地滤除不期望的干扰信号，所以目前大多数射频系统都选
择采用这个范围的频段。
7 无线电频段的划分和无线电波段的划分相对应。各个
国家和地区对无线电设备使用的频段、特定应用环境下的
发射功率等作了严格的规定。中国无线电管理机构对无线 电频段的划分如所示。
8 表2-1 频段划分及主要用途
频 段 甚低频 低频 中频 高频 甚高频 超高频 特高频 极高频 符 号 VLF LF MF HF 频 率 3～30 kHz 30～300 kHz 0.3～3 MHz 3～30 MHz 波 段 超长波 长波 中波 短波 米波 分米波 厘米波 毫米波 波 长 100～10 km 10～1 km 1000～100 m 100～10 m 10～1 m 1～0.1 m 10～1 cm 10～1 mm 传播特性 空间波为主 地波为主 地波与天波 天波与地波 空间波 空间波 空间波 空间波 主要用途 对潜通信 对潜通信 通用业务，无线电广播 远距离短波通信 空间飞行器通信 微波通信 卫星通信 波导通信
在d > 40 m时n取12。
1 m d 10 m 20lg d d 20 30lg 10 m d 20 m 10 L Lfs d 29 60lg 20 m d 40 m 20 47 120lg d d 40 m 40
例如：在电阻一类的导体中自由电子的热运动和散弹噪声
及电源噪声等。 最简单的加性噪声信道数学模型如图2-4所示。
28 这是目前通信系统分析和设计中主要应用的信道模型，
其中s(t)为传输信号，n(t)为噪声，为信道中的衰减因子，
接收到的信号为
r (t ) as(t ) n(t )
(2-8)
29 2.3.4 实际环境信道
1
第2 章 物 理 层
2.1 概述 2.2 频率分配 2.3 通信信道 2.4 调制与解调
2.5 物理层设计
2.6 非理想特性
2.7 射频前端分析
小结
2 本章目标
理解频率分配。
掌握通信信道的概念。 理解信号的调制与解调。
理解物理层的帧结构。
理解物理层的功能和服务原语。 了解物理层的非理想特性。
的形式在空间传播。无线传感器网络物理层主要采用无线
信道。
13 2.3.1 自由空间信道
自由空间信道是一种理想的无线信道，它是无阻挡、
无衰落、非时变的自由空间传播信道，如图2-1所示。
14
图2-1 自由空间信道模型
15 自由空间信道模型，假定A点是信号的发射源，B点是
接收机，d是发射源与接收机之间的距离，信号发射源的天
示为
PG t 1G2 Pr (W) La Lfs
(2-6)
19 收、发天线之间的损耗L可以表示为
Pt La Lfs L Pr G1G2
(2-7)
20 2.3.2 多径信道
多径传播是指无线电波在传播时，通过两个以上不同
长度的路径到达接收点，接收天线检测的信号是几个不同 路径传来的电磁强度之和，如图2-2所示。
与接收，是决定WSN节点体积、成本以及能耗的关键因素， 是无线传感器网络协议性能的决定因素。
5 本章主要研究物理层的一些关键问题，并进行节能优
化的探讨，所以本章首先介绍无线通信的基础知识：频段
的划分、无线信道的调制解调，然后对物理层帧结构和射 频前端低功耗性能进行深入的分析。
6
2.2 频率分配
在无线通信系统中，频率波段的选择非常重要。由于6 GHz以下频段的波形可以进行很好的整形处理，能较容易
38 1. ASK调制
ASK调制电路结构图如图2-5所示，其中S(t)为载波，
d(t)为数字信号。这种调制方式最大的特点是结构简单、易 于实现。
ASK的调制波形即为载波S(t)与数字信号d(t)的乘积，
其调制波形图如图2-6所示。
39
图2-6 ASK调制波形图
40 2. FSK调制
FSK是信息传输中使用较早的一种调制方式。它的主
21
图2-2 无线多径传输示意图
22 在无线通信领域，多径是指无线电信号传输过程中会
遇到障碍物的阻挡，从发射天线经过几个路径抵达接收天
线的传播现象(这种现象多出现在分米波、厘米波和毫米波 段)，例如楼房或者高大的建筑物、山丘等，对电波产生反
射、折射或者衍射等，如图2-3所示。
23
图2-3 造成多径传播的原因
了解射频前端低功耗设计。
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4
2.1 概述
WSN协议栈的五层模型，分别对应OSI参考模型的物
理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。OSI的物理
层为设备之间的数据通信提供传输媒质及互联设备，为数 据的传输提供可靠的环境。WSN的物理层主要负责传输媒
质的选择、频段的选择、数据的调制与解调及数据的发送
很多不同的具体形式，如基于ASK变形的正交载波调制技 术、单边带技术、残留边带技术和部分响应技术等；基于
FSK的CPFSK(连续相位)与NCPFSK(非连续相位调制)以及
基于PSK的多相PSK调制等。
36 调制的基本原理是用数字信号对载波的不同参量进行
调制，即
S (t ) A cos(w t )
VHF 30～300 MHz UHF 0.3～3 GHz SHF EHF 3～30 GHz 30～300 GHz
9 无线传感器网络在频段的选择上也必须按照相关的规
定来使用。目前，无线传感器网络节点基本上都采用
ISM(工业、科学、医学)波段。ISM频段是对所有无线电系 统都开放的频段，发射功率要求在1W以下，无需任何许可
(2-12)
载波S(t)的参量包括幅度A、频率w和初相位，调制就
是要使A、 w或随数字基带信号的变化而变化。其中， ASK调制方式是用载波的两个不同振幅表示0和1；FSK调
制方式是用载波的两个不同频率表示0和1；PSK调制方式
是用载波的起始相位变化表示0和1。
37
图2-5 ASK调制电路结构图
如发射天线在某方向的增益为G1，则在该方向的功率密度 增加G1倍。在1中相距A点d处单位面积接收功率可表示为
PG 2 t 1 (W/m ) 2 4πd
。
对于接收天线，增益可以理解为天线接收定向电波功 率的能力，接收天线的增益G2与有效面积Ae和工作的电磁 波长有关，接收天线增益与天线有效面积Ae的关系为
S (t ) A(t )sin[2πf (t ) (t )]
(2-11)
34 式中，正弦波S(t)为载波，基于正弦波的调制技术即对其参
数幅度A(t)、频率f (t)和相位进行相应的调整，分别对应调
制方式的幅度调制(AM)、频率调制(FM)和相位调制(PM)。 由于模拟调制自身的功耗较大且抗干扰能力及灵活性差，
11 尽管频段的选择由很多因素决定，但对于无线传感器
网络来说，必须根据实际应用场合来选择。因为频率的选
择决定了无线传感器网络节点的天线尺寸、电感的集成度 以及节点功耗。
12
2.3 通信信道
信道是信号传输的媒质。通信信道包括有线信道和无
线信道。有线信道包括同轴电缆、光纤等。无线信道是无 线通信发送端和接收端之间通路的形象说法，它以电磁波
人为噪声：来源于人类活动造成的其他信号源。例
如：外台信号、开关接触噪声、工业的点火辐射即荧光灯 干扰等。
26
图2-4 加性噪声信道数学模型
27 自然噪声：来源于自然界存在的各种电磁波源。例
如：闪电、大气中的电暴、银河系噪声及其他各种宇宙噪
声等。 内部噪声：来源于系统设备本身产生的各种噪声。
(2-10)
31
2.4 调制与解调
调制与解调是为了能够在可容忍的天线长度内实现远 距离的无线信息传输，在通信系统中占有重要地位。调制
与解调是通过射频前端(详见2.7节)的调制解调器实现的。
本节详细介绍了模拟调制、数字调制、无需载波的UWB通 信技术以及扩频通信技术。
32 2.4.1 模拟调制
模拟调制作用的实质是把各种信号的频谱搬移，使它
24 对于无线传感器网络来说，其通信大都是以节点间短
距离、低功耗传输，且一般离地面较近，所以对于一般的
场景(如走廊)，可以认为它主要存在三种路径，即障碍物 的反射、直射以及地面反射。
因为多径传播的不同路径到达的电磁波射线相位不一
致，引起信号在信道中传输时变形(多径信道)，导致接收 信号呈衰落状态(衰落或者相移)，使信号产生误码，所以
要优点是实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能比较好， 因此在中低速数据传输中得到了广泛的应用。
FSK是利用两个不同F1和F2的振荡源(即载波F1和载波
们互不重叠地占据不同的频率范围，即信号分别依托于不 同频率的载波，接收机可以分离出所需频率的信号，避免
互相干扰。
33 模拟调制的目的：
信道传输频率特征的需要。
实现信道复用。 改善系统的抗噪声性能，或通过调制来提高系统频
带的利用率。
采用不同的调制技术对系统性能将产生很大的影响。 以一个简单的正弦波S(t)为例：
17
Ae
2G2
4π
(2-2)
则与发射机相距d的接收机接收到的信号载波功率为
PG t 1A e Pr (W) 2 4πd
将式(2-1)代入式(2-3)中得
2 PG G PG t 1 2 t 1G2 Pr (W) 2 2 4πd 4π (4πd / ) 令 Lfs (4πd / )2，那么式(2-4)可以变形为
(2-3)
(2-4)
PG t 1G2 Pr (W) Lfs
(2-5)
18 这就是著名的Friis传输公式，它表明了接收天线的接