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1、第3章 RF的基本觀念,本章的學習重點,認識射頻(RF)的基本觀念。 了解訊號的特徵與處理方式。 了解射頻訊號傳遞的特性。 熟悉訊號強度的表示法,無線電波傳遞隨範圍遞變的特性,建立訊號(signal)的觀念,資訊與訊號的基本類別與型式 類比（Analog） 數位（Digital） 訊號的組成： 振幅：訊號的強度，強度愈高所具有的能量也愈高 頻率 相位 波長：訊號在一週內移動的距離,建立訊號(signal)的觀念,訊號增益：訊號在振幅上的增加量 主動式增益：利用RF放大器或強波器，從外部電源擷取能量 被動式增益：利用高增益天線能將訊號聚集成束，達成增加訊號的振幅 損失(loss)：訊號強度的減弱
2、。 纜線或接頭的電阻使訊號變成熱能 纜線與接頭的阻抗不匹配使訊號反射 路徑本身的距離是減損最大的因素，空氣中灰塵、霧、雨均會造成損失 為合乎通訊法規，使用RF衰減器(attenuator),訊號的增益(gain)與減損(loss),訊號與雜訊的關係,時域與頻域之關係,一個週期可傳送8個位元資料,訊號的組成,傅立葉證明任何合理的週期函數都可以由一組正弦與餘弦函數組成 一般來說，較低頻率組件的振幅會比較高頻率組件的振幅為大。故移除較高頻率組件，組合的結果仍近似於數位訊號,頻寬,此組正弦訊號中最高與最低頻率差，就是此複雜訊號的頻寬(bandwidth) 同樣的，一條線路的頻寬就是在該線路上能送出最快
3、且連續振盪的訊號頻率(最高頻率與最低頻率的差值) 媒介的頻寬不足會造成訊號的失真 光纖同軸電纜雙絞線,衰減與失真,在傳輸的過程中，沒有一種傳輸工具不產生能量損失的-衰減 衰減起因於傳輸媒介的物理特性限制 不同的傅立葉組件有不同程度的損耗-失真 數位訊號的準位是固定的，因此可以克服因為高頻被移除或雜訊造成的失真，4.8v5v 類比系統則無法回復數位系統較優,頻寬與資料傳輸速率,F120bps 僅取first harmonic(F1)並非數位訊號，不足以辨識資料，故合成F1, F2, F3頻率產生一近似的數位訊號。 本訊號頻寬為40Hz，攜帶了20位元的資料，若讓各頻率加倍(頻寬加倍)，則資料傳輸
4、率也會變成兩倍 資料傳輸速率與頻寬成正比,baud與bps,baud是傳輸媒介中訊號改變的次數，此改變可能是振幅、頻率或相位，單位為鮑(baud) 傳輸媒介的頻寬限制了訊號的最高與最低頻率要如何突破？ 編碼方式 傳送資料所需的時間，依編碼方式與訊號改變速度而定 一條b鮑的線並不一定每秒送b位元，要看訊號的電壓有幾種，在數位系統中電壓只有二種，故位元率與鮑率相同,最大資料傳輸率,一般電話線(語音級線)其cutoff頻率為3KHz 如前圖，對二元訊號(v=2)而言，若電話線資料傳輸速率為300bps，且假設僅需first harmonic即可被識別，則此訊號的頻寬為300/8 = 37.5Hz，此
5、電話線內可容納80個harmonic 由後圖可看出，在本例中，電話線上資料傳輸率不可能高過38.4kbps 無雜訊時，最大資料傳輸率=2 BW log2 V (位元/秒) 考慮雜訊，則最大資料傳輸率= BW log2 (1+S/N) 30 = 10log10S/N S/N = 1000,資料傳輸速率,無線電頻譜(radio spectrum),RF頻帶,各頻帶特性,VLF(3KHz30KHz): 地面通訊 低衰減；大氣層雜訊(熱量與靜電)；長距離無線電導航 LF(30KHz300KHz) 長距離無線電導航；衰減較大 MF(300KHz3MHz):對流層訊號傳遞 距離依反射角度而定；需要LOS天
6、線；AM廣播(535KHz1605MHz) HF(3MHz30MHz): 離子層訊號傳遞 Amateur radio (Ham radio), Citizens band (HK CB: 26.9627.41MHz), 國際廣播 VHF(30MHz300MHz) VHF電視；FM廣播 UHF(300MHz3GHz): LOS UHF電視；行動電話；微波通訊 SHF(3GHz30GHz) LOS與太空；地面與衛星用微波；雷達通信 EHF(30GHz300GHz): 太空訊號傳遞 雷達；衛星,大氣層,訊號傳遞,電波傳播路徑,直接波 大地反射波 地表波 電離層反射波,地波(ground wave)或
7、地上波,地球上的電磁波,地面波的傳遞(ground wave propagation) 大氣波的傳遞(sky wave propagation) 視線(line-of-sight)的傳遞,電磁波的傳遞機制,繞射(diffraction, 或稱shadow fading) 反射(reflection) 折射(refraction) 散射(scattering),繞射 反射 繞射 反射,生活環境中的障礙物與電磁波,折射與反射,當RF射線行經不同密度之物質所產生的轉彎現象。RF射線可能因此而進入或離開。,折射,折射是當RF射線行經不同密度之物質而產生的轉彎現象。例如在WLAN室外通訊時，山谷之一層冷
8、空氣會造成RF波轉彎以致改變原來的通訊方向。若兩種物質的交界面很平滑，某些RF波會反射而離開，而某些則折射進入。 在長距離通訊時，折射會造成問題。當大氣層產生變化，RF波會改變方向而遠離目的地。如若衛星信號是以地平面水平方向射入。因為大氣層有多層物質，折射對方向的影響很大，而影響衛星之涵蓋面(稱為Foot Print)。,繞射,繞射發生於傳送端與接收端之間有阻擋物，受阻擋物壓縮使行進變慢，牽動整個波方向改變，故感覺像繞過阻擋物。 在高頻時，繞射與反射與阻擋物之形狀與RF波之大小、相位與極性有關。但較低頻時其波長較長，比較接近實體物件大小，所以較容易產生繞射。,散射,RF訊號被不均勻的反射物打散
9、。 沙塵、霧、樹葉、不規則岩石,多路徑電波,RF訊號衰減的因素除了距離之外，以多路徑(multipath)造成的結果最嚴重。 多路徑代表接收端收到多個不同路徑所傳來的（同一筆）訊號。 原因為其他物體所造成的反射現象。尤其以全向天線時會更明顯、嚴重。 這種時間差稱為Delay Spread 小會議室：20ns 中辦公室：80ns 大賣場：180ns,多路徑電波,由前圖可看出，多個路徑傳播到接收天線之電波(多路徑電波) 多路徑電波相互干涉後，會產生駐波。汽車在行進時，天線所接收到的電波強度會隨著駐波波腹(loop)或波節(node)產生週期性的強弱變化 入射波向左方傳播，反射波向右方傳播，兩者之合
10、成波則不會傳播，永遠停在同一位置，故稱為駐波,多路徑電波,在不同的地區，多路徑電波也會有不同的情況,Fresnel zones的觀念,因阻礙物使電磁波繞射，僅有部分的能量可以到達接收端，產生了繞射損失。 因繞射產生了訊號的相位差(因為不同，使得rn也不同),無線電訊號的傳遞模型,傳遞模型(propagation model)：用來量測距離傳送端某距離的訊號強度 大規模的傳遞模型(large-scale propagation model) 自由空間的傳遞模型： 假設接收端與傳送端間是無阻礙的LOS通訊路徑 接收端天線收到的訊號平均能量為 室內的傳遞模型 室外的傳遞模型,無線電訊號的傳遞模型,小
11、規模的傳遞模型(small-scale propagation model或fading model) 當訊號離開傳送端，會受到各種影響產生繞射、反射、散射、折射等情況，此種隨著距離與時間改變的損失稱為fading 影響fading的因素包含 多路徑傳遞 行動台移動的速度 周圍物體的移動速度 訊號的傳送頻寬,都卜勒效應(Doppler effect),由於行動台的移動會造成接收訊號的相位改變由於訊號的相位改變而造成訊號頻率的偏移會增加訊號的頻寬，稱為都卜勒擴張行動台的移動會影響接收,頻道的散佈特性(dispersive characteristics),Fading不但造成接收訊號強度的變動，
12、也會造成訊號的失真,功率,功率的基本單位是瓦特(W, watts) ，指單位時間所作的功(電能)，一秒內移動一庫倫的電荷，使其增加一伏特電位，會消耗一瓦特的電功率，P=W/t=VQ/t=VI。 一般的無線家用閘道器的輸出功率大約是50mW，相同頻率的微波爐需要500W FCC規定2.4 GHz點對多點的WLAN所使用的天線功率不能超過4 watts。,訊號(signal)的強度,dB = 10 log10 (Po/Pi),訊號(signal)強度的表示法,訊號(signal)強度的表示法,訊號(signal)強度的表示法,dBi,dBi代表天線增益的度量，參考的基準是理想天線(isotropi
13、c antenna)，,訊號強度的結論,每增加3dB就增加了一倍的功率，每減少3dB就減少了一倍的功率；每增加10dB就增加了十倍的功率，每減少10dB就減少了十倍的功率 例1：intentional radiator系統輸出為5mW，天線增益是16dBi (10+3+3)，那麼整個系統的EIRP為5*10*2*2 = 200mW 例2：LAN傳送端輸出為Pi=17dBm，天線端量得的EIRP為Pf=26dBm，因此intentional radiator的效應為26-17=9dB。若Pi=50mW，則Pf=50*2*2*2,為何要用天線,訊噪比S/N(SNR)希望愈大愈好 環境干擾會影響無線
14、通訊距離 為了保持基本的SNR，勢必縮短通訊距離 使用高增益天線增加訊號強度，加長通訊距離,幅射主體(intentional radiator) 與EIRP,等向發射功率EIRP (equivalent isotropically radiated power)指實際上天線本身所幅射的功率，FCC針對幅射主體與天線本身的功率輸出都有明確的規範。,無線電訊號強度,VSWR (voltage standing wave ratio)：RF設備與訊號饋入點阻抗不匹配，造成能量被彈回輻射主體(intentional radiator)，形成能量反饋損失(return loss)與輸出訊號強度不穩定 理
15、想的VSWR是1:1，代表完美的阻抗匹配，沒有額外的駐波。一般的2.4GHz天線的VSWR約為1.5:1至2.0:1 EIRP：表示天線實際所輻射的功率 傳送器輸出30mW，纜線損失15mW，連接器又損失5mW，則輻射主體的功率輸出為10mW，天線增益10dBi，整個無線通訊系統的EIRP輸出功率100mW,VSWR,天線,等方性(isotropic)天線，不論水平或垂直都是360度等向發射：太陽 全向性天線(omni-directional antenna)：在水平方向360度全方位等量發射，像偶極(dipole)天線，適用於家庭與點對多點應用 偶極天線增益愈大，輻射場形的側面便越扁平，亦即
16、發射涵蓋範圍會隨著增益的增大而變窄 指向性天線(directional antenna)，對某個特定方向發射訊號，多用於點對點應用 無線電波的電場與磁場彼此垂直，通常稱與天線平行的是E(電場)平面，垂直的面是H(磁場)平面,天線廣告(WIFI-Link),Omni 12dBi Antenna 為全向型高增益天線，室內以及戶外皆可用，傳輸方向為360度，傳輸距離約可達到15002000公尺。天線連接器為N type 母頭，請選用N type 公頭連接器製作連接延長線。建議使用低損耗高傳輸的Low Loss Cable。此產品可與核桃木基座一起搭配採購，相關資訊以及規範敬請參考以下的天線特性資料。,天線規格,Technical information Frequency：2400 - 2500MHz Gain：12 dBi Polarization：Vertical Beamwidth deg vertical & horizontal：Horz.360Vert.7 VSWR：1.5：1 Impedance：50 Ohm Dimensions Length：H1500 Weight：850 g Connector：N-type / female,
