物聯(lián)網(wǎng)技術-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 80年代以來，人們十分重視調(diào)制技術在無線通信系統(tǒng)中的應用，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)擴頻技術 擴頻又稱為擴展頻譜，它的定義如下：擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)無關；在接收端用同樣的碼進行相關同步接收、解擴和恢復所傳信息數(shù)據(jù)。 擴展頻譜，增強系統(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 ? 采用擴頻碼序列調(diào)制的方式來展寬信號頻譜 ? 在接受端用相關解調(diào) （ 或相干解調(diào) ） 來解擴 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?shù)膸挼男盘杹韨鬏斝畔?。而擴頻通信的信號帶寬與信息帶寬之比則高達 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)就是采用直擴方式獲得擴頻信號的。這種很窄的脈沖碼序列（其碼速率很高）稱為擴頻碼序列。所采用的擴頻碼序列與所傳的信息數(shù)據(jù)無關（它與一般的正弦載波信號類似），不影響信息傳輸?shù)耐该餍?。擴頻碼序列僅僅起擴展信號頻譜的作用。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 典型擴頻通信的一般工作原理如圖 2所示。 圖 2 典型的擴頻通信系統(tǒng)模型 擴頻通信的工作原理 信道 由圖 2可看出，擴頻通信系統(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?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。 ?擴頻調(diào)制和解調(diào)是為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力而進行的信號頻譜展寬和還原。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 擴頻技術按照工作方式的不同，可以分為以下四種： 直接序列擴頻 (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)頻擴頻 (chirp Spread Spectrum, chirpSS，簡稱切普擴頻 )。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 擴頻通信與一般無線通信系統(tǒng)相比，主要是在發(fā)射端增加了擴頻調(diào)制，而在接收端增加了擴頻解調(diào)。 擴頻技術的 優(yōu)點 包括：易于重復使用頻率，提高了無線頻譜利用率 ?？垢蓴_性強，誤碼率低 。隱蔽性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小 ?？梢詫崿F(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 。安裝簡便，易于維護。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 無線傳感器網(wǎng)絡物理層的特點 無線傳感器網(wǎng)絡作為無線通信網(wǎng)絡中的一種類型，因此它包含了上述介紹的無線通信物理層技術的特點。 目前無線傳感器網(wǎng)絡的通信傳輸介質(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)、科學和醫(yī)療” (Industrial， Scientific and Medical, ISM)頻段。 ISM頻段的優(yōu)點在于它是自由頻段，無須注冊，可選頻譜范圍大，實現(xiàn)起來靈活方便。 ISM頻段的缺點主要是功率受限，另外與現(xiàn)有多種無線通信應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)絡可以通過其它方式實現(xiàn)通信，譬如各種電磁波（如射頻和紅外）、聲波，但無線電波是當前傳感器網(wǎng)絡的主流通信方式，在很多領域得到了廣泛應用 。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 傳感器網(wǎng)絡物理層的設計 傳輸介質(zhì) 目前無線傳感器網(wǎng)絡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。因為 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)絡節(jié)點之間通信的另一種手段是紅外技術。紅外通信的優(yōu)點是無須注冊，并且抗干擾能力強。 紅外通信的主要缺點是穿透能力差，要求發(fā)送者和接收者之間存在視距關系。這導致了紅外難以成為無線傳感器網(wǎng)絡的主流傳輸介質(zhì)，而只能在一些特殊場合得到應用。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 對于一些特殊場合的應用情況，傳感器網(wǎng)絡對通信傳輸介質(zhì)可能有特別的要求。例如，艦船應用可能要求使用水性傳輸介質(zhì)，譬如能穿透水面的長波。復雜地形和戰(zhàn)場應用會遇到信道不可靠和嚴重干擾等問題。 另外，一些傳感器節(jié)點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備，為了保證這些低發(fā)射功率的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點正常完成通信任務，要求所選擇的傳輸介質(zhì)能支持健壯的編碼和調(diào)制機制。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 物理層幀結構 物理幀的第一個字段是前導碼，字節(jié)數(shù)一般取 4，用于收發(fā)器進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)，表示同步結束，數(shù)據(jù)包開始傳輸。幀頭與前導碼構成了同步頭。 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負載的長度，因此它的后續(xù) PHY負載的長度不會超過 127個字節(jié)。 物理幀 PHY的負載長度可變，稱為物理服務數(shù)據(jù)單元 (PH
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