值是基準(zhǔn)值的2倍，-3dB表示

被對(duì)比的絕對(duì)功率值是基準(zhǔn)值的一半。

規(guī)則3：10dB表示被對(duì)比的絕對(duì)功率值是基準(zhǔn)值的10倍，-10dB表示被對(duì)比的絕對(duì)功率值是基準(zhǔn)值的10分之一。

此外、絕對(duì)值功率相乘，dB為正時(shí)可以相加，dB為負(fù)時(shí)可以相減。

1.2利用射頻信號(hào)承載數(shù)據(jù)

以某種方式改變載波信號(hào)以表達(dá)要承載的信息，這就是調(diào)制，也就是根據(jù)其他源來(lái)調(diào)制或改變載波信號(hào)。接收器則進(jìn)行相反的操作，稱為解調(diào)，也就是根據(jù)載波信號(hào)的變化情況來(lái)解析信號(hào)中承載的信息。

由于RF信號(hào)的固有物理屬性，調(diào)制方案只能改變RF信號(hào)如下屬性：

頻率，但只能在載波速率上做細(xì)微改變。

相位

振幅

調(diào)制技術(shù)需要以載波速率為中心的一定寬帶，需要這些額外寬帶的部分原因是承載的數(shù)據(jù)速率，另一部分原因是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼并且處理載波信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的開(kāi)銷。

WLAN必須以高比特率來(lái)承載數(shù)據(jù)信息，因而其調(diào)制操作需要更多寬帶，最終是將要發(fā)送的數(shù)據(jù)擴(kuò)展到整個(gè)頻率區(qū)間，通常將該操作稱作“擴(kuò)頻（spread spectrum）”。在物理層，WLAN可以分為以下三種擴(kuò)頻方式：

FHSS（Frequency-hopping spread spectrum，跳頻擴(kuò)頻）

DSSS（Direct-sequece spread spectrum，直序擴(kuò)頻）

OFMD（Orthogonal frequency-division multiplexing，正交頻分復(fù)用）

1.2.1 FHSS

早期的WLAN技術(shù)通過(guò)新技術(shù)來(lái)解決避免RF干擾與需要復(fù)雜調(diào)制方案之間的關(guān)系，將無(wú)線頻帶分為79（或者更少）個(gè)信道，每個(gè)信道帶寬1MHz。為避免窄帶干擾，需要在整個(gè)頻段范圍內(nèi)以的頻率上以連續(xù)“跳動(dòng)”方式發(fā)送信號(hào)，通常將該方式稱為FHSS。

FHSS工作原理：

FHSS缺點(diǎn)

1、信道帶寬窄，只有1MHz，因而數(shù)據(jù)速率局限于1Mbit/s或2Mbit/s。

2、如果區(qū)域內(nèi)存在多個(gè)發(fā)射器，那么相同信道上將會(huì)產(chǎn)生沖突和干擾。

1.2.2 DSSS

由于DSSS采用了少量固定且寬頻的信道，因而可支持復(fù)雜調(diào)制方案并具有一定擴(kuò)展性的數(shù)據(jù)速率。DSSS每個(gè)信道寬度為22MHz，雖然比支持的最大數(shù)據(jù)速率11Mbit/s要大得多，但是卻可以增加所能傳播的數(shù)據(jù)，并且在防止數(shù)據(jù)破壞方面有良好的彈性能力。在2.4Ghz使用DSSS頻帶時(shí)，最多有14個(gè)可用信道，1、6、11三個(gè)信道不存在重疊現(xiàn)象。

1.2.3 OFMD

OFMD采用了并行方式通過(guò)多個(gè)頻率（這些頻率都位于單個(gè)20MHz信道內(nèi)），來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。OFMD被分為64個(gè)子載（子信道），每個(gè)子載波間隔312.5kHz，子載波類型分為：

保護(hù)（guard）子載波：幫組分隔不同信道的12個(gè)子載波。

導(dǎo)頻（pilot）子載波：幫助接收器鎖定信道的4個(gè)等距子載波。

數(shù)據(jù)（data）子載波：專門(mén)用來(lái)攜帶48個(gè)子載波。