为什么无线电信号不会一直相互干扰?

电器工程 射频 无线的 干涉
2022-01-30 14:24:03

我是无线技术的新手,我正在尝试了解它们是如何工作的。

我不明白的一件事是:为什么来自不同设备的传输不会一直相互干扰?

例如,我住在人口稠密的大都市地区。我的桌子上有一个路由器,一台笔记本电脑通过 WiFi 连接到它。我敢打赌,在我周围 100 米半径范围内,至少还有 100 多台路由器,以及至少 200 多台设备(笔记本电脑或手机)连接到上述路由器。他们都在同时相互交流。我不起眼的笔记本电脑和不起眼的路由器如何互相发送消息?当我的路由器发送消息时,我的笔记本电脑如何从这些频率上的所有噪音中接收到它?

这个问题也适用于电话网络。当附近有 500 部电话与同一个塔进行通信时,一部电话如何可靠地与其塔进行通信?他们怎么知道哪些数据属于哪部手机?

谢谢满足我的好奇心!

4个回答

哦,但他们确实干扰!

有几种机制允许通过提到的各种无线电源共享电波 - 关键字是多路复用,具有各种风格。

  1. 频段:不同的射频设备使用不同的“频段”频率,通常由相关地方当局(例如 FCC 或 ITU)分配和管理。这被称为频谱分配,并因国家而异,具有一些广泛的总体趋势。接收器被调谐为仅接收和放大感兴趣频带内的那些信号,从而衰减其余的无线电频率。这就是频率复用
    例子

    • GPS 卫星在 1.57542 GHz (L1) 和 1.2276 GHz (L2) 频段上与民用 GPS 手机通信。
    • WiFi / 无线 LAN 设备通常使用 2.4 GHz 和 5 GHz 频段,但在某些地区/用途中也分配了一些其他设备。
    • 一些 RFID 设备使用 13.56 MHz 频段
    • FM 广播娱乐频道通常使用 87.5 至 108.0 MHz 频段(欧洲、非洲、印度)或该范围附近的变化,例如日本的 76 至 90 MHz。
  2. 频段内的频道:在上述频段内,单个传输/设备使用明显更窄的频道或频率范围,通常在它们之间留有未使用的“保护频带”以减少干扰或避开传统频道。此外,还使用了动态频率选择 (DFS) 等机制,例如 5 GHz 频段 WiFi 设备,以便在观察到干扰时优雅地自动切换频道。
    因此,从上面的 2.4 GHz 示例中,WiFi 设备可以配置为 11 个(在某些国家/地区为 14 个)通道中的任何一个,从 2412 MHz 的中心频率开始,相邻通道之间有 5 MHz,因此是 2417、2422 等等在。因此,如果您邻居的 WiFi 路由器明显干扰您的路由器,您可以随时切换到另一个活动较少的频道。

  3. 空间分集:只要两个射频源在地理上相对于每个设备的发射功率充分分离,干扰就微不足道。每个频段允许的最大无线电发射功率也由频谱监管机构监管,并且通常是单独许可的。
    因此,即使建筑物中的两个蓝牙耳机使用相同的频道,只要它们在物理上足够分离,因为每个耳机的无线电传输功率相当低,就不会注意到射频干扰。

  4. 码分复用- 跳频/扩频传输:某些类型的通信设备使用动态改变的频率,甚至跨频率范围的扩频传输,以避免受到干扰的干扰。最熟悉的此类应用可能是CDMA 蜂窝服务
    即使在此类技术中出现一些干扰,该机制的性质也提供了足够的端到端吞吐量以维持有效的通信。
  5. 时分复用:在任何给定的通信“通道”中(不仅是射频,它同样适用于铜缆或光纤,例如),存在给定数量的符号传输容量 - 在最简单的二进制级别上,可能每秒可以传输尽可能多的“开”和“关”位,而正交相移键控等技术增加了这种容量“密度”流形。因此,传输设备可以很容易地在时间块中使用信道,或者通过“鼓主”节拍时间并为每个请求设备分配单独的时隙,或者通过某种形式的智能无政府状态,例如碰撞检测和重传(例如经典以太网 CSMA-CD)。
  6. 更奇特的方法,例如偏振复用:这些方法最常用于光纤通信,但也广泛部署在点对点无线电通信中。在这种通道分离形式中,可以想象每个电磁“光束”在传输时被极化到特定方向。在远端,适当极化的接收天线解复用或区分不同极化的信号,从而允许多个空间重合的无线电通信信道。

以上绝不是关于各种射频设备如何共存的全面论述,但如果需要,它应该提供足够的关键字以供进一步搜索。

使用了许多技术,通常结合使用。

  • 可用频谱被划分为大量频段,每个频段都可以独立发送和接收。这就是广播电台和您的 WiFi 可以不受其他(附近)广播电台和 WiFi 设备干扰的方式。(频分复用)

  • 手机不叫 CELL 手机:每个手机塔都覆盖一小块区域(它是手机)。相邻小区不使用相同的频率,但距离稍远的小区使用相同的频率。因此,一小组频率可以覆盖广阔的区域而不受干扰。(空分复用)

  • 一个手机信号塔可以通过按顺序与每个手机通话,从而为许多手机提供服务(同样您的 WiFi 设备也可以为很多无线计算机提供服务)。有无数聪明的方案来同步这样的谈话。(时分复用)

  • 手机信号塔可以同时以相同的频率向大量手机发送不同的消息,方法是使用手机唯一的键序列对每条消息进行异或运算,然后发送所有消息的总和。(码分复用)

这是一个简单的答案,适合那些将自己描述为电台新手的人

想象一下无线电频谱是您播放的高保真音乐。如果你有一个图形均衡器,你可以对音频的音调做一些淫秽的事情,比如只增强 1kHz 的东西 - 将 1kHz 控制滑动到最大并将所有其他控制降低到最小 - 这就是收音机如何将自己调谐到一个传输并排除(大部分)所有其他乐队。

不同的电台可能只需要您增强(例如)500Hz,因此您将 500Hz 控件滑动到最大值并将所有其他控件降低到最小值 - 您听到的只是大约 500Hz 左右的音调。

收音机被分配了要发射的频段,它们有不同的频率,所以很容易调到你想要的电台。

Wi-fi 设备都使用不同的频段——当新设备“加入”wifi 路由器时有逻辑规则——它被分配了自己的频段。与手机等相同。

您还必须记住,路由器的功率输出是有意限制的,因此其范围会导致对其他路由器的“串扰”有限。这对于所有像这样的无线电设备都是一样的。实际上有数百个(可能是数千个)可用通道,如果每个设备传输的功率太高,系统将无法运行。

这真的有点像金发姑娘——考虑到设备的平均移动性和给定“单元”中的设备数量的限制,它恰到好处。

反 R 平方定律来拯救。远离源的信号强度与R成正比1/R^2当您远离它时,声音或 WiFi 信号会迅速衰减。

所以考虑人们在聚会上交谈。您可以很好地听到您面前的人,除非噪音水平非常高,否则您可能可以与他们交谈而不会感到困惑。你可能会被一两米外大声说话的人分心;您可能需要偶尔让您的对话伙伴重复几个单词或一个句子。但你大多只听到房间其他地方的人说话的低级嗡嗡声,而且对你自己的谈话几乎没有太大影响。