物联网RFID技术

第二章物联网RFID技术课程知识扩充1、射频信号2、射频信号的三大要素3、频段的划分请大家准备好记录本、笔，做好听课笔记，以便更深刻的理解、掌握。扩充1：射频信号射频信号（RF-RadioFrequencySignal）射频信号就是经过调制的，拥有一定发射频率且具有远距离传输能力的的电波。在电磁波频率低于100kHz时,电磁波会被地表吸收,不能形成有效的传输,一旦电磁波频率高于100kHz时,电磁波就可以在空气中传播,并经大气层外缘的电离层反射,形成远距离传输能力。为了能够在空中传播电视信号，必须把视频全电视信号调制成高频或射频（RF-RadioFrequency）信号，每个信号占用一个频道，这样才能在空中同时传播多路电视节目而不会导致混乱。扩充2：射频信号的三大要素主要内容一．射频信号的三大要素二．频率要素三．功率要素四．阻抗要素五．dBm和dB一、射频信号三大要素在射频/微波系统工程中，频率、功率和阻抗这三个重要参数是表征射频/微波系统工程及电路的全部特性。这三个参数特性与所有的射频/微波电路类型、原理及特性密切相关。由于频率、功率和阻抗这三个重要参数是表征射频/微波系统工程的三大核心指标特性，故将其称为射频信号三大要素。它能够形象地反映射频/微波系统工程及其电路的基本内容。频率、功率和阻抗三方面既有独立特性，又是相互影响。频率、功率和阻抗之间的关系，如图所示。一、射频信号三大要素频率阻抗功率振荡器、频率合成器、分频、倍频、混频以及滤波等电路的频率参数阻抗变换、阻抗匹配、天线等阻抗参数（反射系数等）放大器、衰减器、耦合器、功分器等功率参数计数器、频率比对器、频谱分析仪网络分析仪、阻抗测量仪、反射计功率计、频谱分析仪二、频率要素频率（f）频率一词在无线通信技术中的重要性怎么强调都不为过。如果要想从事无线通信技术，就一定要了解频率。以一个正弦波为例，信号在1秒内完成一个完整正弦波的次数（即每秒震荡周期数）就是信号的频率，单位为赫兹符号为Hz。例如蜂窝移动通信系统使用900MHz信号，也就是说在1秒内信号振荡9亿次，以今天的标准来看，这还不算是一个很高的频率。频率的概念是理解无线通信的关键，因为无线通信所涉及到的内容几乎都是与频率相关的，可以完全依据信号的不同频率将不同信号区别开。根据频率，可以将一个射频信号和另一个射频信号隔离，也可以区分不同的无线应用，比如：人可以听到的声音的频率范围一般是：0.3~3.4KHz。移动通信使用的频率范围一般用：800~2500MHz。二、频率要素带宽（Δf）带宽也是无线通信世界里非常常用的词。知道了频率是什么，理解带宽就不会很困难了，带宽是描述频率范围的方法，它等于器件或应用中最高频率和最低频率的差值，所以需要两个频率值来定义带宽。例如，某一个移动通信系统使用频率范围是825~835MHz，也可以表示为830±5MHz，那么它的带宽就是10MHz。带宽和数据承载能力（数据速率）有直接关系。无线系统的带宽越宽，在一定时间内所承载的数据就越多，数据速率就越高。在实际应用中还会采用其它的技术手段来提高带宽的利用率（信息速率/带宽，bps/Hz），达到在有限的带宽内传输更多数据的目的，如调制技术、数据压缩技术、频率复用技术等。无线通信系统的核心技术之一，就是如何利用有限的带宽支持更多的用户和更高的数据速率。二、频率要素在射频/微波电路里，直接与信号频率有关的电路及仪器有信号发生器、频率变换器、频率选择电路等。信号发生器：用来产生各种电信号的电路及设备，具体来讲，凡能产生符合一定技术特性的测试的信号源，称为信号发生器。频率变换器：频率变换器电路，通常是将某一个频率的信号变为另一个所希望的频率信号，具体的电路有分频器、倍频器、混频器等电路。频率选择电路：在射频/微波电路和设备里，常采用频率选择电路，这种电路通常是滤波器。滤波器是在复杂的频谱情况下，选择所需要的频率范围，从滤波器的滤波特性来分，通常有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。在移动通信设备里，滤波器使用非常广泛，利用滤波器的滤波特性还可组成双工器、双频合路器等。三、功率要素功率（P）功率用来描述射频信号的能量大小，单位是瓦特（W）。它是由国际单位制SI基本单位导出的，由它派生出千瓦、兆瓦以及毫瓦、微瓦等单位。功率在射频/微波电路或系统设计中是一个重要的参数，电路或系统设计的主要指标是实现射频/微波能量的最佳传输。比如，室内分布系统实际上就是一个功率分布系统，利用微波器件和设备，将射频信号的功率分配到需要的区域。三、功率要素损耗（L）和增益（G）电信号沿着某些导体流动，在此过程中，会遇到很多不同的叫做器件或元件的物体。有数百种不同元器件存在，但所有元器件都可归为有源的和无源的两类。所有器件都会呈现出损耗特性或者增益特性。如果输出的信号小于输入的信号，表明该器件有“损耗”。有很多具有损耗的器件，无源的，有源的。当一个大的射频信号进去，变成一个小的射频信号出来，剩下的那部分没有出来的信号转变成了热能，表现出损耗现象的器件将变热，损耗越大就越热，甚至熔化。这一点是特别注意！在实际工程中使用无源器件时要特别注意无源器件的功率容量。如果输出的信号大于输入的信号，表明该器件有“增益”，这样的器件一般叫做放大器，所有放大器都是有源器件。在手机里，电池就和若干个放大器连接着，如果没有电池你的手机将完全无法工作。三、功率要素表现增益的有源器件电源提供输入信号输出信号表现损耗的无源器件释放热量输入信号输出信号三、功率要素载噪比（C/N）或载干比（C/I）载噪比：在通信中，载噪比（信噪比，S/N）是用来标示载波与噪声关系的标准测量尺度，通常记作CNR或者C/N(dB)。在满足接收功率电平的前提下，高的载噪比可以提供更好的通信质量和更高的可靠性。载干比：是指接收到的有用信号电平与所有非有用信号电平（干扰）的比值。在通信工程中，常使用载干比做为分析信号好坏的标准。其实C/N和C/I对于通信的影响是归一的，都是衡量有用信号（载波）和无用信号（噪声、干扰）的关系。C/N和C/I的好坏，在数字通信系统中直接关系到误码率的高低。三、功率要素有用信号干扰信号噪声C/NC/I频率功率三、功率要素有关射频/微波信号功率的基本电路衰减器：衰减器是指控制射频/微波信号功率的大小的器件，通常根据衰减量分为固定衰减器和可变衰减器两种。功率分配器/合路器：功率分配器是将一路射频/微波信号分成若干路的器件，一般是等分的。例如二功分器、三功分器。功分器也可以作为合路器使用，在各个支路口接不同频率的信号，在主路合路输出。定向耦合器：定向耦合器是一种有方向性的无源射频和微波功率分配器件。定向耦合器通常是耦合主路的一小部分功率到耦合端，用以检测主路信号的工作状态是否正常；在移动通信天线覆盖系统里，传输信号耦合一部分信号至天线，实现信号覆盖。耦合度通常可分为：5dB、6dB、7dB、10dB、15dB、20dB、30dB、50dB等。放大器：射频/微波放大器是提高射频/微波信号电平的有源电路。三、阻抗要素阻抗是线性电路理论中的一个重要参量，阻抗定义为电路上所加正弦电压和电流之比。根据工作频率的不同，阻抗分为集中参数阻抗和分布参数阻抗，现在常把集中参数阻抗称为高频阻抗；把分布参数阻抗称为微波阻抗。阻抗是在特定频率下，描述射频/微波电路对微波信号能量传输的影响的一个重要参数。对于微波阻抗的研究一般是与传输线的驻波和反射紧密相联系的。射频/微波电路的材料和结构对工作频率的响应决定电路阻抗参数的大小。在射频/微波系统工程里，例如移动通信系统工程，应设法改进阻抗特性，实现能量的最大传输。阻抗最主要的要求是两个连接端的阻抗匹配。三、阻抗要素阻抗匹配在高频电路设计中是一个常用的重要概念，阻抗匹配是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，来达到所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会（或很少）有信号反射回到来源点，从而提升传输效率，阻抗匹配则传输效率高。阻抗从字面上看就与电阻不一样，简单地说，阻抗就是电阻、电容抗及电感抗在向量上的和。阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。实际应用中，射频能量沿着来时的方向返回时称为反射。由于没有完美匹配，经常会有些射频信号被反射。通常，被反射的射频能量很小而不被注意。但是，在匹配很差的情况下，大量射频能量被反射，系统将无法正常工作，甚至发送设备会由于大量能量的返回而损坏，通常这种很差的匹配应当绝对避免。三、阻抗要素50Ω和75Ω阻抗在射频信号进入自由空间之前，会在导体或器件内振荡。每个器件都有一个入口或出口，或两者都有。如果射频信号从一个器件穿过一个导体进入另外一个器件，导体和器件之间要有连接。为了方便，工程师将连接标准化，这样，一个公司生产的器件就可以和另一个公司生产的器件匹配工作，只有很小的信号损失。阻抗的度量单位是欧姆。至于为什么是50Ω，这只是一个巧合，第二次世界大战期间，军队需要连接一些碰巧是50Ω阻抗的天线，于是，他们开发了一些50Ω的电缆（后来称为RG-58）并大量使用，其它所需要连接的设备都只能是适从50Ω了。50Ω是最佳的吗？答案是否定的。以射频电缆为例，75Ω的性能更佳（即衰减更小）。它是近期开发的，75Ω是用于有线电视中的阻抗。相应地，现在有两种阻抗标准：通信射频用50Ω和电视射频用75Ω。三、阻抗要素有关射频/微波阻抗的基本电路阻抗变换器：阻抗变换器，通常是增加合适的元件或结构，实现一个阻抗向另一个阻抗的过渡。阻抗变换器的变换方法，可采用λ/4阻抗变换器或渐变线阻抗变换器，使不匹配的负载或两段特性阻抗不同的传输线实现匹配连接。阻抗标准器：微波阻抗标准器，用于微波测量中的标准器是指标准同轴线和标准波导段，它们是特性阻抗的实物标准量具。微波阻抗标准器通常有标准空气线、标准波导、1/4波长短路器、同轴标准负載、波导标准失配负載和可变式标准负载等。天线：天线是无线通信、广播电视等工程系统中辐射或接收无线电波的部件，它是一种特定的阻抗匹配器，实现射频/微波信号在封闭传输线和空气媒体之间的匹配传输。四、dBm和dB在通信技术中需要理解一个很重要的单位是“dBm和dB”。对于功率：PdBm=10lg（PmW）。对于衰减或增益：GdB=10lg（PoutmW/PinmW)=PoutdBm-PindBm。正值为增益，负值为衰减。工程中进行链路分析都是使用dBm和dB进行计算。dBm和dB之间只有加减，没有乘除。dBm-dBm实际上是表示两个功率相除，单位为dB，就是增益（正值）或衰减（负值）。信号电平-噪声电平就是信噪比（S/N）。比如：30dBm-0dBm=30dB（表示1000mW/1mW=1000倍）。dBm±dB表示信号经过放大（+）或衰减（-），单位为dB。dB±dB表示放大或衰减级联，单位为dB。dBm加dBm实际上是两个功率相乘，没有实际的物理意义。四、dBm和dBmW0.001-30.0-300.01-20.0-200.1-10.0-1010.0023.0334.8546.0657.0767.8878.58.589.0999.59.51010.01010020.020100030.030dBm四、dBm和dB使用分贝做增益或损耗的单位主要有三大好处。1.数值变小，读写方便。一个通信系统的总放大倍数（或衰减比例）常常是几千、几万甚至几十万。比如，一个收音机从天线收到信号到送入喇叭放音输出，一共要放大20000倍左右。用dB表示为43dB，数值小得多。2.加减计算，运算方便。放大器级联时，总的放大倍数是各级相乘。用dB做单位时，总增益变成各级相加。若某放大器前级是100倍（20dB），后级是20倍（13dB），那么总功率放大倍数是100×20=2000倍，总增益为20dB+13dB=33dB。功率（dBm）和增益（dB）也可以直接相加，如10mW的输入功率（10dBm）放大20倍（13dB），输出功率：10×20=200mW