liwen01 2024.08.18

前言

無論是在產(chǎn)品開發(fā)還是在日常生活中，在使用無線網(wǎng)絡(luò)的時候，都會經(jīng)常遇到一些信號不好的問題，也會產(chǎn)生不少疑問：

1. 為什么我們在高速移動的高鐵上網(wǎng)絡(luò)會變慢？
2. 為什么 5G WiFi 的穿墻能力沒有 2.4G 的好？
3. 為什么在對 WiFi 進行 iperf 拉距測試的時候，每次測試數(shù)據(jù)都會有差異？
4. 為什么在路由器很多的環(huán)境，WiFi網(wǎng)絡(luò)會變慢？
5. 為什么在有些大型體育館，人少的時候網(wǎng)絡(luò)信號好，人多的時候網(wǎng)絡(luò)信號很差？
6. 為什么路由器放置在客廳上，遠離客廳的房間會信號不好？
7. 為什么藍牙，WiFi，微波爐之間會相互干擾？

要比較深入地去回答上面的這些問題，我們需要先回顧一下中學(xué)的物理知識，然后再對這些問題做解答。

(一)光的認識歷史

人類對自然光的認識歷史是一個循序漸進的過程，涉及哲學(xué)、物理學(xué)和人類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

(1) 公元前后

• 畢達哥拉斯學(xué)派 (約公元前500年) 認為光是從眼睛中發(fā)射出來的，照亮了周圍的物體。
• 柏拉圖和亞里士多德 (公元前4世紀) 提出了不同的光學(xué)理論，亞里士多德認為光是由物體發(fā)出的影響，通過某種媒介傳播到眼睛。
• 伊本·海賽姆(Alhazen, 公元965-1040年) 在他的《光學(xué)書》中提出光是以直線傳播的，并首次用實驗方法研究了光的反射和折射現(xiàn)象，奠定了光學(xué)的科學(xué)基礎(chǔ)。

(2) 光的本質(zhì)爭論

• 笛卡爾 (René Descartes, 1637年) 在《屈光學(xué)》中提出光的波動理論，認為光是通過“以太”這一假想介質(zhì)傳播的。
• 惠更斯 (Christiaan Huygens, 1678年) 提出了著名的波動理論，認為光是波動，并提出了惠更斯原理，用來解釋光的反射、折射和衍射現(xiàn)象。
• 牛頓 (Isaac Newton, 1704年) 提出了粒子理論，認為光是由微小的粒子組成的，光速在密度大的介質(zhì)中更快。他的理論成功解釋了直線傳播、反射和折射等現(xiàn)象，并通過棱鏡實驗發(fā)現(xiàn)了白光的色散現(xiàn)象。

(3) 波動理論與粒子理論的爭論

• 托馬斯·楊 (Thomas Young, 1801年) 通過雙縫干涉實驗證明了光的波動性，解釋了光的干涉現(xiàn)象，為波動理論提供了有力支持。
• 菲涅爾 (Augustin-Jean Fresnel, 1818年) 進一步發(fā)展了光的波動理論，提出了光的衍射和偏振理論。
• 麥克斯韋 (James Clerk Maxwell, 1864年) 通過麥克斯韋方程組，預(yù)言了電磁波的存在，并證明光是一種電磁波，具有波動性質(zhì)。這一理論統(tǒng)一了光學(xué)和電磁學(xué)，徹底確認了光的波動本質(zhì)。

(4) 光的雙重性

• 愛因斯坦 (Albert Einstein, 1905年) 通過研究光電效應(yīng)，提出光子理論，認為光既具有波動性，又具有粒子性(光子)，并成功解釋了光電效應(yīng)。這為光的量子理論奠定了基礎(chǔ)，并幫助他獲得了諾貝爾獎。
• 德布羅意 (Louis de Broglie, 1924年) 提出了波粒二象性，認為不僅光，所有的粒子都具有波動性和粒子性。這一理論進一步深化了對光的認識。

(5) 現(xiàn)代光學(xué)

• 量子電動力學(xué)(QED): 20世紀中期，量子電動力學(xué)理論的發(fā)展(由理查德·費曼、朱利安·施溫格、朝永振一郎等人推動)成功解釋了光與物質(zhì)的相互作用，徹底統(tǒng)一了光的波粒二象性。
• 激光的發(fā)明: 1960年，西奧多·梅曼(Theodore Maiman)成功發(fā)明了第一臺激光器，激光器利用了光的相干性，是光學(xué)史上的一個重要里程碑。
• 光學(xué)技術(shù)的發(fā)展: 現(xiàn)代光學(xué)廣泛應(yīng)用于通信(如光纖)、醫(yī)療(如激光手術(shù))、工業(yè)(如精密切割)、科學(xué)研究(如天文觀測)等各個領(lǐng)域。

從上面人類對光的認識歷史過程中我們可以知道：光是一種電磁波，它具有波粒二象性、直射、反射、折射、干涉、衍射、偏振、色散等特性

(二)電磁波的認識歷史

對電磁波的認識，可以拆開成 電 、 磁 、電磁波 三個方面來看

(1) 磁

• 公元前1000年的中國人知道了天然磁石的吸鐵特性，并將它用于指南針的制造，這應(yīng)該是最早對磁性的認識和使用。

(2) 電

• 18世紀本杰明·富蘭克林對電的本質(zhì)進行了實驗和研究，提出了“正電”和“負電”的概念。
• 1831年邁克爾·法拉第通過實驗發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即變化的磁場可以產(chǎn)生電流。這一發(fā)現(xiàn)進一步統(tǒng)一了電和磁的概念。

(3) 電磁波

• 1864年詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)提出了麥克斯韋方程組，從理論上系統(tǒng)地描述了電磁場的性質(zhì)，預(yù)言了電磁波的存在。
• 1887年德國物理學(xué)家海因里希·赫茲(Heinrich Hertz)通過實驗首次產(chǎn)生并檢測到了無線電波，驗證了麥克斯韋的理論，并證實了電磁波的存在。

(三)電磁波的特性

電磁波是由變化的電場和磁場相互垂直并相互作用而產(chǎn)生的波動現(xiàn)象。它具有以下幾個重要的特性：

(1) 波動性

• 電磁波是橫波: 電磁波的傳播方向與電場和磁場的振動方向相互垂直。在自由空間中，電場和磁場彼此垂直，且都垂直于傳播方向。

(2) 光速

• 在真空中的傳播速度: 電磁波在真空中的傳播速度是恒定的，即光速

(3) 能量攜帶

• 波的能量與頻率相關(guān): 電磁波攜帶能量，且能量與頻率成正比。高頻電磁波(如X射線、γ射線)攜帶的能量更高，低頻電磁波(如無線電波、微波)攜帶的能量較低。
• 波的強度: 電磁波的強度與電場和磁場振幅的平方成正比。

(4) 不需要介質(zhì)

• 真空中傳播: 電磁波不需要介質(zhì)即可傳播，這與聲波等機械波不同。因此，電磁波可以在真空中傳播，像光、無線電波等都能夠穿越太空。

(5) 偏振性

• 線偏振、圓偏振和橢圓偏振: 電磁波可以表現(xiàn)出不同的偏振形式，意味著電場的振動方向可以固定在某一方向(線偏振)，或在傳播過程中旋轉(zhuǎn)(圓偏振或橢圓偏振)。

(6) 反射、折射和衍射

• 反射: 當電磁波遇到不同介質(zhì)的界面時，部分電磁波會反射回去。反射角等于入射角。
• 折射: 電磁波從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時會發(fā)生速度變化，導(dǎo)致傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為折射。
• 衍射: 當電磁波遇到障礙物或通過狹縫時，波會發(fā)生彎曲，這就是衍射現(xiàn)象。

(7) 干涉

• 電磁波的疊加效應(yīng): 兩個或多個電磁波可以相互疊加，形成干涉圖樣。根據(jù)波的相位不同，干涉可以是相長干涉(增強)或相消干涉(減弱)。

(8) 譜的廣泛性

• 電磁波譜: 電磁波涵蓋了從低頻到高頻的一系列波長和頻率，形成電磁波譜。包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和γ射線等。

(9).量子特性

• 光子: 在微觀層面，電磁波表現(xiàn)出粒子性，可以被看作是光子流。每個光子的能量

這些特性使得電磁波在自然界和技術(shù)應(yīng)用中具有廣泛的作用，從無線通信到醫(yī)療成像，從照明到能量傳輸，電磁波無處不在。

(四)電磁波的表示

1.電磁波的數(shù)學(xué)表示

周期 (Period): 周期是指電磁波中一個完整波動循環(huán)所需的時間，通常用符號 ?? 表示。周期通常以秒 (s) 為單位。周期反映了電磁波的頻率，周期越短，頻率越高。

波長 (Wavelength): 波長是電磁波中相鄰兩個波峰(或波谷)之間的距離，通常用符號 ?? 表示。波長通常以米 (m) 為單位。波長決定了電磁波的空間尺度，波長越長，波的傳播范圍越大。

振幅 (Amplitude): 振幅是電磁波中電場或磁場的最大偏離值，即波動的最大值。振幅與電磁波的能量相關(guān)，振幅越大，波的能量越高。振幅通常反映了信號的強度或亮度。

WiFi頻率與波長的關(guān)系:波長 = 光速 / 頻率

按照上面公式計算 2.4Ghz 與 5GHz 無線電波的波長分別為 12.5 厘米和 6 厘米。

2.電磁波的功率單位

在信號處理中， 功率分為絕對功率和相對功率，絕對功率用 dBm 表示，相對功率用 dB 表示

絕對功率單位 (dBm)

dBm 是一個絕對單位，用于表示功率相對于 1 毫瓦 (mW) 的水平,當功率是 1 mW 時，功率為 0 dBm。它們之間的關(guān)系式：

常用的一些關(guān)系值如下表：

WiFi信號強度的 dBm (分貝毫瓦) 范圍可以用來評估信號的質(zhì)量。一般情況下，信號強度的分類如下：

• -30 dBm 到 -50 dBm: 極好，幾乎沒有干擾，信號非常強。
• -50 dBm 到 -60 dBm: 良好，信號強度適中，適合所有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
• -60 dBm 到 -70 dBm: 一般，信號強度可能會對性能產(chǎn)生一些影響，適用于基本的網(wǎng)絡(luò)使用。
• -70 dBm 到 -80 dBm: 較弱，信號強度低，可能會出現(xiàn)連接問題和較慢的網(wǎng)絡(luò)速度。
• 低于 -80 dBm: 很差，信號非常弱，連接可能不穩(wěn)定或無法連接。

一般來說，-50 dBm 到 -60 dBm 之間的信號強度被認為是良好的，能夠提供穩(wěn)定和高效的網(wǎng)絡(luò)連接。

相對功率單位 (dB)

dB(分貝)是一個相對單位，用于表示兩個功率或電壓的比值。它基于對數(shù)的計算，使得不同量級的比率更容易處理。

dB 用于表示信號增益或衰減、濾波器的衰減、天線的增益等。

dB 它提供了一種方便的方式來表示大范圍的比率。在音頻和無線通信中，有些信號值變化非常大。

比如一個信號從 1mW 衰減到 0.00000001mW ， 因為 0.00000001mW 與 0.0000001mW 和 0.000000001mW 很難用人眼難區(qū)分開來，相應(yīng)的，如果使用 -70dB、-80dB、-90dB 來區(qū)分就清晰很多了。

(五) 問題解答

1.為什么 5G WiFi 的穿墻能力沒有 2.4G 的好？

2.4G 無線電波的波長約為 12.5 厘米， 5G 的波長約為 6 厘米。在同等信號強度下，為何波長越長，穿透能力越強呢？這里主要是與波的衍射和波與物質(zhì)的相作用有關(guān)系。

衍射效應(yīng)：當電磁波遇到障礙物時，波長較長的電磁波更容易繞過障礙物。這是因為長波長的電磁波具有更強的衍射能力，可以繞過障礙物繼續(xù)傳播，因此在復(fù)雜環(huán)境中，它們的穿透能力更強。

與物質(zhì)的相互作用：物質(zhì)內(nèi)部的原子和分子在特定的頻率范圍內(nèi)會對電磁波產(chǎn)生吸收或反射效應(yīng)。短波長(高頻率)的電磁波更容易被原子和分子吸收或散射，因為它們的能量更高，與物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的概率更大。相比之下，長波長的電磁波(如無線電波)較少受到這種吸收和散射的影響，因此更容易穿透物質(zhì)。

我們看下面路由器 AP 典型穿透的一個衰減值(經(jīng)驗值)

2.4G WiFi典型穿透損耗經(jīng)驗值

5G WiFi典型穿透損耗經(jīng)驗值

從上表可以看出，WiFi信號在穿過一堵混泥土墻后信號至少衰減 10 dB ，參考功率倍數(shù)比，信號至少衰減了10倍。

同樣的原理，在有些體育館，它的無線信號AP是布置在座位周邊，當人多的時候，因為人體主要由水和有機物組成，這些物質(zhì)對電磁波有較強的吸收和散射作用，所以能搜索到的無線信號會變?nèi)?/strong>。

高頻率的無線電波，如在 2.4 GHz 和 5GHz 頻段工作的 WiFi 信號，穿過人體時會有顯著的衰減，典型的衰減情況是：

• 2.4G WiFi：通常會有10-15dB的衰減。
• 5G WiFi ：衰減量通常更高，可能達到20-30 dB。

2.為什么在對 WiFi 進行 iperf 拉距測試的時候，每次測試數(shù)據(jù)都會有差異？

電磁波可以在真空中傳播，傳播的速度是光速，但是在空氣中傳播無線電波的信號強度會逐漸地衰減，這種叫做電磁波在自由空間中的路徑衰減。

電磁波在自由空間中的路徑衰減

電磁波在自由空間中的路徑衰減 (Free Space Path Loss, FSPL) 是指電磁波在傳播過程中，由于距離的增加而導(dǎo)致信號強度的自然衰減。

自由空間衰減不考慮任何障礙物、反射、折射或散射等因素的影響，僅僅是由于波前的擴散而導(dǎo)致的信號強度減弱。

它的計算公式是：

2.4GHz 信號，在距離射頻源 50 米位置的衰減值約為 74 dB 2.4GHz 信號，在距離射頻源 100 米位置的衰減值約為 80 dB 2.4GHz 信號，在距離射頻源 200 米位置的衰減值約為 86 dB

這里有個 6dB 法則：傳輸距離加倍將導(dǎo)致信號衰減6dB

之所以在戶外 iperf 拉距測試中，每次測試數(shù)據(jù)都不一樣，這與每次測試環(huán)境中的障礙物、無線干擾、氣溫、氣壓的差異都是有關(guān)系的。

3.為什么藍牙，WiFi，微波爐之間會相互干擾？

藍牙、WiFi 和微波爐之間相互干擾的主要原因是它們都工作在相同的無線電頻段，即 2.4 GHz 頻段

WiFi： 大多數(shù) WiFi 網(wǎng)絡(luò)使用 2.4 GHz 頻段，雖然也有 5 GHz 頻段的 WiFi，但一般 5GHz WIFI都向下兼容 2.4Ghz ，支持802.11b/g/n協(xié)議

藍牙： 藍牙設(shè)備也在 2.4 GHz 頻段工作，使用一種稱為跳頻擴頻（Frequency-Hopping Spread Spectrum, FHSS）的技術(shù)，以減少與其他無線設(shè)備的干擾。盡管藍牙在頻段內(nèi)頻繁切換頻道，仍可能與其他在同一頻段工作的設(shè)備產(chǎn)生干擾。

微波爐： 微波爐加熱食物時，會在 2.4 GHz 頻段產(chǎn)生強烈的電磁輻射。這種輻射可能會干擾在同一頻段工作的無線通信設(shè)備，導(dǎo)致信號的衰減或中斷。

為什么工作在同一個頻段的無線信號就相互干擾呢？

這是因為無線電波相互干涉的原因

 

上圖中兩個波 f(x) 與 g(x) 它們相互干涉形成了紫色的波 f(x)+g(x),改變 g(x) 的相位，可以看到相干波峰值被加倍或者被抵消為 0。在無線電信號中表示信號增強和衰減

相長干涉（建設(shè)性干涉）：當兩束電磁波的波峰和波谷對齊時，它們的相位相同或相差 0 度，疊加后波幅會增加，形成相長干涉。這種干涉使信號增強，在無線通信中可能導(dǎo)致信號變強。

相消干涉（破壞性干涉）：當兩束電磁波的波峰與另一束的波谷對齊時，它們的相位相反或相差 180 度，疊加后波幅會減小甚至完全抵消，形成相消干涉。這種干涉會導(dǎo)致信號衰減或丟失，在無線通信中表現(xiàn)為信號弱化或斷開。

4.為什么在路由器很多的環(huán)境，WiFi網(wǎng)絡(luò)會變慢？

信道重疊：在 2.4 GHz 頻段，WiFi 信道的數(shù)量有限（通常只有 11 或 13 個信道），而每個信道的帶寬較寬，通常會覆蓋相鄰信道的一部分。如果多個路由器在相鄰或相同的信道上工作，它們的信號會互相干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸變慢。

信道擁塞：即使不同路由器使用不同的信道，如果某個信道上的設(shè)備過多，信道也會變得擁塞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸速率降低。因為設(shè)備在發(fā)送無線信號的時候，會去檢測當前是否有設(shè)備在發(fā)送，如果有設(shè)備在發(fā)送，則會進入一個時間片的等待。

WiFi 標準的限制：在擁擠環(huán)境中，如果某些設(shè)備或路由器使用較舊的 WiFi 標準（如 802.11b/g），它們的速度會限制整個網(wǎng)絡(luò)的性能。因為較舊的設(shè)備往往需要更多的時間來傳輸數(shù)據(jù)，影響了其他設(shè)備的使用效率。

結(jié)尾

上面是對于無線網(wǎng)絡(luò)使用過程中信號衰減、干擾的介紹以及相關(guān)問題的一些簡單解答。實際問題原因更加復(fù)雜，需要考慮更多的影響因素。對于非通訊專業(yè)的嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)工程師，有了這些基礎(chǔ)差不多也夠用了。

上面內(nèi)容，如有錯誤，歡迎評論區(qū)批評指出，不勝感激。

 

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