無線擴頻通信技術及其應用

2019-11-03 09:37:57

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一、無線擴頻通信技術簡介

1、無線擴頻通信技術簡介

　　擴展頻譜通信(SPRead Spectrum Communication)技術(以下簡稱擴頻通信)，早在第二次世界大戰期間就已提出，其發展也基本上是在軍事領域隨著電子對抗發展起來的。

　　隨著無線通信的廣泛應用，無線頻道變得非常擁擠，頻道資非常源緊張，干擾繁多、嚴重。由于擴頻通信技術有很多優點可以克服這些問題，并且可以提供更高的保密技術，因此，從80年代末，美國聯邦通信委員會（FCC）規劃了ISM波段并批準擴頻通信使用該頻段來，擴頻通信技術得到了快速的發展和廣泛的應用。

2、擴頻通信技術基本原理

　　擴頻通信的理論基礎是仙農定理：C=W Log 2 (1+S / N )

　　式中: C---信道容量，W---傳輸帶寬，S / N ---信號功率/噪聲功率

　　由此可得：在信息速率一定時，可以用不同的信號帶寬和相應的信噪比來實現傳輸，即信號帶寬越寬則傳信噪比可以越低，甚至在信號被噪聲淹沒的情況下也可以實現可靠通信。因此，將信號的頻譜擴展，則可以實現低信噪比傳輸，并且可以保證信號傳輸有較好的抗擾干性和較高的保密性。

　　目前常用的擴頻通信實現方法主要有: 直接序列擴頻( Direct Sequence Spread Spectrum)、跳頻(Frequency Hopping)、跳時(Time Hopping)、寬帶線性調頻(Chip Modulation)等方式。以上方法中最常用的是直接序列擴頻和跳頻。

　　直接序列擴頻技術

　　直序擴頻使用偽隨機碼（PN Code）對信息比特進行模2加得到擴頻序列，然后擴頻序列去調制載波發射，由于PN碼往往比較長，因此發射信號在比較低的功率上可以占用很寬的功率譜，即寬帶低信噪比傳輸。PN碼的長度決定了擴頻系統的擴頻增益，而擴頻增益又反映了一個擴頻系統的性能。

　　直序擴頻系統的解擴采用相關解擴，這是它與常規無線通信解調方式的根本不同。在接收端，接收信號經過放大混頻后，經過與發射端相同且同步的PN碼進行相關解擴，把擴頻信號恢復出窄帶信號，再對窄帶信號進行相干解調解出原始信息序列。

　　用11位碼長的擴頻碼來說，直接序列擴頻與解擴的過程簡單說就是，如果采用的信源發出“1”，則擴頻調制為一個序列單元，如“11100010010”；信源發出“0”，則擴頻調制為一個反相的序列單元，如與上面對應的反相序列“00011101101”。在接收端，收到序列“11100010010”則恢復為“1”，收到序列“00011101101”則恢復為“0”。

其原理框圖如下：

直序擴頻技術的有點在于：

　　?抗干擾能力強

　　擴頻解調器實際上是一個相關器，擴頻信號通過相關器后能有效的恢復，干擾信號(包括瞄準性干擾和寬帶干擾)，由于與本地PN碼不相關而被相關器抑制掉。如下圖所示：

圖1.3-1 擴頻系統的抗瞄準性干擾能力圖1.3-2 擴頻系統的抗寬帶干擾能力

　　具有強的抗多徑干擾能力

　　無線電波在傳播的過程中，除了直接到達接收天線的直射信號外，還會有各種反射體(如大氣對流層、建筑物、高山、樹木、水面、地面)等引起的反射和折射信號被接收天線接收。反射和折射信號的傳播時間比直射信號長，它對直射信號產生的干擾稱為多徑干擾。多徑干擾會造成通信系統的嚴重衰落甚至無法工作。由擴頻序列的自相關函數的特性知道，當兩個接收信號序列相對時間超過碼元寬度時，相關器輸出只為碼長的倒數，故被很大程度的抑制掉。

　　直序擴頻技術還一有一種更先進的接收技術，叫RAKE接收技術，它可以實現多徑分集接收。即將各種路徑來的信號，包括直接、折射、反射繞射信號解擴后在相位上根據峰值校齊并進行疊加，使信號強度更高，不僅避免了多徑干擾還增強了接收信號強度。但是RAKE接收技術的實現比較復雜且昂貴。

　　對其它電臺干擾小，抗截獲能力強

　　由于信息信號經過擴頻調制后頻譜被大大擴展，使信號的功率譜密度大大降低, 接收端接收到的信號譜密度比接收機噪聲低，即信號完全淹沒在噪聲中，這樣對其它同頻段電臺的接收不會形成干擾，信號也就不容易被發現，進一步檢測出信號就更難，所以有非常高的隱蔽性，非常適合保密通信，特別適合應用于軍事領域的通信。正因為有此特點，FCC規定使用擴頻通信機不必申請專用頻率。

　　可以同頻工作

　　由于采用相關解調，只要每部通信機的擴頻碼(PN)不同，幾部通信機就可以使用同一載頻而不會有相互干擾，只是增加多一點背景噪聲而已。

…便于實現多址通信

　　由于不同的擴頻碼是正交或接近正交的，彼此相互影響很小，所以可以把不同的擴頻碼作為用戶的地址碼，則很容易實現碼分多址(CDMA)通信。移動通信系統采用 CDMA方式，理論上可以使通信容量比目前的蜂窩式通信容量提20倍。

　　跳頻擴頻通信技術

　　另一種常用的擴頻技術是跳頻擴頻，其實現方法是載頻信號以一定的速度和順序，在多個頻率點上跳變傳遞，接收端以相應的速度和順序接收并解調。這個預先設定的頻率跳變的序列就是PN碼。在PN碼的控制下，收發雙方按照設定的序列在不同的頻點上進行通信。由于系統的工作頻率在不停的跳變，在每個頻率點上停留的時間僅為毫秒或微秒級，因此在一個相對的時間段內，就可以看作在一個寬的頻段內分布了傳輸信號，也就是寬帶傳輸。

　　跳頻通信系統的頻率跳頻速度反映了系統的性能，好的跳頻系統每秒的跳頻次數可以達到上萬跳。

　　跳頻通信系統在每個跳頻點上的瞬時通信實際上還是窄帶通信。

參見原理框圖如下所示：

　　其中，跳頻通信的關鍵部件是跳頻器，它又頻率合成器和跳頻指令發生器兩部分組成。頻率合成器受跳頻指令發生器的控制產生跳變的載頻信號去調制信號或解調信號。跳頻序列的同步是跳頻通信的核心技術。

　　跳頻擴頻技術的有點在于：

　　?抗干擾能力強

　　由于在實際通信中，通信頻率一直是變化不定的，控制跳頻的PN碼序列其周期可以長達數年，跳變的頻率可以達到成千上萬個，因此對于干擾信號來說基本上不可能捕捉到傳輸信號，對于固定頻率干擾也可以跳變一個頻點避開。相對于直序擴頻，跳頻技術具有更好的保密性和抗干擾性能。

　　由于跳頻通信本身也是屬于寬帶傳輸，按照仙農定理，它也可以實現低信噪比傳輸，即信號可以淹沒在噪聲里傳輸。

　　系統兼容性

　　兼容性是指，跳頻通信系統可以與一個不跳頻的定頻再帶通信系統在莫個固定頻點上進行通信。也可以在定頻通信電臺上增加跳頻模塊使其具有跳頻通信能力而與跳頻電臺進行通信。

　　便于實現多址通信

　　應用跳頻通信可以很容易地組建一個多址網絡，網絡內的各個用戶都被分配了一個互不相同的地址碼，就象電話號碼一樣。每個用戶只能接收其他用戶針對其地址碼發送來的信息，對發送給其他用戶的信息，則不會解調出來。

　　直序擴頻技術與跳頻擴頻技術的簡單比較

　　擴頻技術直序擴頻跳頻擴頻

　　應用同樣發射功率通信距離遠，較低輸出功率就可以達到幾十公里，民用產品比較豐富。同樣發射功率時傳輸距離相對較近，提高輸出功率可以獲得比較遠的傳輸距離。

　　優點抗多徑能力強，可以保證長距離通信，傳輸數據速率高?？菇孬@能力強，保密性好，通常不會對其他通信設備造成干擾。抗干擾能力最強。頻譜利用率稍高。

　　缺點占用頻率資比較多?？梢灶l率復用，但是相鄰系統的背景噪聲提高。在近距離時，對其他窄帶和直序擴頻通信設備有干擾。數據速率相對低。跳速低時容易被跟蹤并干擾。

　　由以上比較可以看出，跳頻通信技術具有比較強的抗干擾能力，是特別適合于軍事領域的通信手段。正是它的獨特的優點使得它符合了現代信息戰爭中電子對抗的需求，因此在現代軍事通信中成為重要的通信手段。在海灣戰爭中，多國部隊就大量的使用了采用跳頻通信技術的通信設備。

　　目前，跳頻系統跳速基本水平是：短波電臺-100跳/秒，超短波電臺-500跳/秒。每秒數千跳的擴頻電臺也已經問世，預計未來十年，跳頻電臺的發展可以達到每秒幾萬甚至幾十萬，上百萬跳。目前，跳頻系統的同步時間基本在幾百毫秒的水平，今后也必將越來越短。同步時間越短，信息被地方發現、截獲和測向的概率越低　　通信的保密性、隱蔽性越好。

　　當然通信干擾與反干擾是一對矛盾，互相制約又互相促進發展。

　　跳頻通信可以有效的避開單頻干擾和多頻干擾，但是現在電子對抗中的跟蹤干擾是它的“天敵”，跟蹤干擾的步驟是：偵聽、處理、施放干擾。當本方截獲到地方的跳頻序列后，迅速以同樣的跳頻序列施放干擾，由于跳頻序列相同，預先設定的跳頻序列就無法實現正常通信，這時只有通過轉換跳頻序列才能恢復通信，但是又會被從新跟蹤并干擾。因此只有提高系統性能，提高跳頻速度，防止被敵方偵聽到跳頻序列，才能達到反偵聽目的，這又促進了研究更高速的跳頻設備的競賽。

　　由于受到技術條件、元器件技術的限制，跳頻速度也不可能不限制提高，今后的跳頻通信應該會是跳頻和直序擴頻技術的綜合，或者跳頻直序擴頻、跳時技術的綜合。

　　二、無線擴頻通信技術的應用

　　擴頻通信技術的發展和應用，為現代信息技術的發展提供了優質的無線傳輸手段?，F代信息的技術發展需要高效率、高質量的傳輸手段來傳輸大量數據，就無線傳輸方式來說，傳統的窄帶微波傳輸由于抗干擾性，保密性，可靠性，頻率占用、傳輸帶寬等多方面的問題，已經很難適應現代信息技術的要求。而擴頻通信技術的發展和應用及時有效的為這個問題提供了解決手段。

　　現代通信的新領域，數字蜂窩移動通信，專用網絡通信，室內無線通信，CDMA移動通信，無線局域網，無線廣域網，“藍牙”（短距離高速、互通式信息傳輸）傳輸技術都是基于擴頻通信體制的通信方式。

　　擴頻通信為人們提供了簡潔、快捷、安全、經濟的通信手段，不僅可以提供大容量的干線傳輸，還可以提供簡單便捷的小容量接入。因此，不僅可以作為主傳輸通道，也可以作為有線干線的備份，還可以實現無線辦公室。由于無線擴頻通信技術具有十分顯著的優越性，極大的推動了該技術及其產品在軍用、民用領域的發展和應用。目前，應用了擴頻通信技術的通用產品主要有兩類，一是專門數據傳輸的擴頻無線調制解調器，二是專門提供無線網絡連接的無線網橋、無線網卡、無線路由器。

　　其中無線調制解調器能夠提供透明的數據通道，根據需要配置終端設備，可以支持多種數據業務，如，話音、數據、網絡、圖象等。由于技術原因限制，還不能實現真正的話音點對多點業務，基本上都是依賴系統的疊加來實現。對于單獨的數據業務或網絡連接，如果數據延時沒有特別嚴格的要求，可以采用輪詢方式傳輸。無線網絡類產品，又基本可以分為兩類，一類是基于802.11無線網絡協議標準的無線網絡產品，另一類是基于各自廠商的傳輸標準的無線網橋或無線路由器。它們都提供了高速的無線網絡連接，可以廣泛的應用于點對點或點對多點無線局域網、無線廣域網連接或寬帶無線接入。

　　隨著現代網絡技術的發展和廣泛應用，網絡已經成為通信技術的重要應用領域，各種通信業務也都逐漸趨向于借助網絡平臺上實現?，F在IP電話技術已經比較成熟，也得到了廣泛的應用，其傳輸質量也得到了好評。IP圖象傳輸系統也由于傳輸效果比較好，設備簡單，使用方便，已經得到了廣泛的應用。因此，現代的網絡技術為話音、數據、圖象的綜合業務提供了良好的平臺。在此基礎上，借助無線網絡技術構建移動網絡平臺，便可以實現一種新的移動話音、數據、圖象傳輸系統。這種移動的網絡平臺可以提供移動工作條件下的快速、靈活建立和應用，可以根據需要建立在節點限制數量內的任意點數之間的通信，還可以根據需要將網絡設置成為無中心的網狀工作模式，這種無中心的模式為戰爭、自然災害（水災、地震等）的工作需要提供了最好的支持。

　　無線網絡產品是擴頻通信技術在數據通信領域一個典型應用，充分發揮了擴頻通信技術的各種優越性，為現代網絡技術的廣泛應用提供了更靈活、多樣的解決手段。隨著網絡技術的發展和進一步應用，移動無線網絡，漫游無線接入必將成為現實，話音、數據、圖象的多業務移動應用也將得到巨大的發展和應用，這又將極大的促進擴頻通信技術的快速發展。

摘自《計算機網絡世界》

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