IEEE 802.11 定义的 RSSI、噪声和 SNR 的单位是什么?

电器工程 噪音 无线上网 信噪比
2022-01-27 09:38:59

我是一名计算机科学专业的毕业生,但令我感到羞耻的是,我对电气工程,尤其是天线理论的了解非常有限。

据我了解,RSSI 决定了测量者如何“听到”被测量对象的质量。噪声决定了影响测量仪的环境条件。而 SNR 就是 RSSI 比 Noise 好多少。这个理论(假设我的基础知识正确)只提出了一个问题:

  • 单个固定测量仪如何同时确定 RSSI 和噪声?

现在进行一些练习。假设测量器是我的 Macbook Air 运行内置无线诊断工具。被测量的对象是我的 WiFi 路由器。RSSI 的观测值为 -60 dBm,噪声的观测值为 -92 dBm。因此 SNR 为 32 dB。我完全无法理解的是:

  • 为什么两个值都是负数并以dBm 为单位测量?

据我了解,-60 dBm 表示 10 -9 W,而 -92 dBm 表示 10 -12 W。但谁辐射了这个功率?也许该理论将噪声表示为另一个“天线”?但是为什么它的价值那么小呢?或者我在这里错过了一些非常关键的点?我会感谢对这些东西的直观解释。

3个回答

“单个固定测量仪怎么可能同时确定 RSSI 和噪声?” - 很好的问题。他们所说的噪声是接收器噪声,而不是干扰信号。在非常低的功率下,噪声主要是接收器的热噪声:即,如果您要断开天线并用 50 欧姆负载替换它(大多数射频系统是 50 欧姆),您将测量到一定程度的噪声。因此,即使您拥有所有理想组件,您的噪声功率也将是 P = k*T*B*G,其中 k 是玻尔兹曼常数,T 是以 K 为单位的温度,B 是以 Hz 为单位的带宽,而 G 是您的系统的增益。实际上,每个组件都会添加由其噪声系数指定的噪声(在每个 RF 组件的数据表中列出)。如果您再次查看噪声功率方程,您会发现通过降低带宽,你也减少了噪音。但是,高数据速率需要高带宽,这就解释了为什么需要良好的 SNR 来实现高数据速率。

“为什么两个值都是负数并以 dBm 为单位测量” - 0 dBm 表示功率为 1 mW。-20 dbm 表示功率为 0.01 mW。负号表示低于0 dBm 的 dB 数。如果没有减号,它会高于0 dBm

“但是谁散发出那种力量呢?” - 在噪声的情况下,它是内部的,在信号的情况下,是发射器。不过,基本上没关系。

“可是为什么它的价值那么小呢?” - 它来自所谓的弗里斯传输公式。因此,通过几个简化,想象一下我的发射天线在各个方向各向同性地辐射功率。因此,您的功率均匀分布在半径为 r 的球体表面(表面积为 4*pi*r^2),其中 r 是与发射天线的距离。在想象中,您的接收天线约为 1 m^2,它可以捕获所有到达其表面的辐射。现在,它只能捕获所有辐射的 1/(4*pi*r^2),使得接收功率非常小,射频工程成为一个复杂的领域:)。这是一个非常随意的解释,但我希望它是有道理的

它们是负面的,因为它们真的很小。dB 刻度是对数刻度,0 dBm 以 1 mW 为参考。负值较小,正值较大。就像你说的 -60 dBm 是 1 纳瓦,-90 dBm 是 1 皮瓦。我实际上不确定噪声测量是从哪里来的。无线电接收器确实会在内部产生一些噪声,这会阻止它接收任意小的信号,这仅仅是因为接收器的构建方式。它包含大量弹跳并产生噪声的电子,并且它不是绝对为零,因此物体会四处摆动并产生热噪声。想想 1 皮瓦有多小。它比标准的 100 瓦灯泡小 100 万亿倍。

噪声系数可能以某种方式代表相邻通道上的信号电平。您是否注意到噪声值完全不同,还是始终为 -92 dBm?如果它固定在 -92 dBm,那么这将被视为接收器的本底噪声,并且它无法接收在本底噪声之上没有足够余量的信号。在这种情况下,没有测量噪声电平,它只是接收器的一个特性。

如果噪声值发生变化,则可能是在没有 wifi 无线电发射时信道上的噪声测量值。在 wifi 系统中,网络中的所有节点在共享信道中以相同频率传输。当没有节点正在传输时,接收器可以测量信道上的信号电平,以测量背景环境噪声。频段中的噪音可能是由其他 wifi 网络、蓝牙设备、zigbee、工作在 2.4 GHz 的微波炉等引起的。

Friis 在开发接收功率的简单公式方面所做的工作对距离做出了基本假设——如果发射器和接收器距离很近,那么所有的赌注都将被取消。这被称为近场和标准方程: -

链路损耗 (dB) = \$ 32.45 + 20 log_{10}(F) + 20 log_{10}(D)\$

.....不能近距离工作,因为您并没有真正测量(或接收)真正的电磁波 - 您将拥有相互之间存在各种奇数相位角的 E 场和 H 场,而您'实际上会加载发射天线。在远场,(几个波长)你会得到这样的东西: -

在此处输入图像描述

一旦进入远场,EM 波的功率就会增加一倍。因此,将您的数字代入方程(其中 F 以 MHz 为单位,D 以公里为单位)我们在 300m 处得到:-

链路损耗 = 32.45 + 20log(wifi 为 2450)+ 20log(0.3) = 32.45dB + 67.8dB -10.5dB = 89.75dB。

这是一个自由空间链路损耗,作为粗略的指导,人们倾向于在这个数字上增加 30dB 来解释衰落余量,从而得到 119.8dB 的链路损耗。您的天线稍微向后移动以将其降低到大约 116dB,而您的 +30dBm 传输功率意味着在 300m 处您可能会收到:-

86分贝。

您的接收器需要更大的接收功率来获得更大的带宽(因为噪声功率与带宽成正比),另一个好的经验法则是所需的最小接收功率是 \$-154dBm + 10log_{10}(数据速率)dBm\$。

如果数据速率为 10Mbps,那么您的最小接收器功率为 -154dBm + 70dBm = 84dBm,我会说这非常接近。您可能希望在(例如)2.45m(10 个波长之外)处复制计算,以查看数字是否开始计算。

另请参阅我对这些的回答:-

如何知道(或估计)收发器的范围?

计算与 RSSI 的距离

山区环境中的长距离(~15 公里)低波特率无线通信(无 LOS)