射頻技術在無線通信領域的應用

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：射頻技術   人氣： 發表時間：2011年10月26日

什么是射頻Radio Frequency ，簡稱RF射頻就是射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波的簡稱。每秒變化小于1000次的交流電稱為低頻電流，大于10000次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。射頻技術在無線通信領域具有廣泛的、不可替代的作用。 

　　藍牙射頻技術 

　　藍牙無線技術采用的是一種擴展窄帶信號頻譜的數字編碼技術，通過編碼運算增加了發送比特的數量，擴大了使用的帶寬。藍牙使用跳頻方式來擴展頻譜。跳頻擴頻使得帶寬上信號的功率譜密度降低，從而大大提高了系統抗電磁干擾、抗串話干擾的能力，使得藍牙的無線數據傳輸更加可靠。 

　　在頻帶和信道分配方面，藍牙系統一般工作在2.4GHz的ISM頻段。起始頻率為2.402GHz，終止頻率為2.480GHz，還在低端設置了2MHz的保護頻段，高端設置了3.5MHz的保護頻段。共享一個公共信道的所有藍牙單元形成一個微網，每個微網最多可以有8個藍牙單元。在微網中，同一信道的各單元的時鐘和跳頻均保持同步。藍牙具有以下的射頻收發特性。藍牙采用時分雙工傳輸方案，使用一個天線利用不同的時間間隔發送和接收信號，且在發送和接收信息中通過不斷改變傳輸方向來共用一個信道，實現全雙工傳輸；藍牙發射功率可分為3個級別：100mW、2.5mW和1mW。一般采用的發送功率為1mW，無線通信距離為10m，數據傳輸速率達1Mb/s。若采用新的藍牙2.0標準，發送功率為100mW，可使藍牙的通信距離達100m，數據傳輸速率也達到10Mb/s。除此之外，藍牙標準還對收發過程的寄生輻射、射頻容限、干擾和帶外抑制等做了詳盡的規定，以保證數據傳輸的安全。藍牙無線設備實現串行通信是通過無線射頻鏈接，利用藍牙模塊實現。藍牙模塊主要由無線收發單元、鏈路控制單元和鏈路管理及主機I/O這3個單元組成。就藍牙射頻模塊來說，為了在提高收發性能的同時減小器件的體積和成本，各公司都采用了自己特有的一些技術，從而使藍牙射頻模塊的結構都不盡相同。但就其基本原理來說，藍牙射頻模塊一般由接收模塊、發送模塊和合成器這三個模塊組成。 

　　其中，合成器是收發模塊中最關鍵的部分。合成器在頻道選擇和接收模式時采用鎖相環技術。在接收模式下，鎖相環路閉合，用于提供接收模塊解調信號所需穩定的本振。在發送模式下，鎖相環路開路，調制信號直接加載到VCO上對載波進行調制。此時載波頻率由環路濾波器輸出電壓保持。通常合成器的工作頻率僅為發射頻率的一半，以減少與射頻放大器的耦合。 

　　下一代WLAN射頻技術 

　　第一代的WLAN解決方案對于用戶密度變化的反應能力非常有限，并且不能有效的優化帶寬資源。隨著WLAN負載的增加，現存的產品通常無法判斷臨近的接入點的負載和用戶量是否相近，也無法判斷是否有必要和臨近的接入點分擔負載。用戶負載均衡要求使用更為集中的軟件控制，通過這個軟件來實現基于系統級的網絡效率的評估，從而優化用戶和接入點的比例。 

　　下一代的系統將充分利用整個軟件框架來實現接入點的失效探測并且將根據附近接入點的工作情況來自動調整。通過控制每個接入點的輸出傳輸功率和操作頻率，系統可以允許特定的接入點通過增加功率或者改變信道的方式來填補可能出現的沒有覆蓋到的漏洞，或者減輕接入點間的相互干擾，從而增加網絡的穩定性。更進一步的是，如果某個接入點失效，系統可以指導特定的接入點分擔一定的客戶端以優化通信路由和網絡負載。最后，接入點通過這種方式可以知道在他們周圍發生了什么事情，并且可以探測范圍內的漏洞。由于無法預測RF覆蓋模式，系統的可用性在很大程度上可能會受到一些表面上看起來無害行為的影響，例如電梯的移動都會影響系統的可用性。雖然很多企業會回避那些過于自適應的系統，但是通過增加輸出功率的辦法可以使得系統能夠探測范圍內的漏洞并對其進行修補，另外還可以帶來其他的益處例如增加網絡的正常運行時間。 

　　在考慮無線網絡的擴展性時，對RF域有一個全面的認識也是非常有益處的。下一代的接入點將有能力提供雙頻連接，包括對802.11b，802.11g，以及802.11a。對于有限可用的頻譜如2.4GHz和5GHz頻率，任何網絡設計的目的都應該是優化可用信道的使用，為每個客戶端提供最大數量的帶寬。 

　　在整個無線網絡的安全體系中，RF媒介扮演了一個截然不同的角色。雖然物理層并不負責設備和用戶的認證，也不負責對空中傳播的數據包進行加密，但是，對于那些未授權的接入點或者可疑的客戶端設備行為，它可以提供重要的數據。雖然在市場上有很多種探測器解決方案，但是大多數產品的配置方案都是覆蓋整個網絡，而不是將其集成到一個單一的系統中。無線接入點應該能夠以探測模式操作，從而可以判斷其它的無線組件的配置是否正確。他們應該還可以報告哪些接入點或者客戶端設備還沒有得到ITO的批準。理想的情況是，這種無線探測的RF實現方法應該可以通過有線的實現方法來進行補充，并且有相應的能力將在無線網絡中探測的可疑行為和在有線環境中收集到的信息進行對應。通過這種相關能力，系統可以判斷這種可疑的接入點是屬于某個主機網絡還是只是鄰近企業的基礎設施的一部分。另外，通過連續不斷的監控網絡行為，系統可以執行入侵檢測和防止入侵的功能，并且可以報告哪些是具有欺騙性質的接入點、哪些是Ad hoc網絡、哪些是拒絕服務攻擊以及中間人攻擊等。 

　　網絡優化中的射頻管理 

　　在進行網絡優化的時候，我們必須保證在傳輸能量的同時沒有形成疊加，這對每個使用同一頻率的CDMA系統的小區來講尤其重要。 

　　射頻管理就是保證射頻能量在不造成任何污染的情況下進行傳播——讓能量到需要它的地方去，遠離不需要它的地方。因此，抑制天線旁瓣和后瓣并且通過調校電傾角來調整天線覆蓋范圍是相當重要的。小區越小時，其重要性越為突出。有關研究顯示干擾影響大小與天線上波瓣的抑制度有關。在尋求降低干擾水平時，盡可能地對天線上波瓣進行抑制。過去，上波瓣的抑制度通常在12dB以內，而如今的目標抑制度已達到了18-20dB。RFS的Optimizer系列天線更在整個傾角范圍內取得了高于20dB的抑制度。旁瓣相對于主瓣越小，天線抵御同頻干擾的能力就越強。如果引起干擾的不是第一上波瓣，則可能是第二上波瓣，因此每個不需要的信號都必須盡量小。電傾角調校功能是現代成熟網絡的小區規劃和管理的一大優勢。以機械方式對天線波束進行傾角調校雖然易于操作，但對雜散旁瓣的輻射收效甚微，甚至會增加來自于后瓣的干擾。而電傾角調校技術能將所有的主瓣、后瓣和旁瓣傾斜至同一角度，也就是說，電傾角調校技術可在不同傾角角度對旁瓣進行輻射管理，以加強對干擾的控制。 

　　遠程天線傾角控制技術主要是指從天線塔頂以外的其它地點對天線傾角進行控制的能力。遠程傾角控制有許多優點：無需租用設備登臨天線塔的費用；避免了對在同一地點擁有基站的其它運營商的影響等。它能夠幫助運營商全天動態地根據業務流量模式的變化對網絡進行調整，是多功能高性能天線的另一個基本特性。 

　　超寬帶(UWB)無線技術 

　　超寬帶(UWB)是一種無線射頻技術，支持家電、電腦外設和移動設備在短距離內高速傳輸數據，且功耗非常低。該技術是無線傳輸高品質多媒體內容的理想選擇。UWB技術使用寬帶無線頻譜在短距離(如在家中或小型辦公室中)內傳輸數據，與傳統無線技術相比，它能夠在特定時段通過無線方式傳輸更多的數據。這一特性與低功耗脈沖數據交付(pulsed data delivery)功能相結合，加快了數據傳輸速度，同時也不會受到現有其它無線技術(如Wi-Fi、WiMAX和蜂窩廣域通信)的干擾。 

　　沖激無線電(Impulse Radio，IR)是最有希望的超寬帶技術之一。IR信號由極窄的脈沖串組成，這些脈沖在時間上偽隨機出現。偽隨機性依靠跳時碼實現，跳時碼的作用是讓發射信號隨機化，有利于用戶分隔和譜成形，以避免竊聽。信號的調制方式可以用脈沖幅度調制(PAM)或脈沖位置調制(PPM)。為了確保低成本的超寬帶設備，所有脈沖都具有同一波形。 

　　與現有的無線通信技術相比，UWB無線通信技術所使用的通信載波是連續的電波，形象地說，這種電波就像是一個人拿著水管澆灌草坪時，水管中的水隨著人手的上下移動形成的連續的水流波動。幾乎所有的無線通信包括移動電話、無線局域網的通信都是這樣的：用某種調制方式將信號加載在連續的電波上。與此相比，UWB無線通信技術就像是一個人用旋轉的噴灑器來澆灌草坪一樣，它可以噴射出更多、更快的短促水流脈沖。UWB產品在工作時可以發送出大量的非常短、非?？斓哪芰棵}沖。這些脈沖都是經過精確計時的，每個只有幾個毫微秒長，脈沖可以覆蓋非常廣泛的區域。 

　　超寬帶技術帶來一個優點，即電路更簡單，尤其是在接收端，因為不需要本地生成載波，也不必提供多級混合電路、成形濾波等。但是，使用載波擴頻所帶來的優點勝過超寬帶技術。超寬帶本身是一類基帶信號(雖然其頻譜范圍達到數GHz)。在這種情況下，頻譜的近直流和中遠部分的傳播特性具有不同的特點，使得這項技術局限于短距離通信。對于長距離通信而言，特別是中繼，擴頻技術更合適一些。 

　　射頻技術在通信領域的應用，目前仍處于開拓狀態，應用還不是很廣，但隨著射頻通信技術的成熟，未來市場需要巨大，前景廣闊。