物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)-無線傳感網(wǎng)-第二課-徐憲清74-文庫吧
2025-01-06 19:48 本頁面
【正文】 、頻移鍵控 (Frequency Shift Keying, FSK)和相移鍵控 (Phase Shift Keying, PSK)。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 20世紀(jì) 80年代以來，人們十分重視調(diào)制技術(shù)在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，以尋求頻譜利用率更高、頻譜特性更好的數(shù)字調(diào)制方式。由于振幅鍵控信號的抗噪聲性能不夠理想，因而目前在無線通信中廣泛應(yīng)用的調(diào)制方法是頻率鍵控和相位鍵控。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 (3)擴(kuò)頻技術(shù) 擴(kuò)頻又稱為擴(kuò)展頻譜，它的定義如下：擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過一個獨(dú)立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)和恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。 擴(kuò)展頻譜，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力！ 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 這一定義包含以下三方面意思： ? 信號的頻譜被展寬了 ? 采用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制的方式來展寬信號頻譜 ? 在接受端用相關(guān)解調(diào) （ 或相干解調(diào) ） 來解擴(kuò) 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 傳輸任何信息都需要一定的頻帶，稱為信息帶寬或基帶信號頻帶寬度。例如： ?人類語音的信息帶寬為 300～ 3400Hz； ?電視圖像信息帶寬為 。 在通常通信系統(tǒng)中，為了提高頻帶利用率，通常都是盡量采用大體相當(dāng)?shù)膸挼男盘杹韨鬏斝畔?。而擴(kuò)頻通信的信號帶寬與信息帶寬之比則高達(dá) 100～ 1000，屬于寬帶通信。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 通過信號理論知道： ?在時間上是有限的信號，其頻譜是無限的； ?脈沖信號寬度越窄，其頻譜就越寬，近似成反比。 因此，如很窄的脈沖序列被所傳信息調(diào)制，則可產(chǎn)生很寬頻帶的信號。 CDMA蜂窩網(wǎng)移動通信系統(tǒng)就是采用直擴(kuò)方式獲得擴(kuò)頻信號的。這種很窄的脈沖碼序列（其碼速率很高）稱為擴(kuò)頻碼序列。所采用的擴(kuò)頻碼序列與所傳的信息數(shù)據(jù)無關(guān)（它與一般的正弦載波信號類似），不影響信息傳輸?shù)耐该餍?。擴(kuò)頻碼序列僅僅起擴(kuò)展信號頻譜的作用。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 典型擴(kuò)頻通信的一般工作原理如圖 2所示。 圖 2 典型的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)模型 擴(kuò)頻通信的工作原理 信道 由圖 2可看出，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)主要由原始信息、信息調(diào)制（信源編譯碼、信道編譯碼）、載波調(diào)制與解調(diào)、擴(kuò)頻調(diào)制與解調(diào)和信道六大部分組成。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 ?信源編碼的目的是減小信息的冗余度，提高信道的傳輸效率。 ?信道編碼（差錯控制）的目的是增加信息在信道傳輸中的冗余度，使其具有檢錯或糾錯的能力，以提高信道的傳輸質(zhì)量。 ?調(diào)制部分的目的是使經(jīng)信道編碼后的符號能在適當(dāng)?shù)念l段傳輸，通常使用的數(shù)字信號調(diào)制方式分為振幅鍵控 ASK、頻移鍵控 FSK、移相鍵控 PSK。 ?擴(kuò)頻調(diào)制和解調(diào)是為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力而進(jìn)行的信號頻譜展寬和還原。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 擴(kuò)頻技術(shù)按照工作方式的不同，可以分為以下四種： 直接序列擴(kuò)頻 (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)、 跳頻 (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)、 跳時 (Time Hopping Spread Spectrum, THSS) 寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻 (chirp Spread Spectrum, chirpSS，簡稱切普擴(kuò)頻 )。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 擴(kuò)頻通信與一般無線通信系統(tǒng)相比，主要是在發(fā)射端增加了擴(kuò)頻調(diào)制，而在接收端增加了擴(kuò)頻解調(diào)。 擴(kuò)頻技術(shù)的 優(yōu)點(diǎn) 包括：易于重復(fù)使用頻率，提高了無線頻譜利用率 。抗干擾性強(qiáng)，誤碼率低 。隱蔽性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小 ?？梢詫?shí)現(xiàn)碼分多址 ?？苟鄰礁蓴_ 。能精確地定時和測距 。適合數(shù)字話音和數(shù)據(jù)傳輸，以及開展多種通信業(yè)務(wù) 。安裝簡便，易于維護(hù)。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的特點(diǎn) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為無線通信網(wǎng)絡(luò)中的一種類型，因此它包含了上述介紹的無線通信物理層技術(shù)的特點(diǎn)。 目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸介質(zhì)主要是 無線電波 、 紅外線 和 光波 三種類型。無線電波的通信限制較少，通常人們選擇“工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療” (Industrial， Scientific and Medical, ISM)頻段。 ISM頻段的優(yōu)點(diǎn)在于它是自由頻段，無須注冊，可選頻譜范圍大，實(shí)現(xiàn)起來靈活方便。 ISM頻段的缺點(diǎn)主要是功率受限，另外與現(xiàn)有多種無線通信應(yīng)用存在相互干擾問題。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 盡管傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過其它方式實(shí)現(xiàn)通信，譬如各種電磁波（如射頻和紅外）、聲波，但無線電波是當(dāng)前傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流通信方式，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用 。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì) 傳輸介質(zhì) 目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的主要傳輸介質(zhì)包括無線電、紅外線和光波等。 在無線電頻率選擇方面， ISM頻段是一個很好的選擇。因?yàn)?ISM頻段在大多數(shù)國家屬于無須注冊的公用頻段。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間通信的另一種手段是紅外技術(shù)。紅外通信的優(yōu)點(diǎn)是無須注冊，并且抗干擾能力強(qiáng)。 紅外通信的主要缺點(diǎn)是穿透能力差，要求發(fā)送者和接收者之間存在視距關(guān)系。這導(dǎo)致了紅外難以成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流傳輸介質(zhì)，而只能在一些特殊場合得到應(yīng)用。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 對于一些特殊場合的應(yīng)用情況，傳感器網(wǎng)絡(luò)對通信傳輸介質(zhì)可能有特別的要求。例如，艦船應(yīng)用可能要求使用水性傳輸介質(zhì)，譬如能穿透水面的長波。復(fù)雜地形和戰(zhàn)場應(yīng)用會遇到信道不可靠和嚴(yán)重干擾等問題。 另外，一些傳感器節(jié)點(diǎn)的天線可能在高度和發(fā)射功率方面比不上周圍的其它無線設(shè)備，為了保證這些低發(fā)射功率的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)正常完成通信任務(wù)，要求所選擇的傳輸介質(zhì)能支持健壯的編碼和調(diào)制機(jī)制。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 物理層幀結(jié)構(gòu) 物理幀的第一個字段是前導(dǎo)碼，字節(jié)數(shù)一般取 4，用于收發(fā)器進(jìn)行碼片或者符號的同步。第二個字段是幀頭，長度通常為一個字節(jié)，表示同步結(jié)束，數(shù)據(jù)包開始傳輸。幀頭與前導(dǎo)碼構(gòu)成了同步頭。 幀長度字段通常由一個字節(jié)的低 7位表示，其值就是后續(xù)的物理層 PHY負(fù)載的長度，因此它的后續(xù) PHY負(fù)載的長度不會超過 127個字節(jié)。 物理幀 PHY的負(fù)載長度可變，稱為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元 (PH
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