WiFi通信系统简介

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WiFi（Wi-Fi），是Wi-Fi联盟的商标，也是一个基于IEEE 802.11标准的无线局域网（WLAN）技术。从1997年第一代IEEE 802.11标准发布至今，802.11标准经历了7个版本的演进，在Wi-Fi 6发布之前，Wi-Fi标准是通过从802.11b到802.11ac的版本号来标识的。随着Wi-Fi标准的演进，Wi-Fi联盟为了便于Wi-Fi用户和设备厂商轻松了解Wi-Fi标准，选择使用数字序号来对Wi-Fi重新命名。

WiFi遵循802.11协议

IEEE802.11系列常见协议

•11a: for 5GHz at up to 54 Mb/s

•11b: for 2.4GHz at up to 11 Mb/s

•11g: for 2.4GHz at up to 54 Mb/s

•11n: for 5GHz and 2.4GHz using MIMO at up to 600Mb/s

•11c: Bridge operation

•11d: International roaming

•11e: Quality of Service (QoS)

•11f: Inter-Access Point Protocol (IAPP)

•11h: spectrum protection for radar and satellites

•11i: security

•11j: for Japan

•11k: radio resource measurement

•11p: for vehicular environment

•11r: fast roaming

•11s: ESS mesh networking

•11T: wireless performance prediction

•11u: interworking with non-802 networks

•11v: WLAN management

•11w: protected management

•11y: 3650-3700 MHz in US

•11z: Direct Link Setup

802.11协议主要包括数据链路层和物理层。

数据链路层：决定如何传输数据与访问规则，采用冲突避免（CSMA/CA）机制控制对传输媒介的控制。MAC负责访问机制，分段，加密处理。

物理层：定义传送与接收的规则，主要为直接序列扩频物理层（DSSS）与正交频分复用物理层（OFDM）。PLCP(物理层汇聚协议）负责将MAC帧映射到传输媒介，PMD负责调制、编码转换为无线电波。

WiFi物理层采用两种方式：DSSS与OFDM

1）DSSS：用扩频技术提高抗干扰能力

直接序列扩频为一种扩频技术，信号经过扩频处理后，以数学转换方式将窄带输入信号平坦化，分布至较宽的频带。接收时，通过相关性将信号还原。直接序列扩频可以提高系统的抗窄带干扰能力。如下图所示。

2）OFDM：利用OFDM技术提高通信容量、减小多径效应影响

正交频分复用，将带宽分割成许多副载波片段。从每个信道取得编码以后使用快速傅里叶逆变换（IFFT）由每个子信道的振幅产生一个组合波形，OFDM接收机使用快速傅里叶变换（FFT）从所得到的波形中取得每个副载波的振幅。802.11g带宽为20MHz，有64个副载波，48个用于数据传输，12个用于降低邻道干扰，其余4个用于发送导频进行信道估计。

工作过程

协议：

WiFi频段属于ISM频段，多技术共存，干扰较多。

WiFi采用802.11协议，对信道进行侦听，使用CAMA/CA（载波监听多路访问及冲突检测）技术，

在发射前会侦听“安静”通道。

切换信道

对用户进行身份验证

发送过程

1.初始是Rx状态，若收到上层的PHY_TXSTART.req(TXVECTOR)信息，则PHY层转换到Tx Init状态

2.当成功转移到Tx Init状态后，下一个状态是Gen. Pream.状态，这一步是用来产生preamble的，这里同时PHY会向MAC层反PHY_TXSTART.confirm信息。

3.当转移到Encode SIGNAL状态后，这里是对preamble中的singal字段进行封装。

当接收到从MAC层发送过来的PHY_DATA.req之后，PHY转移到Encode Data状态，对数据进行发送，知道上层数据发送完毕，MAC层会传递来PHY_TXEND.req信息，若最终发送完成后，转移为Rx状态，并等待下一次传输。

接收过程

1.在Rx状态下，首先节点还是通过ED和CS的方式判断信道是否空闲，以及有没有对应的数据帧在信道中进行传输。

如果CS检测到的话，那么可能就存在一个数据帧，那么需要再次通过FD来确定是不是一个数据帧。

2.当FD识别到数据帧起始之后，转移入PMD Est.状态。

3.当成功解析到了SIGNAL字段之后，PHY层会对其数据字段的传输速率是否匹配进行判断，如果该速率是支持的话，那么转移至DATA Decode状态。

4.如果SINGAL字段解析成功，且速率匹配的话，那么就正常接收数据包，并反馈给MAC层PHY_RXSTART.ind信息，最终当数据接收完毕之后，反馈给上层PHY_RXEND.ind信息，然后回到初始状态。

不同速率下的灵敏度

来源：射频通信链

射频基础—驻波检测

当通信系统中的天线没有正确连接或者存在故障时，发射的射频能量可能会反射回来，形成驻波。如果驻波比过高，意味着反射能量较大，可能会损坏发射器（如功放）和其他通信设备。通过驻波检测，可以及时发现并解决这些问题，保护设备不受损害。VSWR和系统效率一个理想系统是从功率源100%地将能量传送到负载，这需要信号源阻抗、传输线及其它连接器的特征阻抗与负载阻抗精确匹配。由于理想的传输过程不存在干扰，信号交流电压在传输线两端保持相同。而在实际系统中，阻抗失配将会导致部分功率反射到信号源(如同一个回波)。反射引起叠加和相消干扰，从而在不同时间、不同距离在传输线上产生电压波峰、波谷。VSWR用于度量这些电压的变化，它是传输线上任何位置的最高电压与最低电压之比。由于理想系统中电压保持不变，其VSWR为1.0，通常表示为1:1。产生反射时，电压发生变化，VSWR会增大，例如，使VSWR达到1.2或1.2:1。具体实施正向和反向功率检测：通过计算输出端口中正向电压和反向电压之比来判断驻波状况。在功放和天线天线端口之间设置正向耦合器和反向耦合器。从耦合器输出的正向耦合信号和反向耦合信号分别经过衰减器衰减后进入检波器进行检波，其输出为电压信号，该VSWR值与系统设定的驻波告警门限值进行比较，实际VSWR大于驻波告警门限值则产生告警关闭功放，小于等于驻波告警门限值则视为正常。驻波检测中不可或缺的两个器件一个是耦合器耦合器的性能指标对电路设计的影响主要体现在以下几个方面：耦合度（Coupling）：耦合度描述了从输入端口到耦合端口的功率比值，通常以分贝（dB）表示。耦合度的大小直接影响电路中信号的分配和采样。在设计时，需要根据系统需求选择合适的耦合度，以确保信号的有效传输和采样。插入损耗（Insertion Loss, IL）：插入损耗指的是主路输出端与主路输入端的信号功率比值，包括耦合损耗和导体介质的热损耗等。插入损耗越小，表示信号在传输过程中的损耗越低，电路的效率越高。隔离度（Isolation）：隔离度描述了主路输入端口与耦合支路隔离端口之间的关系，理想情况下，隔离端口无信号输出，隔离度为无穷大。高隔离度有助于减少信号干扰，提高电路的性能和可靠性。方向性（Directivity）：方向性是定向耦合器的重要指标，它描述了耦合器在发射系统中辨别入射波和反射波的能力。方向性越高，表示耦合器对信号方向的分辨能力越强，这对于信号的准确测量和处理非常重要。输入驻波比（Input VSWR）：输入驻波比是衡量电路匹配程度的指标，它反映了信号在输入端口的反射情况。一个好的匹配可以减少信号反射，提高能量传输效率。工作带宽（Operating Bandwidth）：工作带宽指定向耦合器的上述参数（如耦合度、隔离度、方向性等）均满足要求时的工作频率范围。设计时需要确保耦合器在系统的工作频率范围内能够正常工作。反射损耗（Reflection Loss, RL）：反射损耗与输入驻波比相关，它描述了信号在端口的反射程度。在电路设计中，需要考虑反射损耗以确保信号的有效传输。另一个关键器件是检波器信号经过检波器（通常是晶体二极管），从而得到依调幅波包络变化的脉动电流，再经过一个低通滤波器滤去高频成分，就得到反映调幅波包络的调制信号。在功放输出端检波器更多的是关注检波的包络形态-峰值检波还是均值检波。而在接收机更多的是关注检波器的动态范围。驻波检测的框图框图一：框图二：来源：射频通信链