陳宇波,張照鋒,陳毅華,錢國明

(1.南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210003;2.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南京210023;3.江蘇省廣電有線信息網(wǎng)絡(luò)股份有限公司無錫分公司,江蘇 無錫 214000)

基于有線電視同軸電纜傳輸WiFi信號的設(shè)計與仿真*

陳宇波1,張照鋒2*,陳毅華3,錢國明1

(1.南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210003;2.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南京210023;3.江蘇省廣電有線信息網(wǎng)絡(luò)股份有限公司無錫分公司,江蘇 無錫 214000)

為了有效解決家庭WiFi信號傳輸不穩(wěn)定的問題,提出了基于有線電視同軸電纜傳輸WiFi信號的方案。通過測試無線信號在同軸電纜中的衰減性能,驗證了WiFi信號基于同軸電纜傳輸比在自由空間傳播有更好的傳輸性能。最后設(shè)計和仿真了有線電視信號和WiFi信號的混合分配電路,經(jīng)過實際測試,驗證了其在一般家庭布線下傳輸?shù)倪m用性和可靠性。

WiFi;同軸電纜;傳輸特性;混合分配電路

現(xiàn)今WiFi已經(jīng)成為無線通信不可或缺的一部分,其傳輸性能與質(zhì)量顯得尤為重要。在家庭室內(nèi)環(huán)境下,路由器發(fā)射出的無線信號要經(jīng)過相當(dāng)一段距離才能傳到電腦或手機終端,信號還要因為墻壁或天花板而大幅衰減,這導(dǎo)致終端接收到的無線信號的質(zhì)量得不到保證,經(jīng)常會出現(xiàn)網(wǎng)速不穩(wěn)定甚至信號時斷時續(xù)的情況[1-3]。在WLAN建設(shè)中,經(jīng)常會遇到業(yè)主協(xié)調(diào)或布線困難等情況,給WLAN室內(nèi)覆蓋的發(fā)展與建設(shè)帶來了很多問題。就目前來看,同軸電纜有線電視網(wǎng)絡(luò)在我國有較高的普及率,即使是較為偏遠的地區(qū)都通有同軸電纜網(wǎng),而且其有很寬的傳輸帶寬?？紤]到同軸電纜的這些特點,將WLAN信號饋入同軸電纜,接入家庭用戶,這不僅解決了以往建設(shè)WLAN網(wǎng)絡(luò)中遇到的困難,還充分發(fā)揮了同軸電纜的優(yōu)勢。且由于是在原有的同軸電纜網(wǎng)上進行改造,施工簡單,無須現(xiàn)場勘測即可制定方案。雖然傳統(tǒng)觀點認為,有線電視網(wǎng)絡(luò)同軸電纜只適用于1 000 MHz以下信號的傳輸,對于超出這個頻率的信號,同軸電纜衰減太大。然而,在一定的應(yīng)用環(huán)境和條件下,與自由空間相比,同軸電纜傳輸頻率在1 GHz以上信號的優(yōu)勢依然十分突出[4]。

1 同軸電纜上的無線網(wǎng)絡(luò)簡介

同軸電纜上的無線網(wǎng)絡(luò),即WOC(WLAN Over Cable)。其基本原理是將有線電視信號和WiFi信號在同軸電纜的不同頻段,通過在網(wǎng)絡(luò)側(cè)增加混合分配器,進行有線電視信號和無線網(wǎng)絡(luò)信號的合路傳輸并在用戶端分離使用。

從傳輸角度看,WOC是一套802.11b/g/n 無線網(wǎng)絡(luò)的天線延伸系統(tǒng)。AP位于機頂盒WiFi模塊,在這里WLAN和CATV信號混合后一起輸入到現(xiàn)有的同軸線路,利用同軸電纜在全屏蔽無干擾下直接輸送到用戶房間內(nèi),最后通過WOC面板(分離器)將信號分開,實現(xiàn)房間內(nèi)優(yōu)質(zhì)無干擾無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和電視功能。

WOC可以理解為EOC(Ethernet Over Cable,同軸電纜上的以太網(wǎng))中的一種接入技術(shù)[5]。其實現(xiàn)方式通常有兩種,標(biāo)準(zhǔn)2.4 GHz WiFi和降頻WiFi。其最大的區(qū)別是使用的頻段不同以及是否變頻,降頻WiFi實現(xiàn)方式較為復(fù)雜,且降頻到哪個頻段未標(biāo)準(zhǔn)化,容易造成兼容性差的問題,故本文主要介紹標(biāo)準(zhǔn)2.4 GHz WiFi。

圖1 WOC系統(tǒng)應(yīng)用場景

2 同軸電纜傳輸特性分析及性能測試

同軸電纜(Coaxial Cable)是指有兩個同心導(dǎo)體,而導(dǎo)體和屏蔽層又共用同一軸心的電纜[6]。

用傳輸線理論中微波等效電路的方法對同軸電纜的傳輸特性進行分析[7]。其傳輸常數(shù)為:

式中:R,L,G,C分別為傳輸線分布電阻,分布電感,分布電導(dǎo)和分布電容。α為衰減常數(shù),β為相移常數(shù)。本文主要研究信號在同軸電纜傳輸中的衰減,故主要關(guān)注衰減常數(shù)α。電纜總衰減計算式可由下式給出[8]。

式中:α導(dǎo)為導(dǎo)體損耗(dB/m),α介為介質(zhì)損耗(dB/m),d為內(nèi)導(dǎo)體有效外徑(mm),D為外導(dǎo)體有效內(nèi)徑(mm),k1為內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)皺紋系數(shù),k2為外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)皺紋系數(shù),Z0為線纜特性阻抗(Ω),f為信號頻率(MHz),εe為介質(zhì)介電常數(shù),tanδ介質(zhì)損耗角正切。

根據(jù)上述分析,可得普通75Ω同軸電纜的衰減常數(shù):

式中:l為傳輸距離。由于主要關(guān)注信號的衰減,故忽略了相移常數(shù)β。

通過MATLAB仿真WiFi信號通過同軸電纜的衰減情況。在MATLAB中產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)的OFDM調(diào)制的WiFi信號,如圖2所示。

圖2 2.4 GHz信號頻譜

圖3 衰減50 m信號頻譜

假設(shè)傳輸距離為50 m,根據(jù)前面給出的計算公式可得信號通過同軸電纜后的幅度譜,如圖3所示。

50 m頻帶內(nèi)衰減值約為27 dB?？煽闯?.4 GHz信號在同軸電纜中的傳輸性能比較優(yōu)越。

通過ADS的S參數(shù)仿真分析觀察信號在同軸電纜中的衰減性能。

S參量即散射參量,在射頻頻段內(nèi),網(wǎng)絡(luò)端口與外界連接的是各類傳輸線,端口上的場量由入射波和反射波疊加而成[9],散射參量采用入射行波和反射行波表征各網(wǎng)絡(luò)端口的相互關(guān)系。

同軸電纜的信道模型可等效為一個二端口網(wǎng)絡(luò)。設(shè)a1,a2為入射波,b1,b2為反射波。其相互關(guān)系為:

信號在同軸電纜中傳輸?shù)腟參數(shù)矩陣為:

編寫S參數(shù)文件并導(dǎo)入ADS的S參數(shù)仿真元件S2P,傳輸距離為50m,仿真頻段從直流一直到2.5GHz。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 50 m同軸線衰減圖

在2.4 GHz頻段處衰減了27 dB。

將WiFi信號在自由空間傳播與在同軸電纜中傳輸作比較。

電磁波在自由空間傳播的衰減公式為:

空間損耗=20lgf+20lgD+32.4其中f(MHz)為信號頻率,D(km)為傳輸距離。計算可得傳播50 m衰減值為74 dB。

由此可見相較于自由空間,2.4 GHz信號在同軸電纜中傳輸有較好的衰減性能。從信號的衰減方面來看,WiFi信號在有線電視同軸電纜中傳輸是完全可行的。

接下來進行同軸電纜衰減性能的實際測試,測試方案為將50 m長的同軸電纜兩端通過阻抗轉(zhuǎn)換器分別接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀信號源端和接收端,觀察信號通過同軸電纜的散射參量S21,由此測試同軸電纜的衰減性能。

本次測試所使用的電纜是SYWV-75 Ω同軸線,測試儀器為ROHDE&SCHWARZ ZVA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。測試環(huán)境如圖5所示。

圖5 衰減性能測試環(huán)境

可得其S曲線圖如圖6所示。

圖6 傳輸50 m的S曲線

從測試結(jié)果看,50 m同軸線在2.4 GHz頻段衰減了大約30 dB,比理論分析值高出3 dB,測試結(jié)果較為理想。與在自由空間傳播50 m衰減74 dB相比,同軸電纜的傳輸性能要優(yōu)越很多。

3 設(shè)計關(guān)鍵點

研發(fā)的關(guān)鍵是設(shè)計一種基于同軸電纜傳輸?shù)挠芯€電視信號和WLAN信號的混合分配電路并替換原有的有線電視分支分配器,這樣可以在原有的有線電視布線的基礎(chǔ)上進行無線信號的傳輸。圖7為信號混合分配電路的電路結(jié)構(gòu)。

圖7 電路功能結(jié)構(gòu)

圖8 信號混合分配電路電路的基本設(shè)計完成后對其進行S參數(shù)仿真。

因為設(shè)計出來的電路是要利用現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)進行傳輸,所以設(shè)計的依據(jù)就是在現(xiàn)有的有線電路用的器件進行相關(guān)設(shè)計以達到功能要求。圖8為信號混合分配電路的基本思想。

電路的基本設(shè)計完成后對其進行S參數(shù)仿真。有線電視信號頻率在1 GHz以下,WLAN信號則處于2.4 GHz頻段。由圖9可知,此設(shè)計的電路信號通過性良好,并且基本將CATV信號與WLAN信號分隔開,避免了相互干擾。完成了兩種不同頻段信號的混合分配功能。圖8為二進一出或一進二處的電路結(jié)構(gòu),具體設(shè)計二分四,二分八等電路只需稍作改變,在此不做贅述。

圖9 電路S參數(shù)曲線

4 器件傳輸損耗測試

最后進行混合/分配器及分離面板的傳輸損耗測試。本次測試選取二進四出合路器,信號分離面板作為待測器件。測試儀器為N9020A頻譜儀,E4438C矢量信號發(fā)生器。

首先在PC端用波形生成軟件WLAN N7617B生成一個標(biāo)準(zhǔn)的802.11無線信號。將生成的信號下載到矢量信號發(fā)生器。并通過待測器件傳輸至頻譜儀。

同時考慮到802.11標(biāo)準(zhǔn)的特點,分別對802.11n 20 MHz、802.11n 40 MHz進行測試,并在每種方案中選擇調(diào)制方式為64QAM,16QAM,QPSK,BPSK的速率各一種作為代表。同時,在測量的過程中注意觀察輸入信號的功率大小,盡量避免因功率過大而導(dǎo)致EMV不達標(biāo)、星座圖混亂的情況。

圖10 傳輸損耗測試環(huán)境

圖11 802.11信號頻譜

具體測試結(jié)果如表1與表2所示。

表1 二進四出合路器損耗測試

表2 信號分離面板損耗測試

一臺普通無線路由器的發(fā)射功率一般為25 dBm～40 dBm,當(dāng)WiFi接收信號的強度超過-60 dBm時,相應(yīng)的連接速率、吞吐量和延時等指標(biāo)與通過網(wǎng)線接入較為接近[10]。所以一般把-60 dBm當(dāng)作信號高品質(zhì)覆蓋的零界點。從上述測試結(jié)果可知,在不同調(diào)制方式下混合分配器對WiFi信號的衰減為10 dB～13 dB,信號分離面板的衰減為2.5 dB～5.5 dB,再加上同軸電纜的傳輸損耗(普通家庭布線一般在5 m～15 m,損耗3 dB～8 dB)。即使考慮大戶型信號分配數(shù)增多及布線加長的情況下,加上房間內(nèi)空氣傳播的損耗(約為50 dB),接受信號功率仍超過-60 dBm,性能比較優(yōu)越。

5 結(jié)束語

本文提出了同軸電纜上的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),通過理論分析以及實際測試2.4 GHz無線信號在同軸電纜中的傳輸性能,驗證了WiFi信號在有線電視同軸電纜中傳輸?shù)目尚行?并設(shè)計、仿真、測試了有線電視信號與WiFi信號的混合分配/分離電路,結(jié)果表明該電路可以達到對 CATV/WiFi信號的有效混合和分配,傳輸性能可靠。這將解決現(xiàn)有家庭無線網(wǎng)絡(luò)信號傳輸不穩(wěn)定的問題,改善室內(nèi)通信質(zhì)量。

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Design and Simulation of WiFi Signal Transmission Based on TV Coaxial Cable*

CHENYubo1,ZHANGZhaofeng2*,CHENYihuang2,QIANGuoming1

(1.Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China;2.Nanjing College of Information Technology,Nanjing 210023,China;3.Jiangsu Broadcasting Cable Information Network Corp,Ltd. Wuxi Branch,Wuxi Jiangsu 214000,China)

In order to effectively solve the instable problem of wireless signal transmission in modern architecture,this paper proposed the scheme of using coaxial cable to transmit 2.4 GHz wireless signal. The better transmission performance of WiFi signal in coaxial cable is verified by testing the attenuation performance of 2.4 GHz signal spreading in coaxial cable.In the end,the hybrid and distribution circuit of CATV signal and WiFi signal is designed and simulated. Through actual measurement,the applicability and reliability in transmission of the circuit under the traditional home wiring is verified.

WiFi;coaxial cable;transmission characteristics;hybrid and distribution circuit

項目來源:江蘇廣電無錫分公司W(wǎng)OC無線覆蓋系統(tǒng)項目

2016-04-28 修改日期:2016-06-07

TN913

A

1005-9490(2017)03-0717-05

C:8310

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.040