无线电简介[白皮书]

2007年10月9日

简介
射频系统的基础知识
频率和调制
利用通信协议管理无线电波
环境和干扰对无线电波传播的影响
邦纳无线系统
术语表

简介

与二十年前的微波一样，手机和卫星广播等无线通信产品已然成为当今日常生活的一部分。在未来的几年中，这项技术将从消费品传播到车间。自动化和工艺工程师以及管理人员需要了解无线或射频（RF）技术，以便正确评估和部署许多很快便可以投入使用的无线自动化产品。

对于以空气为通信介质的无线产品，在使用此类产品时所面临的挑战与他们较为熟悉的有线产品是不一样的。无线自动化产品的早期化身常常给买家以神秘和短缺之感。它们的性能不稳定，安装、配置和维护难度高。

幸运的是，新一代无线产品更易于使用。除了功耗远远更低外，这些新产品还易于配置和安装，内置有用于监控无线连接可靠性的工具，并且可以轻松集成现有的有线基础设施。

但在将射频仪器控制系统部署到设施中之前，了解技术的基础知识、其优点和局限性非常重要。本白皮书介绍了射频系统的主要元件，以及它们如何协同工作来点对点传输传感器数据：

基本射频元件
射频产品设计中常用的频率
面向射频信号的不同调制技术
环境和干扰对无线电的影响
本白皮书是无线技术系列中的首篇

射频系统的基础知识

所有射频系统由这两个主要元件组成：发射器和接收器。顾名思义，发射器将信号发送到接收器，而接收器负责侦听信号。

此系统有一套规则来定义发射器和接收器的通信方式。规则集可以只规定发射器必须在特定频率下与接收器通信。而较为复杂的规则集不仅定义频率，而且定义发射器和接收器通信的时间、它们说话的“音量”大小、它们所讲的“语言”，以及彼此“听”不到时该怎么做。联邦通信委员会（FCC）等政府监管机构制定了相关规则，国家和国际标准组织，如电气和电子工程师学会（IEEE）也制定了规则。

RF systems include a transmitter to send the radio signal and a receiver to receive it.

早期设计的问题

在早期的射频系统中，发射器与一个传感器相连，该传感器用于传输信息给一个简单的接收器。早期系统的带宽有限 - 它们广播的频率范围和在该频带中传输的数据量也有限。数据通常在单一频率传输，这类系统称为窄带系统。

由于早期集成电路（IC）技术的局限性，发射器只能发射，接收器只能接收。没有双向通信，就无从知晓接收器是否在接收发射器发送的所有信息。

另外，有时接收器收不到信号，因为信号可能在它们反射或穿透墙壁或文件柜等物体时降级或衰减。射频系统未觉察到传输的信号丢失，因为接收器无法确认（简称ACK）或接收。

由于可靠性差，这些系统的试用者通常很失望，并且对射频系统心生厌弃。

射频系统设计的改进

随着技术的发展，无线电设计在三个关键领域取得了重大进展：

IC技术。发射器和接收器均被整合到一个叫做收发器的元件中。通过收发器可以很经济地实现双向通信，从而显著提高可靠性和可维护性。
更高频率的射频元件。由于更高频率的元件通常在更宽的射频频段上工作，所以它们传输的数据比低频元件更多。但是有一个缺点：较高的频率会降级。也就是说，当它们穿透物体时更容易被吸收，这就减小了工作范围。为克服这种影响，设计师将放大器添加到了发射器中，并设计出更灵敏的接收器，成本也随之提高。
扩频调制。所谓调制，就是数据给无线电波留下印象的方式。如今，许多无线电系统使用一种叫做扩频的技术来在无线电带宽上调制数据。扩频支持多个用户同时共享相同的频道。

当今常用的两种不同的扩频技术为：

直接序列扩频（DSSS）和跳频扩频（FHSS）。一些混合方案同时使用DSSS和FHSS。ISM频带（用于工业、科学和医学领域）常用的另一种调制方案是正交频分复用
（OFDM）。两种较新的频谱共享调制技术是超宽带（UWB）和线性调频，这两种技术都越来越受欢迎。

有关扩频历史和各种扩频的说明，请参阅ISA的“无线电物理学”教程。

A narrowband signal occupies far fewer radio frequencies than a broadband signal.

Two familiar modulation schemes are AM and FM. AM radios use amplitude modulation to transmit data (such as music or speech), while FM radios use frequency modulation. Both AM and FM are narrowband—you must tune your receiver to a specific transmit frequency to listen to a particular type of data. One of the many limitations of narrowband modulation schemes is that transmitters cannot share the same frequency. As a result, only one radio station can broadcast on 92.9 on the FM dial, for example, in any given geographical area.

频率和调制

产品设计师在设计使用ISM无线电系统的产品时，必须考虑的第一个问题就是产品将使用哪些频率。频率应当提供足够的带宽，以让数据吞吐率超过产品的需求（即便是数据密集型应用），从而提高可靠性并延长电池寿命。

设计师通常考虑的第二个问题是用于将数据压印到广播的无线电波上的调制方案的类型。当今大多数设计使用某种类型的扩频技术。对于必须快速传输数据的WiFi等技术，IEEE具有标准化的DSSS技术。由于工业检测系统目前没有这样的标准，因此现在的无线检测产品都使用专有通信协议。

两种最流行的扩频设计是直接序列（DS）和跳频（FH）。DS和FH系统使用这种带宽的方式截然不同。

Other considerations include the range’s universality, which is important for products marketed internationally; and the wide availability of transceiver components.

DS modulation spreads a lowlevel signal over a specific range of frequencies simultaneously. FH transmits a data signal over a different carrier frequency at different times, following a specific pattern.

直接序列

在DS系统中，要发送的数据（或输入信号）被应用于一种叫做扩展器的电路，该电路使用软件将唯一编码序列应用于数据。系统将数据随机扩展到带宽上，并在特定时间以极低的功率水平将其输出到空中。

在无线电链路的另一端，接收器基本会在同一时间侦听信号的低电平，并对数据应用相同的编码序列。如果数据看起来很有意义，接收器会将其处理到发射器的输出。如果信息没有意义，则接收器会认为它是噪声并丢弃此信息。

唯一编码序列是关键因素，因为它能让许多不同的DS系统使用相同的频率范围而不会相互干扰。

跳频

在FH系统中，带宽的使用有所不同。在这些系统中，带宽被分解成多个较小的频带或信道。系统则分解数据，并将数据传输到较小的块中。然后，发射器根据称为跳码模式的唯一模式，在各种信道上广播这些块。

接收器与发射器同步，并以跳码模式的顺序侦听唯一的信道。数据即以这种方式重新组装并从RF系统输出。

利用通信协议管理无线电波

由于技术允许我们建立在较广频率范围内工作的无线电系统，并允许多个用户使用相同的频率，因此一个明显的问题随之出现：我们如何管理对这种看似无穷无尽的无形媒体的获取，而且这种媒体越来越多地用于不同类型的通信？

而管理射频频谱获取的政府机构，反过来又要接受IEEE等标准制定协会以及蜂窝电信和互联网协会（CTIA）等特殊利益群体的建议。在美国，FCC分割和分配了RF频谱中的频率，来用于数百种不同的用途。

例如，ISM频带被分配用于工业、科学和医疗目的。每个ISM频带包括一个频率范围。欧洲国际电信联盟（ITU）的900 MHz频带的带宽为26 MHz，频率范围为902至928 MHz。ITU的2.4 GHz频带范围为2.4至2.5 GHz，5.8GHz频带范围为5.725-5.875 GHz。

请注意，每GHz频带的带宽比100 MHz要宽。

当调制方案与管理频带使用的规则和法规相结合时，便得到了一种供发射器和接收器彼此通话的方法，这种方法就叫做通信协议。

Multi-Path Fading is one cause of attenuation. Multi-path fading happens when radio signals reach the receiver through more than one path. In industrial settings, a received signal may include signals reflected off buildings, equipment, trees or the ground, as well as the line of sight signal.

环境和干扰的影响

环境和干扰对无线电波传播的影响

在一个完美的世界里，没有任何干扰，只有非凡的无线电设计师，无比良好的环境，DS和FH系统的工作同样出色。但世界并不完美，干扰的确存在。一旦我们走出实验室，进入世界各地的汽车厂、炼钢厂、精炼厂和谷物生产基地，环境因素（如无线电波吸收和反射）都会对无线电性能产生显著影响。

射频链路品质变化

在特定信道的给定频率下接收的概率会在特定时刻变化。这就是为何手机连接可能掉线的原因，即使双方在通话时站住不动。掉线的信号被称为无线电链路丢失。

解决问题的一种方法是根据预定义的模式改变频率或跳频。通过跳频，如果一个频率的干扰阻止了数据包的接收，发射器将移到模式中的下一个频率并重新发送数据包。

另一种替代方法是特意在发射器和接收器之间建立多条路径。这种替代方法在即将发布的有关网络的白皮书中会进行更详细的讨论。

干扰源导致无线电性能降级

干扰源即阻止无线电信号或产生电干扰的物体。干扰源会反射、折射或吸收无线电信号，导致信号丢失。常见的干扰源包括物体、墙壁、天花板和其他无线电设备。与无线电链路丢失问题一样，跳频同样有助于稳定路径。

邦纳SureCross系统

对于SureCross系统，邦纳已经开发出了900 MHz频带和2.4 GHz频带的产品。

邦纳之所以选择900 MHz频带，是因为它支持远距离，设计不贵，数据吞吐率超过了大多数预期的检测应用的需求。

邦纳还提供2.4 GHz设计，因为900 MHz系统不能在欧洲或亚洲许多地区使用，而2.4 GHZ在全球范围内得到广泛接受。它为数据密集型应用提供更高的带宽，换言之，传输较小的数据包所需的时间更少，这可以延长电池寿命。此外，收发器元件也可以广泛获取。

邦纳SureCross系统使用跳频来提高可靠性。它将900 MHz和2.4 GHz频带分为27个唯一信道。在这27个信道中定义了16个唯一的伪随机跳频模式 - 由网络ID决定要使用的跳频模式代码。三十二款不同的邦纳SureCross系统可以在相同的物理空间共存，而且不会发生干扰：16 MHz在900 MHz下工作，16 GHz在2.4 GHz下工作。

定义

Term	Definition
ACK	To acknowledge a radio signal
AM	amplitude modulation
bandwidth	range of frequencies a radio channel broadcasts across and the amount of data that can be transmitted within that band
communication protocol	combination of modulation scheme and the rules and regulations governing the use of a frequency band
CTIA	Cellular Telecommunications & Internet Association
DSSS	Direct Sequence Spread Spectrum
IEEE	Institute of Electrical and Electronics Engineers
FCC	Federal Communications Commission
FHSS	Frequency Hopping Spread Spectrum
FM	frequency modulation
hop	to change the frequency of a data transmission, based on an established pattern or order
hop code pattern	unique, predetermined pattern a transmitter uses to broadcast units of data across several channels to ensure a continuous signal. Used in a Frequency Hopping (FH) system.
IC	integrated circuit
input signal	data to be transmitted
interferers	objects that reflect, refract, or absorb radio signal
ISM	radio bandwidth for industrial, scientific, and medical use
ITU	International Telecommunications Union
modulation	pattern of data in a radio wave
multi-path fading	radio wave transmission phenomenon in which radio signals reach a receiver through more than one path
narrowband	single frequency radio system
network ID	identifier for every device in a given network
OFDM	Octogonal Frequency-Division Multiplexing, a modulation scheme
radio link loss	oss of the signal between a transmitter and receiver
RF	radio frequency
spread spectrum	technique for modulating data across a bandwidth
spreader	circuit that uses software to apply a unique coding signal to data. Used in Direct Sequence (DS) systems
transceiver	integrated circuits (ICs) that incorporate both the transmitter and receiver in a single component

特色产品

Performance Series Industrial Wireless Gateways and Nodes

创建点对多网络，在大范围内分布I/O点。输入和输出类型包括离散量（干触点，PNP/NPN），模拟量（0到10V dc，0-20mA），温度（热电偶和热电阻），以及脉冲计数器。

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