物理层（PHY）技术概述

IEEE 802.11 的物理层负责将比特流转换为无线电波信号，是 WiFi 通信的基础。物理层的性能直接决定了无线链路的速率、覆盖范围和可靠性。

物理层的基本功能

调制与解调

物理层的核心任务是将数字数据（0和1）映射到模拟射频信号上。这个过程称为调制，其逆过程称为解调。常见的调制方式包括：

  • BPSK（Binary Phase Shift Keying）：每个符号携带 1 bit

  • QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）：每个符号携带 2 bits

  • n-QAM（Quadrature Amplitude Modulation）：每个符号携带 log₂(n) bits

扩频技术

早期的 802.11 标准使用扩频技术来抵抗干扰和多径衰落：

  • DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）：直接序列扩频

  • FHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum）：跳频扩频

  • CCK（Complementary Code Keying）：互补码键控

OFDM 技术

从 802.11a/g 开始，OFDM 成为 WiFi 的主要多载波调制方案。OFDM 将高速数据流分成多个低速子载波并行传输，有效对抗多径衰落。

物理层帧结构

802.11 PHY 帧由以下部分组成：

|--- Preamble ---|-- PLCP Header --|-- PSDU (PPDU Payload) --|
| SF | SFD | STA |   SIG    |      MAC Frame + FCS           |

  • Preamble（前导码）：用于同步和信道估计

    • SF（Signal Field）：信号字段

    • SFD（Start Frame Delimiter）：帧起始定界符

    • STA（Short Training Field）：短训练场，用于自动增益控制

  • PLCP Header：物理层收敛协议头，包含速率和长度信息

  • PSDU：物理层服务数据单元，承载 MAC 层帧

关键性能指标

指标

说明

EVM（Error Vector Magnitude）

误差矢量幅度，衡量调制质量

ACPR（Adjacent Channel Power Ratio）

邻道功率比，衡量频谱泄漏

Sensitivity（灵敏度）

接收机最小可检测信号强度

EIRP（EIRP）

等效全向辐射功率 = TX功率 + 天线增益 - 损耗

物理层训练字段

现代 WiFi 标准使用复杂的训练字段来实现：

  • 自动增益控制（AGC）：调整接收机增益

  • 频率偏移估计：补偿收发双方晶振差异

  • 定时同步：符号和帧边界对齐

  • 信道估计：用于均衡器补偿多径效应

  • MIMO 检测：空间流分离