微波擴(kuò)頻通信技術(shù)概述

李文立蔡玲玲

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微波擴(kuò)頻通信技術(shù)概述

李文立1蔡玲玲2

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本文通過對(duì)擴(kuò)頻通信技術(shù)的闡述，重點(diǎn)介紹了微波擴(kuò)頻通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式、設(shè)備分類、傳輸模式和技術(shù)特性，并對(duì)其在通信中的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，便于對(duì)微波擴(kuò)頻通信技術(shù)有更深入的了解。

擴(kuò)頻通信技術(shù) 直接序列擴(kuò)頻 跳頻擴(kuò)頻 微波擴(kuò)頻通信技術(shù)

1 擴(kuò)頻通信技術(shù)概況

擴(kuò)頻通信技術(shù)是20世紀(jì)40年代發(fā)展起來的一種通信技術(shù)，最初主要服務(wù)于戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境，為軍隊(duì)提供安全可靠的通信服務(wù)，其獨(dú)特的信號(hào)傳輸原理從根本上克服了傳統(tǒng)通信技術(shù)容易受到干擾的缺陷，一直都是世界各國通信專家關(guān)注的焦點(diǎn)。后來，擴(kuò)頻通信技術(shù)的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，從原來的軍事用途逐漸擴(kuò)展到民用通信以及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等諸多領(lǐng)域，圍繞擴(kuò)頻通信技術(shù)研發(fā)的產(chǎn)品也層出不窮。正是由于擴(kuò)頻通信技術(shù)在通信領(lǐng)域所處的特殊地位，就更加值得去深入研究和探討，以便在原有基礎(chǔ)上能夠?qū)で蟾蟮耐黄啤?/p>

1.1 擴(kuò)頻通信技術(shù)的定義

擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)，簡(jiǎn)稱擴(kuò)頻通信技術(shù)，是一種信息傳輸方式。指用于傳輸信號(hào)的信道帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)自身帶寬的一種通信方式，即其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬。頻帶的擴(kuò)展通常是通過一個(gè)獨(dú)立的碼序列（一般是偽隨機(jī)碼）來完成的，用編碼及調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)。在接收端則用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)及恢復(fù)所傳遞的信息數(shù)據(jù)。

1.2 擴(kuò)頻通信技術(shù)的理論依據(jù)

擴(kuò)頻通信技術(shù)根據(jù)香農(nóng)在信息論研究中總結(jié)出來的信道容量公式，即香農(nóng)公式：C=W×log2 (S/N)，單位：b/s。式中C為信道容量，它是信道可能傳輸?shù)淖畲笮畔⑺俾?，W為信道帶寬，S為有用信號(hào)的平均功率，N為白噪聲的平均功率，S/N就是信噪比。由該公式可以看出：為了提高信道容量C，可以從兩種途徑實(shí)現(xiàn)，即加大信道帶寬W或提高信噪比S/N。換句話說，當(dāng)信道容量C一定時(shí)，信號(hào)的帶寬W和信噪比S/N是可以互換的，即增加信號(hào)帶寬可以降低對(duì)信噪比的要求。由此可以理解，當(dāng)帶寬增加到一定程度時(shí)，允許信噪比進(jìn)一步降低，有用信號(hào)功率接近噪聲功率甚至淹沒在噪聲之下也是可能的。擴(kuò)頻通信技術(shù)就是用寬帶傳輸技術(shù)換取信噪比降低來實(shí)現(xiàn)可靠性傳輸?shù)?，這就是擴(kuò)頻通信技術(shù)的基本思想。可以采用頻譜寬度與功率譜密度的關(guān)系示意圖來理解擴(kuò)頻通信技術(shù)，如圖1所示。

圖1 擴(kuò)頻頻譜變換示意圖

1.3 擴(kuò)頻通信技術(shù)的特點(diǎn)

擴(kuò)頻通信技術(shù)的基本特征是使用比發(fā)送的信息數(shù)據(jù)速率高許多倍的偽隨機(jī)碼，把載有信息數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，形成寬帶的低功率譜密度的信號(hào)來發(fā)射，具有以下特點(diǎn)：（1）系統(tǒng)占有的頻帶寬度Bc遠(yuǎn)大于要傳輸?shù)脑夹盘?hào)的帶寬Bm（Bc一般為Bm的100～1000倍），且系統(tǒng)占有帶寬與原始信號(hào)帶寬無關(guān)，（2）解調(diào)過程是由接收信號(hào)和一個(gè)與發(fā)端擴(kuò)頻碼同步的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理來完成的。

1.4 擴(kuò)頻通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

擴(kuò)頻通信技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，特別是在抗噪聲、抗干擾、抗多徑衰落、碼分多址、信號(hào)隱蔽性和保密性等方面，具有傳統(tǒng)無線通信方式無可比擬的優(yōu)勢(shì)，例如信噪比較低、通訊隱蔽、保密性強(qiáng)、系統(tǒng)容量大、傳輸速率較高、抗衰弱能力強(qiáng)等，從而與光纖通信和衛(wèi)星通信一同被譽(yù)為信息時(shí)代三大主流通信傳輸方式。由于擴(kuò)頻通信技術(shù)獨(dú)具特色，隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)頻通信技術(shù)以其難以比擬的靈活性、移動(dòng)性、可擴(kuò)展性和可伸縮性等特性，在軍用和民用通信中得到廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。

1.5 擴(kuò)頻通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式

目前，擴(kuò)頻通信技術(shù)主要有以下三種實(shí)現(xiàn)方式：直接序列擴(kuò)頻、跳頻擴(kuò)頻和跳時(shí)擴(kuò)頻。

（1）直接序列擴(kuò)頻

直接 序列擴(kuò) 頻 （DSSS，DirectSequence Spread Spectrum，簡(jiǎn)稱直擴(kuò)），是用高速數(shù)字編碼序列直接調(diào)制發(fā)射機(jī)載波。由于編碼序列的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原始信號(hào)帶寬，從而可以擴(kuò)展發(fā)射波的頻譜。高速數(shù)字編碼序列的碼比特是直接序列擴(kuò)頻的一種比特冗余模式，這種冗余比特也叫碼片，碼片越長，接收機(jī)接收原始信號(hào)的性能越好。但是，由于每個(gè)信息比特要被編碼成一串比特，所以需要更多的帶寬。直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)模型，如圖2所示。

圖2 直擴(kuò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

IEEE802.11b是大家所熟悉的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，基于該標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備工作在2.4GHz的ISM（Industrial Scientific and Medical）頻段，主要用于在難于布線的場(chǎng)地或移動(dòng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的無線接入，而直接序列擴(kuò)頻正是IEEE802.11b協(xié)議唯一支持的通信方式，它可以實(shí)現(xiàn)5.5Mbit/s和11Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸。

（2）跳頻擴(kuò)頻

跳 頻 擴(kuò) 頻 （FHSS： Frequency-Hopping Spread Spectrum）是采用跳頻擴(kuò)頻通信技術(shù)，使發(fā)射機(jī)的頻率在一組預(yù)先指定的頻率上按照偽隨機(jī)序列（PN碼）所規(guī)定的順序離散地跳變，從而擴(kuò)展發(fā)射波的頻譜，并使其覆蓋整個(gè)頻段。跳頻系統(tǒng)模型，如圖3所示。

圖3 跳頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（3）跳時(shí)擴(kuò)頻

跳時(shí)擴(kuò)頻 （THSS，Time-HoppingSpread Spectrum）與跳頻擴(kuò)頻類似，區(qū)別在于一個(gè)是控制頻率，一個(gè)是控制時(shí)間，即跳時(shí)擴(kuò)頻是用擴(kuò)頻碼片啟閉鍵控發(fā)射機(jī)，將一個(gè)信碼的持續(xù)時(shí)間分割成若干時(shí)隙，由擴(kuò)頻碼片來控制在哪一個(gè)時(shí)隙中發(fā)射一個(gè)信碼。

在實(shí)際使用擴(kuò)頻通信技術(shù)系統(tǒng)過程中，普遍采用前兩種擴(kuò)頻模式。根據(jù)特定需要和具體應(yīng)用，三種模式的不同組合形成的混合系統(tǒng)也常被采用。

2 微波擴(kuò)頻通信技術(shù)概況

2.1 微波擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)定義

微波擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)，簡(jiǎn)稱微波擴(kuò)頻(SS)通信技術(shù)，是20世紀(jì)90年代初從美國發(fā)展起來的一種新型民用計(jì)算機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它的主要特點(diǎn)是以900MHz、2.45GHz或3.5GHz的微波頻段作為傳輸數(shù)據(jù)的媒介，是用先進(jìn)的擴(kuò)展頻譜方式發(fā)射微波信號(hào)的傳輸技術(shù)。

2.2 微波擴(kuò)頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式

微波擴(kuò)頻通信技術(shù)最常用的兩種實(shí)現(xiàn)方式，跳躍（Frequency Hopping，F(xiàn)H）擴(kuò)頻通信技術(shù)和直接序列（Direct Sequence，DS）擴(kuò)頻通信技術(shù)。調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)按照隨機(jī)模式傳輸信號(hào)，信號(hào)在傳送過程中要經(jīng)過多次握手和同步，效率相對(duì)較低。直序擴(kuò)頻與傳統(tǒng)的無線電窄帶調(diào)制發(fā)射方式不同，屬于寬帶調(diào)制發(fā)射，通過固定模式傳輸本頻段內(nèi)信號(hào)，因而可以更加充分地利用帶寬。直序擴(kuò)頻具有傳輸速率高（2M～11Mbps或者更高）、發(fā)射功率小（一般＜100mw）、保密性好和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。因此，適用于多點(diǎn)通信，其通信距離和覆蓋范圍根據(jù)所選用的天線不同而有差異。定向傳送可達(dá)5～50公里，室外的全向天線可覆蓋15～20公里的半徑范圍，室內(nèi)全向可覆蓋最大半徑250米的5000m2范圍，并且能穿透幾層墻甚至兩層樓的混凝土樓板。

2.3 微波擴(kuò)頻設(shè)備的分類

目前，微波DS擴(kuò)頻設(shè)備主要分為兩類：一類屬于無線Modem，具有RS232接口或T或E接口；另一類屬于無線連網(wǎng)設(shè)備，包括無線網(wǎng)橋和無線IP路由器，一般都具有網(wǎng)絡(luò)接口，如：BNC、AUI、10/100Base-T、RJ-45等。

微波擴(kuò)頻通信技術(shù)為計(jì)算機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)提供了優(yōu)良的通訊信道。擴(kuò)頻微波通信組網(wǎng)可以完成高速率的無線通信，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的通信及連網(wǎng)，還能夠很好地傳送靜態(tài)圖形、動(dòng)態(tài)圖象、文字和語音等復(fù)雜信息。因其信號(hào)微弱，隱蔽保密性較好，具有網(wǎng)橋、路由器等諸多功能，還可實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)互連或遠(yuǎn)程接入，也可以加入高速移動(dòng)無線網(wǎng)。

2.4 微波擴(kuò)頻通信技術(shù)系統(tǒng)的傳輸模式

微波通信技術(shù)是現(xiàn)代通信三大支柱之一，在通信網(wǎng)中占有較大比重。近年來采用擴(kuò)頻的微波通信設(shè)備（系統(tǒng)），廣泛應(yīng)用于郵電專線連接、蜂窩基站聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)、一點(diǎn)多址電力調(diào)度系統(tǒng)和Internet接入等領(lǐng)域。微波通信技術(shù)主要有兩種傳輸模式。

2.4.1異步傳輸模式

異步傳輸模式（ATM，Asynchronous Transfer Mode）以固定格式、定長信元作為傳輸和交換的基本單位，根據(jù)業(yè)務(wù)類型和速率的需要，動(dòng)態(tài)地分配有限資源，并采用隨機(jī)的時(shí)分復(fù)用，使多媒體通信的實(shí)現(xiàn)更加容易。其呼叫建立過程采用電路交換的方式去建立虛通路，而信息傳遞過程，則采用分組交換的方式來傳遞信元。因此，ATM是建立在電路交換和分組交換基礎(chǔ)上的一種面向連接的快速分組交換技術(shù)。

2.4.2線異步傳輸模式

線異步傳輸模式（WATM：Wireless Asynchronous Transfer Mode）是將ATM網(wǎng)上的寬帶業(yè)務(wù)延伸至寬帶無線移動(dòng)網(wǎng)，把ATM無縫隙地?cái)U(kuò)展到移動(dòng)通信終端，用一種標(biāo)準(zhǔn)ATM信元提供網(wǎng)絡(luò)級(jí)服務(wù)，把話音、數(shù)據(jù)和圖像等不同業(yè)務(wù)綜合在一個(gè)通信網(wǎng)中傳輸，達(dá)到最佳統(tǒng)計(jì)復(fù)用和共享資源的目的。

2.5 微波擴(kuò)頻通信技術(shù)的特性

微波擴(kuò)頻通信技術(shù)在發(fā)射端通過擴(kuò)頻編碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，在接收端利用相關(guān)解調(diào)技術(shù)進(jìn)行收信，與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比具有以下優(yōu)良特性：

2.5.1加強(qiáng)抗干擾能力

擴(kuò)頻增益G（Spreading Gain），G＝B2/B1是擴(kuò)頻通信技術(shù)里的一個(gè)重要參數(shù)。在擴(kuò)頻通信技術(shù)過程中，接收端對(duì)接收到的信號(hào)要做擴(kuò)頻解調(diào)，只提取擴(kuò)頻編碼相關(guān)處理后帶寬為B1的信號(hào)成分，排除了擴(kuò)展到寬帶B2中的干擾、噪聲和其他影響，相當(dāng)于把接收信噪比提高了G倍。M（抗干擾容限）M接近等于G。

2.5.2增強(qiáng)信息保密性能

因?yàn)榘l(fā)射信號(hào)在較寬的頻帶上被擴(kuò)展，單位帶寬上的功率就變得很小，即信號(hào)功率譜密度很低，信號(hào)很難被發(fā)現(xiàn)。如果擴(kuò)頻編碼也是保密的，那么信息就更難被他人拾取。極低的功率譜密度，幾乎對(duì)其他電訊設(shè)備無法構(gòu)成干擾。

2.5.3提高抗多徑干擾能力

在微波擴(kuò)頻通信技術(shù)中，利用擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性和技術(shù)，從接收端的多徑信號(hào)中提取分離出最強(qiáng)的有用信號(hào)，可把多個(gè)路徑來的同一碼序列的波形相加使之得到加強(qiáng)，從而達(dá)到有效的抗多徑干擾能力

2.5.4利于多媒體組網(wǎng)

微波擴(kuò)頻通信技術(shù)應(yīng)用PN碼，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字通道，可以傳遞數(shù)據(jù)、語音、傳真和圖像等綜合業(yè)務(wù)，有利于多媒體組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全媒體覆蓋。

2.5.5便于互聯(lián)網(wǎng)傳輸

微波擴(kuò)頻通信技術(shù)可以在傳統(tǒng)方式布線比較困難的地方輕松的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的傳輸和鏈接，且網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期短、速度快，且安裝方便靈活，省時(shí)省力省費(fèi)用。

2.5.6有助于碼分多址實(shí)現(xiàn)

擴(kuò)頻通信技術(shù)占用寬帶頻譜資源通信，改善了抗干擾能力，提高了頻帶的利用率。由于擴(kuò)頻通信技術(shù)用擴(kuò)頻編碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制發(fā)送，信號(hào)接收需要用相同的擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)解擴(kuò)才能得到，這給頻率復(fù)用和多址通信提供了基礎(chǔ)。

總結(jié)

微波擴(kuò)頻通信技術(shù)所組成的通信系統(tǒng)有一系列其他系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)解決了當(dāng)代各種無線通信系統(tǒng)存在的干擾、泄密、選址和組網(wǎng)四大問題，取得了多方面的突破，受到了各行各業(yè)的重視并被應(yīng)用。微波擴(kuò)頻通信技術(shù)及產(chǎn)品是現(xiàn)代多種高科技技術(shù)的結(jié)晶，隨著微波擴(kuò)頻通信技術(shù)和產(chǎn)品制造工藝的日趨完善，微波擴(kuò)頻無線技術(shù)具備有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)難以比擬的靈活性、移動(dòng)性、可擴(kuò)展性、可伸縮性，將在行業(yè)中有廣闊的應(yīng)用前景。

審稿人：王岳琪 內(nèi)蒙古新聞出版廣電局610臺(tái)正高級(jí)工程師

責(zé)任編輯：王學(xué)敏

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2096-0751（2016）12-0016-04

李文立 內(nèi)蒙古廣播電視臺(tái) 高級(jí)工程師蔡玲玲 內(nèi)蒙古廣播電視臺(tái) 工程師