无线通信原理.pptx

《无线通信原理.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无线通信原理.pptx（40页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、本章内容3.1 射频频谱与电磁信号传输3.2 信号的电压与能量3.3 阅读器信号的调制与复用3.4 反向散射机制与标签编码3.5 链路预算3.6 天线增益与极化对传输范围的影响3.7 真实环境下的信号传输3.8小结第2页/共40页第1页/共40页3.1 射频频谱与电磁信号传输电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式传递能量和动量。无线信道干扰？第3页/共40页第2页/共40页3.1 射频频谱与电磁信号传输将各种无线信号调制到不同频率的载波信号中传输。第4页/共40页第3页/共40页3.2 信号的电压与能量变化电场可以通过电压或电流的时间函数来描述其变化方式能量大小用功率表示，

2、按照正弦规律变化的电场，可以用微积分计算一个周期的电流能量，再除以时间第5页/共40页第4页/共40页3.2 信号的电压与能量信号处理问题中，相对变化更值得关注。用分贝(dB)代替瓦特(W)：分贝是相对的，描述具体功率时需要加入参考功率，常用的是1毫瓦特(mW)，此处分贝大小为dBm第6页/共40页第5页/共40页3.3 阅读器信号的调制与复用等幅波(Continuous Wave,CW)：一个简单的，频率、相位、振幅不发生变化的周期正弦信号。它无法携带信息，需要在这样的周期信号上进行调制：m(t)含有基带信息，余弦为载波。第7页/共40页第6页/共40页3.3 阅读器信号的调制与复用当m(t

3、)也是正余弦信号时，根据三角函数关系，有：这种正弦调制将信号分为两个信号，称为边带，一个频率高于载波（公式第一项），一个低于载波（公式第二项）。第8页/共40页第7页/共40页3.3 阅读器信号的调制与复用对RFID阅读器信号的调制一般执行的是数位调变(Digitally Modulated)。通断键控(On-Off Keying,OOK)，对“1”保持高功率，“0”保持低功率。对于某个实际的二进制串将会转化为一段功率或高或低的电磁波。OOK是否有问题？第9页/共40页第8页/共40页3.3 阅读器信号的调制与复用OOK对于RFID被动标签，数据位是0时能量低，无法激活标签，导致工作不正常。在

4、调制之前对二进制数串进行编码。脉冲间隔编码(PIE):“1”：输出长时间的高功率跟随短暂的低功率“0”：输出短暂高功率跟随短暂低功率如何处理？第10页/共40页第9页/共40页3.4 反向散射机制与标签编码任何物体在接受到某个电磁波之后会同样传输这样一串电磁波。接受器调制后辐射的电磁波能返回到传输器的天线中，并产生能被识别的信号，叫做反向散射信号。第11页/共40页第10页/共40页3.4 反向散射机制与标签编码接收器在某一时刻接受到的反射信号向量是空间中各种信号的矢量叠加如右图所示，叠加导致了不确定性，如果想利用反向散射机制，就必须设计某种编码机制使得接收器能够根据这些变化识别信号，而不关心

5、信号的相位或振幅。第12页/共40页第11页/共40页3.4 反向散射机制与标签编码目前，标签编码方式都是基于特定的时间间隔内对标签变化进行计数，或基于标签状态变化频率。属于频移键控(FSK)的变种。“1”可能是1ms内标签状态的100次转变。“0”可能是1ms内标签状态的50次转变。第13页/共40页第12页/共40页3.5 链路预算标签通过反向散射机制获得能量，大致过程如右上图所示。标签到阅读器回路的过程按照右下图所示。本节将对这些过程中的能量传递以及损耗过程进行具体分析。阅读器传输能量路径损耗标签激活能量第14页/共40页第13页/共40页3.5.1 阅读器传输能量实际应用最大传输能量不

6、能超过1W频率大多RFID设备工作在ISM频段阅读器的功率往往被限定在某个安全范围功率第15页/共40页第14页/共40页3.5.2 路径损耗路径损耗：指在传输过程中，传输器实际发送的能量和接收器实际接受到的能量之间的差异。假设天线传输是各向同性，即天线向各个方向均匀辐射能量。如右图所示。第16页/共40页第15页/共40页3.5.2 路径损耗第17页/共40页第16页/共40页3.5.3 标签激活能量右图绘制了一条起点在(1m，-1.5dBm)斜率是-20dB/10m的直线来表示前向链路的衰减模式。第18页/共40页第17页/共40页3.5.3 标签激活能量由于阅读器识别所需能量对不同标签表

7、现不同，假设较为合理的阈值-75dBm。可以根据前向链路能耗图绘制反向链路的能量损耗图。如右图所示，为前向和反向链路能量消耗。第19页/共40页第18页/共40页3.6 天线增益与极化对传输范围的影响天线增益：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。极化：指事物在一定条件下发生两极分化，使其性质相对于原来状态有所偏离的现象。第20页/共40页第19页/共40页3.6.1 天线增益的影响对于输出为1W的RFID阅读器，在全向天线的作用下只能传输2-3m的距离，在标签分布在阅读器四周的应用中比较有利。现

8、实场景中，阅读器会被安排在某个区域的边缘，而标签则被大量放置在该区域中心附近，并且标签构成的区域只在阅读器能够辐射到的某个角度区域内。第21页/共40页第20页/共40页3.6.1 天线增益的影响将能量集中于一处进行辐射的天线，叫做定向天线。对于RFID应用场景，定向天线充分地利用这些传输能量，使得能量利用率最大化，而减少不必要区域的扫描能量浪费。右图为定向天线的辐射模型。对于相对于天线中心方向的任意角度d，曲线边缘代表着天线在此方向上辐射的能量密度。第22页/共40页第21页/共40页3.6.1 天线增益的影响某个方向d上的辐射强度和平均到各个方向上的辐射强度的比例称为该方向上天线的定向增益

9、。该方向上的辐射效率也就是该天线的功率增益，也叫做放大系数G（power gain）对于定向天线而言，如需更高的功率增益，信号辐射的范围也就相对越窄，如右图所示。第23页/共40页第22页/共40页3.6.1 天线增益的影响右图是商用RFID阅读器的定向天线极坐标辐射图。其中的曲线是以对数模式描述各个方向的能量增益大小。3dB对应的波束宽度，图中所示大约为72，即1.25弧度，所以对应的光束立体角为(1.25)2=1.6，天线的增益大约为 第24页/共40页第23页/共40页3.6.1 天线增益的影响并非所有的天线都能够拥有很好的方向性，其中一种方向性不特别显著的天线就是偶极天线。偶极天线并不

10、向轴线辐射信号，而是均匀的向和轴线垂直的各个方向辐射。如右图所示。相对偶极天线的增益比相对全向天线的增益要小2.2dB第25页/共40页第24页/共40页3.6.1 天线增益的影响通过天线的增益和传输能量，可以计算出利用全向天线，来达到定向天线所指向方向的最大增益效果时所需要的输入能量，这个能量称为有效全向辐射功率（EIRP）。EIRP常被或明确或含蓄地用来规定无线操作上的能量限制。例如FCC规定在美国地区，某个无照传输器可以传输1W能量的信号，同时可以使用6dBi的天线；天线增益增加1dB，传输能量就需要减小1dB。实际上，FCC是规定EIRP不超过36dBm（30dBm+6dBi）。第26

11、页/共40页第25页/共40页3.6.1 天线增益的影响右图为初始能量1W的传输信号，使标签位于定向天线增益最大方向上时，6dBi天线增益的效果图。前向链路的传输距离从3m增加到6m。能量损耗是伴随距离平方速度下降。反向链路的效果？第27页/共40页第26页/共40页3.6.1 天线增益的影响有效孔径：G表示天线增益收发能量与距离关系：Friis方程式前向链路与反向链路能量开销：第28页/共40页第27页/共40页3.6.1 天线增益的影响定义标签所需的最小能量则前向链路传输范围：定义阅读器端解调信号所需的最小信号能量则反向链路链路传输范围：第29页/共40页第28页/共40页3.6.2 线性

12、极化与圈极化图中电磁矢量表示电磁场的方向电场和磁场方向相互垂直，而场的方向永远是和其传播方向垂直的，像这样波的震动方向和传播方向垂直的波被称为横波场的方向决定其极化方向。极化方向始终固定的极化方式也被称为线性极化。第30页/共40页第29页/共40页3.6.2 线性极化与圈极化电磁场的方向可以随时间发生变化当电磁场方向随时间绕传播方向的轴旋转而不改变其场强大小，获得的就是类似线性极化的圆极化辐射。通过简单的矢量叠加过程，我们可以把纯圆极化传化为线性极化的叠加第31页/共40页第30页/共40页3.6.2 线性极化与圈极化圆极化的电磁波作用于线性极化的天线时，类似之前的分解过程，只有和导线通向的

13、电场分量能产生电势，而垂直的分量将没有效果。双偶极子：主要是通过同时安置两个正交的天线在标签上来达到吸收不同方向能量的目的。对于线性极化，我们只需要乘以某个三角正弦变量即可表示其分量，这里用极化方向和接收天线方向夹角表示，如右公式所示。第32页/共40页第31页/共40页3.7 真实环境下的信号传输以上都是在理想环境下进行的相关计算，实际环境中总是充满各种噪声和干扰。阅读器自身信号的散射折射后形成的干扰信号不是简单的能量叠加，而是每个点电势的累加，结果不可预知，即：多径效应第33页/共40页第32页/共40页3.7 真实环境下的信号传输第34页/共40页第33页/共40页3.7 真实环境下的信

14、号传输考虑最坏情况，当相位差为0时可以得出叠加电势：当相位差为180时可以得出叠加电势：第35页/共40页第34页/共40页3.7 真实环境下的信号传输在RFID系统中，地面的反射干扰是十分严重的，混凝土折射率高达2.5。影响识别效率的还包括入射角度和极化方式。垂直极化的波在辐射到水平地面上在某个称为布鲁斯特角上可以达到没有反射的效果，如右图所示。第36页/共40页第35页/共40页3.7 真实环境下的信号传输垂直极化的信号能量衰减比较规律，而水平极化的信号能量则会更多地受到多径效应的影响，如右图所示。线性极化的阅读器在使用垂直极化天线时，能够获得较好的阅读效果；水平极化的天线将可以识别更远的

15、标签第37页/共40页第36页/共40页3.8 RFID无线通信原理小结针对不同应用环境的RFID系统，首先需要考虑RFID载波频率的选择。避免冲突是RFID系统正常工作的基础；超高频信号适合长距离识别，而低频信号适合短距离应用。对于前向链路和反向链路的信号调制编码情况也需要慎重选择。被动和半主动标签，编码后需仍能提供稳定能量；在较复杂的无线环境中，抗干扰能力要强。链路预算是关系到RFID系统适用范围的重要参数。最大传输功率，信号衰减和路径损耗，标签的激活能量等因素都需要考虑。远距离传输，考虑到链路预算的距离限制；近距离通信，降低传输功率来降低通信距离。第38页/共40页第37页/共40页3.

16、8 RFID无线通信原理小结为了适应更加广泛的应用需求，天线的选择起到重要的作用。相比于全向天线，定向天线虽然减小了覆盖，但是提供更远的通信距离，从而扩大应用的适用范围；而天线的极化使得标签可以避免遭遇标签天线极化方向与电磁波垂直而导致无法识别信号的情况，因此圆极化大大增加了RFID系统的适用性。RFID系统是运行在实际环境中的，其传输干扰也比理论分析复杂许多。如现实的噪音、障碍物阻挡、信号吸收、信号散射、多径效应等等。噪音阻碍信号的识别与传输，信号吸收影响RFID系统的传输距离，而信号散射使得RFID信号识别不稳定，某些原本不应该覆盖的区域可能会被误读取，多径效应则会造成信号强度的不稳定变化，造成标签识别范围的不稳定第39页/共40页第38页/共40页课件说明本课件供教师、学生、读者免费使用；本课件内容采用Powerpoint格式，使用者可以根据需要自行增加、修改、删除（包括本页）；在各种场合下使用本课件时（例如在课堂），请说明本课件的来源及配套教材射频识别技术原理、协议及系统设计；除了本书的作者，本课件的贡献者还包括南京大学研究生孙健强、樊苑苑、刘畅。欢迎本课件使用者将意见、建议、以及对本课件的改进发送到第40页/共40页第39页/共40页感谢您的观看！第40页/共40页