路由器2.4G的射频信号是怎么产生的？

无线路由器信号传输

无线电发射机输出的射频信号,通过馈线(电缆)输送到天线,由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后,由天线接收下来(仅仅接收很小很小一部分功率),并通过馈线送到无线电接收机。因此在无线网络的工程中,计算发射装置的发射功率与天线的辐射能力非常重要。在无线网络环境中,天线可以达到增强无线信号的目的,因此我们把它理解为无线信号的放大器。发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去,基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力,而根据方向性的不同,天线有全向和定向两种。

路由全向天线:在水平面上,辐射与接收无最大方向的天线称为全向天线。全向天线由于无方向性,所以多用在点对多点通信的中心台。比如想要在相邻的两幢楼之间建立无线连接,就可以选择这类天线。

定向天线:有一个或多个辐射与接收能力最大方向的天线称为定向天线。定向天线能量集中,增益相对全向天线要高,适合于远距离点对点通信,同时由于具有方向性,抗干扰能力比较强。比如一个小区里,需要横跨几幢楼建立无线连接时,就可以选择这类天线。

无线路由器天线与信号分析

说到无线产品很多用户最关注无线产品的信号,一般的无线路由器在空旷的环境下理论上有100米到300米的笼罩范围,,在办公的环境下有35米到100米笼罩范围。理论跟现实有点差别,一个无线路由器的无线覆盖范围不能统一确定,不同的无线产品有不同的范围。大家知道无线路由器都带有天线,主要目的是大幅增强信号的增益,增加传输距离。我们时常可以看到很多产品都有一根天线或多根天线,到底一根天线的发射信号范围广还是两根天线的发射信号范围广

一个无线ap的信号覆盖范围与很多因素有关。除了环境因素之外,还有路由器自身素质的因素,无线信号的发射功率和天线的发射功率是主导信号覆盖的两个因素。路由器天线的增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力,它是衡量天线性能好坏的重要参数之一。一般来说,增益的提高主要依靠减小垂直面辐射的波瓣宽度,而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要,因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围,或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程,增加天线的增益能同时减少双向系统增益余量。

天线根数与网络速度完全没关系,双天线只能减少覆盖范围内的盲点,并且双天线与三天线甚至多天线区别不大,只是覆盖上有一定的区别,但是在各模式下路由器的功率大小都是有限定的,也就是说,不管无线路由器有几根天线,只要是在80211这一标准下,就必须限定在这个功率之内,如果超过就是违反标准,产品就是不合格产品,不允许出售,且可能对人体有伤害。

　　解放军电子工程学院　焦传海　　将nRF9E5 UHF多段射频收发芯片应用于有源超高频(UHF)射频识别(RFID)系统中，给出了射频收发电路原理图和读写器设计框图及软件配，系统tOT作频率为433MHz

射频识别(Radio F requencyIdentification，RFID)技术是一种利用无线射频通信实现的非接触式自动识别技术，与目前广泛采用的条形码技术相比，RFID具有容量大、识别距离远、穿透能力强、抗污性强等特点。

RFID技术已经发展得比较成熟并获得了大规模商用，但超高频RFID技术相对滞后。本文分析了射频芯片nRF9E5的功能特性，并将其用于REID系统中，设计了一套有源超高频(UHF)RFID系统。

射频芯片的选取

目前，发展较为成熟的RFID系统主要是125kHz和13．56MHz系统，相应的RFID专用芯片也较多，主要有TI公司的S6700系列，NXP公司的MIFARE系列等。然而，用于UHFRFID的专用芯片却很少，TI公司和NXP公司虽然宣称已经量产符合Gen2的RFID芯片，但由于各种因素，还没能真正大量投入使用。再者，为了满足用户对远识别距离的要求，一般需使用有源UHF RFID系统，而目前有源UHF RFID专用芯片更是难觅其踪。所以，需要寻找一款适合超高频RFID且易于开发的低成本射频芯片，来设计有源UHF RFID系统。

随着集成电路产业的发展，8051内核已经被集成到各种片上系统(SoC)中，这些SoC具有更多的功能、更快的速度、更小的体积和功耗，同时可以继续使用8051MCU几十年来积累的各种应用软件资源，具有广阔的发展空间。许多国际知名公司，如TI、ATMEL、Chipcon、Nordic等都推出了各种兼容8051内核的新一代短距离无线通信芯片，Chipcon在2006年初被TI公司所收购。通过分析比较发现，Chipcon公司的CCl010和Nordic公司的nRF9E5都可用于UHFRFID系统，而nRF9E5体积更小、成本更低，且具有一些独特的功能。

nRF9E5功能分析

・结构组成

nRF9E5内嵌805 1兼容微控制器、RF收发器和4通道10位A／D转换器，其功能结构如图1所示。

nRF9E 5的片内微控制器与标准805l兼容，指令时序与标准8051稍有区别。中断控制器支持5个扩展中断源：ADC中断、SPI中断、唤醒中断和两个无线收发中断。此外，还扩展了两个数据指针，使得片外RAM存取数据更为方便。

nRF9E5内置收发器具有与单片射频收发器nRF905相同的功能，可通过片内MCU的并行口或SPI口与微控制器通信。收发器由频率合成器、功率放大器、调制器和接收单元组成。输出功率、频道和其他射频参数可通过对特殊功能寄存器RADIO编程进行控制。在发射模式(TX)下，最小工作电流仅为9mA(输出功率一10dBm)，接收(RX)模式下的工作电流为12．5mA，掉电模式下的工作电流仅为2．5μA。可见，nRF9E5的功耗很低，比较适宜应用到有源RFID系统中，以延长电池寿命。

・载波检测

载波检测是nRF9E5的一大特色功能。在ShockBurst接收方式下，当工作信道内有射频载波出现时，载波检测引脚(CD)被置高。也就是说，当收发器准备发送数据时，它首先进入接收模式并检测所工作的信道是否可以发送数据(信道是否空闲)，这是一种简单的传输前监听协议。载波检测的标准一般比灵敏度低5dB，比如，灵敏度为－100dBm，载波检测功能探测低至－105dBm的载波。这个特性很好地避免了同一工作频率下不同发射器数据包之间的碰撞，对于解决RFID系统中的碰撞问题很有帮助。

・ShockBurst工作模式

nRF9E5采用N0rdic公司的ShockBurst技术(自动处理前缀、地址和CRC)，实现低速数据输入，高速数据输出，从而降低了系统的平均功耗。在ShockBurst接收模式下，当收到一个有效地址的射频数据包时，地址匹配寄存器(AM)和数据就绪寄存器(DR)通知片内MCU把数据读出。在ShockBurst发送模式下，nRF905自动给要发送的数据加上前缀和CR C校验码。当数据发送完后，数据就绪寄存器(DR)会通知MCU数据已经处理完毕。当系统没有发送和接收任务时，将进入空闲方式。ShockBurst技术降低了MCU存储器需求，同时也缩短了软件开发时间。

有源UHF RFID系统设计

・硬件设计

电子标签和读写器是RFID系统中最重要的硬件组成部分，将nRF9E5芯片应用于有源UHF RFID系统(工作频率为433MHz)中，设计有源电子标签电路和读写器框图。

有源RFID系统中的电子标签是自带电池的，可以主动发送信号，而不像无源标签需要读写器发出的无线电波能量激活才能工作。nRF9E5具有小体积、低功耗、优越的电源管理方式和极少的外围器件等特点，非常适用于有源电子标签中。

图2是有源标签的基本框图，其中电池可采用普通的3V纽扣电池，图3是射频收发电路的原理图，ANTl和ANT2为天线连接引脚，采用PCB环形差分天线，可以进一步减小标签的体积。25320为EEPROM，在nRF9E5上电后，系统根据引导程序，把25320中的程序代码拷贝到nRF9E5的4KB RAM中。晶振工作频率为16MHz，为了得到精确的内部偏置电压，通常在引脚IREF和地之间接一个阻值为22k Q，误差为1％的电阻。

RFID读写器的任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其他相关信息传输到主机以供处理。读写器基本结构如图4所示，可以将读写器简化为控制系统和由射频收发器组成的射频模块两个基本的功能块。

控制系统通常采用ASIC组件和微处理器来实现，主要功能有：与应用系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发来的动作指令；控制与标签的通信过程；信号的编码与解码；执行防碰撞算法；对读写器和标签之间传送的数据进行加密和解密；进行读写器和标签之间的身份验证。射频模块的主要功能是：产生高频发射能量；对发射信号进行调制，用于将数据传输给标签；接收并解调来自标签的射频信号。

在所设计的系统中，读写器中的射频模块与有源标签中的射频模块电路类 本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 似，只是为了更有效地传输射频信号，采用单端连接的50Ω阻抗天线，需要在芯片天线连接引脚和天线之间加一个匹配网络，如图5所示。

控制系统中的微控制器可采用高性能的单片机或ARM处理器，数字处理单元可以采用DSP或FPGA进行设计，而RS-232串口、以太网口是为和PC提供更多的接口选择，这些内容很多文献已做了大量研究，这里不再详述。在本系统中，采用三星的ARM9$3C2440A作为微控制器，将Xilinx Spartan-3E系列FPGA XC3S500E用作数字处理单元。

・通信协议标准

由于读写器与标签之间的通信可能会受到其他数据终端或外界环境的干扰而发生错误，因此，需要通信协议来保证数据传输的可靠性。nRF9E5的协议格式参见表1，其中，前缀就是数据头，设备地址包括读写器地址和标签地址，CRC校验码可选为8位或16位。

目前生产RFID产品的很多公司都采用自己的协议标准，国际上还没有统一的标准。就发展趋势来看，对于超高频(UHF)RFID系统，ISO／IEC 18000-7(针对433MHz有源RFID系统)和EPCglobal Classl Gan2(针对860MHz ～960MHz无源RFID系统)协议标准，有望成为统一的国际标准。本文所设计的RFID系统通信协议依据ISO／IEC 18000-7协议标准。读写器到标签的通信数据格式参见表2，其中用户ID、标签ID和参数为可选项，由命令类型决定是否选用。标签到读写器广播式响应的通信数据格式参见表3。

・软件配置

在整个系统的软件设计中，无线射频数据的传输是最主要的部分。首先要对nRF9E5进行初始化配置，这可以通过设置RF配置寄存器来完成，配置内容包括工作频率、输出功率、自动重发功能、校验码长度等。部分代码如下。

＃define HFREQ_PLL　 0//0=433MHz，1=868／915MHz

#define PA_PWR 3 ／／0=最小功率，…，3＝最大功率

接define CRC_MODE　1//0=8位校验码，1=16位校验码

无线数据发送和接收的流程分别如图6和图7所示。图中TRX_CE为发送和接收使能寄存器位，DR为数据就绪寄存器位，AM为地址匹配寄存器位，AUTO_RETRAN为自动重发寄存器位。ShockBurst工作模式在前文已有介绍。

本系统防碰撞问题尚未完全解决，在实际应用中，需要重点考虑。除前文提到nRF9E5的载波检测功能外，还需要有专门的防碰撞算法。目前，用的较多的方法是ALOHA法和二进制树搜索算法，以及由它们改进发展得到的一系列算法，见参考文献5～7。

结束语

nRF9E5是目前外接元件需求最少的单片RF收发芯片之一，覆盖了国际上通用的ISM频段，具有很多优良的特性，适于构建各种无线数传通信平台，文中将其应用于RFID系统中，设计了一套有源UHF RFID系统，实验测试显示，最大通信距离近100米，有效识别距离超过20米。这只是初步尝试，更多工作需要深入研究，系统实用性有待于进一步验证。

IEEE推出802．16m标准　兼容WiMAX和4G

据美国电气电子工程学会(IEEE)最新公布的802．16无线宽带技术草案文本，该机构目前正在研究一项无线传输新标准――802．16m。据称新标准至少还需一到两年才能出台，IEEE的文件显示，使用该标准后，无线数据传输速率可达1Qb／s。事实上，802．16m是满足速率达1Gb／s的nomadic传输模式或高效强信号模式所必需的条件。

据报道，802．16m标准在快速移动状态下的传输速率可达1 OOMb／8。新标准之所以能达到以上速率，主要归功于MIMO(多输入多输出)技术，802．11g和802．11n标准路由器及接入节点目前已广泛采用MIMO技术。54Mb／s的路由器在采用了MIMO技术之后，理论传输速率可达108Mb／s。

IEEE委员会表示，802．16m标准不属于WiMAX标准，但可以在两标准之间建立一个共享平台。据称802．16m标准还可以兼容未来的4G标准网络，预计4G无线网络两到三年之后会在手机中得到应用。4G技术将以OFDMA标准为基础，到时目前的WCDMA和CDMA2000两项标准将不再使用。而IEEE表示，802．16m标准将兼容OFDMA技术。

802．16m标准将大大提高移动设备的数据传输速率，但IEEE打算首先将该技术应用于军事领域，然后才向民用市场全面推广。IEEE的一份有关802．16m标准的文件显示，应用于军事将有助于推动该项标准早日出炉。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。 本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文

射频（RF）是Radio Frequency的缩写，表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从300KHz～300GHz之间。

射频简称RF射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。

高频(大于10K)；射频（300K-300G）是高频的较高频段；微波频段（300M-300G）又是射频的较高频段。

扩展资料：

工作原理：

系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；

系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。

在耦合方式(电感-电磁)、通信流程(FDX、HDX、 SEQ)、从射频卡到阅读器的数据传输方法(负载调制、反向散射、高次谐波)以及频率范围等方面，不同的非接触传输方法有根本的区别，但所有的阅读器在功能原理上，以及由此决定的设计构造上都很相似，所有阅读器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块。

高频接口包含发送器和接收器，其功能包括：产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量；对发射信号进行调制， 用于将数据传送给射频卡；接收并解调来自射频卡的高频信号。不同射频识别系统的高频接口设计具有一些差异。

阅读器的控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与射频卡的通信过程(主-从原则)；信号的编解码。

对一些特殊的系统还有执行反碰撞算法，对射频卡与阅读器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和阅读器间的身份验证等附加功能。

无线射频识别系统的读写距离是一个很关键的参数。目前，长距离无线射频识别系统的价格还很贵，因此寻找提高其读写距离的方法很重要。

影响射频卡读写距离的因素包括天线工作频率、阅读器的 RF 输出功率、阅读器的接收灵敏度、射频卡的功耗、天线及谐振电路的 Q 值、 天线方向、 阅读器和射频卡的耦合度，以及射频卡本身获得的能量及发送信息的能量等。大多数系统的读取距离和写入距离是不同的，写入距离大约是读取距离的 40%～80%。

参考资料：