論擴頻技術(shù)及其在本地接入網(wǎng)中的應(yīng)用

劉洪濤
(北京市通信公司網(wǎng)絡(luò)局,北京 100031)



　　摘要：本文主要介紹了擴頻技術(shù)并列舉了無線擴頻技術(shù)在本地接入網(wǎng)中的主要應(yīng)用方式。



　　關(guān)鍵詞：擴頻技術(shù)；頻譜；接入網(wǎng)；點對點；中繼



1 引言



　　隨著計算機及通信技術(shù)的發(fā)展，越來越多的用戶提出了對通信服務(wù)的迫切需求，而原有的有線接入方式受地理環(huán)境的影響較大，且施工敷設(shè)工程量大，短時間難以迅速提供通信服務(wù)。無線接入方式作為有線接入的擴展和補充，在有線設(shè)施使用受限的場合發(fā)揮了無可替代的作用。



　　傳統(tǒng)的模擬無線通信一般采用調(diào)頻（FM）和調(diào)幅（AM）兩種方式，不能適應(yīng)高速數(shù)據(jù)通信的要求。進入20世紀80年代后，數(shù)字無線數(shù)據(jù)通信方式成為主流，其調(diào)制方式有振幅鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）和移相鍵控（PSK），其優(yōu)勢是便于采用先進的數(shù)字信號處理技術(shù)，如均衡技術(shù)、編碼技術(shù)等等，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸?shù)目煽啃�。但是這些系統(tǒng)也存在一些缺陷。一方面，由于無線通信信道的開放性，通信環(huán)境不可避免地存在各種各樣的突發(fā)干擾，使得信號傳輸?shù)目煽啃越档�，同時，信道的時域和頻域選擇性衰落，使得數(shù)據(jù)傳輸速率的提高受到限制；另一方面，隨著無線業(yè)務(wù)的快速增長，要求無線網(wǎng)絡(luò)具備相當?shù)撵`活性，以適應(yīng)業(yè)務(wù)的發(fā)展變化。這些都是常規(guī)的無線數(shù)字通信難以解決的。這些因素促成了對采用新技術(shù)的需求，以提高數(shù)據(jù)傳輸速率并進一步提高傳輸?shù)目煽啃�。無線擴頻通信技術(shù)由此得到了關(guān)注和發(fā)展。



2 擴頻通信系統(tǒng)概述



　　擴頻通信，即擴展頻譜通信(Spread Spectrum Communication)，它與光纖通信、衛(wèi)星通信一同被譽為進入信息時代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。



擴頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端則用同樣的碼進行相關(guān)同步接收、解擴及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。



擴頻通信的可行性是從信息論和抗干擾理論的基本公式中引伸而來的。



信息論中關(guān)于信息容量的仙農(nóng)(Shannon)公式為：



　　C＝Wlog2(1十P/N)


式中：


C——信道容量(用傳輸速率度量)，


W——信號頻帶寬度，


P——信號功率，


N——白噪聲功率。



　　公式說明，在給定的傳輸速率C不變的條件下，頻帶寬度W和信噪比P／N是可以互換的。即可通過增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比P／N (S／N)情況下傳輸信息。



　　擴展頻譜以換取信噪比要求的降低，正是擴頻通信的重要特點，并由此為擴頻通信的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。



　　由于擴頻通信能大大擴展信號的頻譜，發(fā)端用擴頻碼序列進行擴頻調(diào)制，以及在收端用相關(guān)解調(diào)技術(shù)，使其具有許多窄帶通信難以替代的優(yōu)良性能，主要有以下幾項特點：



　　●　易于重復(fù)使用頻率，提高了無線頻譜利用率；


　　●　抗干擾性強，誤碼率低；


　　●　隱蔽性好，對各種窄帶信系統(tǒng)的干擾很小；


　　●　可以實現(xiàn)碼分多址；


　　●　抗多徑干擾；


　　●　能精確地定時和測距；


　　●　適合數(shù)字語音和數(shù)據(jù)傳輸，以及開展多種通信業(yè)務(wù)；


　　●　安裝簡便，易于維護。



2.1 擴頻通信工作原理



　　擴頻通信的一般工作原理如圖1所示。





圖 1 擴頻通信工作原理



　　在發(fā)端輸入的信息先經(jīng)信息調(diào)制形成數(shù)字信號，然后由擴頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號以展寬信號的頻譜。展寬后的信號再調(diào)制到射頻發(fā)送出去。



　　在接收端收到的寬帶射頻信號，變頻至中頻，然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴頻碼序列去相關(guān)解擴。再經(jīng)信息解調(diào)、恢復(fù)成原始信息輸出。



　　由此可見，—般的擴頻通信系統(tǒng)都要進行三次調(diào)制和相應(yīng)的解調(diào)。一次調(diào)制為信息調(diào)制，二次調(diào)制為擴頻調(diào)制，三次調(diào)制為射頻調(diào)制，以及相應(yīng)的信息解調(diào)、解擴和射頻解調(diào)。



　　與一般通信系統(tǒng)比較，擴頻通信就是多了擴頻調(diào)制和解擴部分。



2.2 擴頻通信的幾種工作方式



　　按照擴展頻譜的方式不同，現(xiàn)有的擴頻通信系統(tǒng)可以分為以下幾種。



2.2.1　直接序列擴頻工作方式，簡稱直擴(DS)方式



　　所謂直接序列(DS，Direct Sequency)擴頻，就是直接用具有高碼率的擴頻碼序列在發(fā)端去擴展信號的頻譜。而在收端，用相同的擴頻碼序列去進行解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始的信息。



2.2.2　跳變頻率工作方式，簡稱跳頻(FH)方式



　　另外一種擴展信號頻譜的方式稱為跳頻(FH，F(xiàn)requency Hopping)。所謂跳頻，比較確切的意思是用一定碼序列進行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說，用擴頻碼序列去進行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳變，所以稱為跳頻。



2.2.3　跳變時間工作方式，簡稱跳時(TH)方式



　　與跳頻相似，跳時(TH，Time Hopping)是使發(fā)射信號在時間軸上跳變。首先把時間軸分成許多時片。在一幀內(nèi)哪個時片發(fā)射信號就由擴頻碼序列去進行控制。可以把跳時理解為用一定碼序列進行選擇的多時片的時移鍵控。跳時也可以看成是一種時分系統(tǒng)，所不同的地方在于它不是在一幀中固定分配一定位置的時片，而是由擴頻碼序列控制的按一定規(guī)律跳變位置的時片。跳時系統(tǒng)的處理增益等于一幀中所分的時片數(shù)。由于簡單的跳時抗干擾性不強，很少單獨使用。跳時通常都與其他方式結(jié)合使用，組成各種混合方式。



2.2.4　寬帶線性調(diào)頻工作方式，簡稱Chirp方式



　　如果發(fā)射的射頻脈沖信號在一個周期內(nèi)，其載頻的頻率作線性變化，則稱為線性調(diào)頻。因為其頻率在較寬的頻帶內(nèi)變化，信號的頻帶也被展寬了。這種擴頻調(diào)制方式主要用在雷達中。



2.2.5 各種混合方式



　　在上述幾種基本的擴頻方式的基礎(chǔ)上，可以組合起來，構(gòu)成各種混合方式。例如，DS／FH、DS／TH、DS／FH／TH等等。一般說來，采用混合方式看起來在技術(shù)上要復(fù)雜一些，實現(xiàn)起來也要困難一些。但是，不同方式結(jié)合起來的優(yōu)點是，有時能得到只用其中一種方式得不到的特性。因此，對于需要同時解決諸如抗干擾、多址組網(wǎng)、定時定位、抗多徑和遠——近問題時，就不得不同時采用多種擴頻方式。



3 無線擴頻通信在接入網(wǎng)中的作用



　　接入網(wǎng)是由傳統(tǒng)的用戶線、用戶環(huán)路和用戶接入系統(tǒng)，逐步發(fā)展、演變和升級而形成的�，F(xiàn)代電信網(wǎng)絡(luò)分為3大部分：傳輸網(wǎng)、交換網(wǎng)和接入網(wǎng)。由于接入網(wǎng)發(fā)展較晚，往往成為電信發(fā)展規(guī)律的“瓶頸”，各國都很重視接入網(wǎng)的發(fā)展，各類接入技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)運而生。例如，有線接入系統(tǒng)，包括銅線接入、光纖接入和光纖同軸混合接入等；無線接入分為移動接入和固定接入系統(tǒng)。其他的接入技術(shù)，如電力線、有線電視同軸纜、3G等。由于它們的協(xié)議規(guī)范還未得到認可，目前還都是在試用階段，還未大量投入商用，所以光纖接入技術(shù)無可替代地擔當了當今接入技術(shù)的主要角色。



　　由于ISM（Industry/Scientific/Medical）頻段的開放，經(jīng)營者和用戶不需申請授權(quán)就可自由地使用這些頻段，而無線擴頻技術(shù)所使用的頻段（2.400～2.483　85GHz）正是全世界通用的ISM頻段，包括IEEE 802.11協(xié)議架構(gòu)的無線局域網(wǎng)也大部分選用此頻段。



在無線接入系統(tǒng)中，擴頻微波與常規(guī)微波相比有著3個顯著的優(yōu)點：抗干擾性強；頻點問題容易處理；價格比較便宜。而且，擴頻微波接入技術(shù)相比較有線接入技術(shù)來說，以其低成本、建設(shè)靈活、快捷的優(yōu)勢在接入網(wǎng)中起著不可替代的作用。



擴頻微波主要應(yīng)用在以下幾個方面。



1. 語音接入（點對點）



現(xiàn)有的擴頻微波，速率為64 kbit/s～8 Mbit/s，可傳1～120路（PCM）語音。特別是E1、2×E1和4×E1可取代常規(guī)的30路、60路和120路中小容量微波，抗干擾性極強，誤碼率可低到10-10量級，準光纖水平。時分雙工（TDD）E1，距離近些；頻分雙工（FDD）E1，距離還可遠些，在視距通信范圍擴頻微波可取代超短波（VHF/UHF）、常規(guī)小微波，以及電纜和光纖。它可以單獨或與各種復(fù)用設(shè)備結(jié)合，用于衛(wèi)星通信最后“一公里”、局間中繼、GMS系統(tǒng)基站到交換機間通信等很多場合。



2.數(shù)據(jù)接入



采用擴頻Modem和復(fù)用器，可以實現(xiàn)點對點的數(shù)據(jù)通信，再逐級匯集，也可組成很大的專用數(shù)據(jù)網(wǎng)，例如銀行的同城結(jié)算,可應(yīng)用于ISDN和DDN、FR網(wǎng)。



3.視頻接入



采用N×64 kbit/s或2 Mbit/s的擴頻Modem加上會議電視終端可傳會議電視信息。若將多個點對點擴頻信道和MCU相連，可以組成良好的多點擴頻會議電視系統(tǒng)。采用每秒可輸出22～25幀的圖像編解碼器（Codec），利用擴頻E1，就可傳送實時動態(tài)電視圖像。



4.多媒體接入



采用復(fù)用器，可在擴頻信道上同時傳送語音、數(shù)據(jù)和視頻圖像等多媒體信息�，F(xiàn)在已有的擴頻Modem與當前的多媒體通信發(fā)展水平相適應(yīng)，設(shè)備輕巧，易安裝，是較好的無線多媒體接入手段。



5.因特網(wǎng)（Internet）接入



采用小型擴頻發(fā)射器和全向天線，用戶終端只需配備一個很小的Modem即可實現(xiàn)無線上網(wǎng)，甚至是在一定范圍內(nèi)的可移動上網(wǎng)。



4 無線擴頻技術(shù)的典型應(yīng)用



4．1 作為有線接入方式的延伸



無線擴頻通信技術(shù)最典型的應(yīng)用是在有線設(shè)施使用受限的場合作為有線接入方式的延伸。



這種方式主要采用直接序列（DS）擴頻，它是將基帶信息碼用速率很高的偽隨機序列（PN序列）調(diào)制使其頻譜展寬，用仙農(nóng)公式解釋，就是用信道帶寬來換取信噪比的改善。在接收端，用與發(fā)端相同的PN序列進行相關(guān)接收，恢復(fù)發(fā)端信息，對于干擾信號由于PN碼相關(guān)性很小，使相關(guān)器輸出功率很低，提高了輸出信噪比。



由于直接序列擴頻同步要求較高，包括偽隨機碼同步、位同步、幀同步、載波同步，所以在應(yīng)用中以點對點方式組網(wǎng)較多(見圖2、圖3)。





圖 2 無線擴頻電對點連接





圖 3 無線擴頻在遮擋物延伸的應(yīng)用



4.2 無線局域網(wǎng)（WLAN）



無線局域網(wǎng)(WLAN，Wireless Local Area Networks)是相當便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它是局域網(wǎng)技術(shù)和無線技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它不僅提供了傳統(tǒng)LAN技術(shù)(如以太網(wǎng)和令牌網(wǎng))的所有功能和好處,而且消除了線纜的限制，使傳統(tǒng)的局域網(wǎng)擴大到了幾十公里的超長距離,并且非常完美地解決了原局域網(wǎng)的移動和頻繁布線問題。



無線局域網(wǎng)技術(shù)利用無線技術(shù)來實現(xiàn)點對點或點對多點之間的跨空間無線傳輸，然后利用特殊設(shè)備來實現(xiàn)無線和有線網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而將無線與有線網(wǎng)絡(luò)很好地聯(lián)系了起來，并繼承了兩者的優(yōu)勢。



無線局域網(wǎng)絕不是用來取代有線局域網(wǎng)的，而是用來彌補有線局域網(wǎng)之不足，以達到網(wǎng)絡(luò)延伸之目的，下列情形可能需要無線局域網(wǎng)：



◆無固定工作場所的使用者；


◆有線局域網(wǎng)架設(shè)受環(huán)境限制；


◆作為有線局域網(wǎng)的備用系統(tǒng)。



它采用無線直擴(DS)或跳頻擴頻(FHSS)技術(shù)，工作頻率為2.4～2.4835 GHz，采用國際IEEE 802.11b無線網(wǎng)絡(luò)通信標準，工作頻段屬于ISM國際通行的自由輻射工業(yè)頻段，它的速率為2～11 Mbit/s。



WLAN技術(shù)可以替代傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò),還可以對其可達范圍和功能進行擴展。構(gòu)造一個無線局域網(wǎng)所涉及的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品類型包括： Access Point（AP）、PCMCIA無線網(wǎng)卡以及PCI to PCMCIA轉(zhuǎn)接卡等。無線網(wǎng)卡是一種基于PCMCIA總線的無線網(wǎng)卡，它包括無線調(diào)制和射頻天線兩部分。符合IEEE 802.11b標準，是無線局域網(wǎng)的技術(shù)核心。AP是有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的橋接轉(zhuǎn)換部件，它具有一個PCMCIA插槽，為無線網(wǎng)卡提供了一個硬件工作平臺，同時它也是無線網(wǎng)絡(luò)的整個控制協(xié)調(diào)中心，為每一個客戶端提供服務(wù)。PCI to PCMCIA轉(zhuǎn)接卡是應(yīng)用在臺式機上的一種接口轉(zhuǎn)換卡，因為臺式微機不提供PCMCIA總線，無線網(wǎng)卡不能夠工作，所以PCI to PCMCIA轉(zhuǎn)接卡為無線網(wǎng)卡在臺式機上提供了一個工作平臺。參看圖4。





圖 4 WLAN示意圖



每個AP的覆蓋范圍有限，如果一個AP不能夠覆蓋整個區(qū)域，可以安裝多個AP組成微蜂窩網(wǎng)絡(luò)來覆蓋整個區(qū)域。還要通過網(wǎng)線把AP連接到網(wǎng)絡(luò)交換機。在用戶端，每個用戶都在自己的電腦上安裝一塊PCMCIA無線網(wǎng)卡，就可以輕松地接入到網(wǎng)絡(luò)中進行數(shù)據(jù)傳送、信息交流、在線討論等，享受網(wǎng)絡(luò)給我們帶來的方便。而且，用戶可以方便地實現(xiàn)在整個區(qū)域內(nèi)自由的不間斷的移動通信。全網(wǎng)絡(luò)的用戶的增減相當方便。



5 結(jié)束語



任何一種通信技術(shù)都不是十全十美的，每種技術(shù)都有它的優(yōu)點和特性，但也存在它的局限性。以有線接入與無線接入技術(shù)相結(jié)合架構(gòu)的接入網(wǎng)，真正可以做到無所不能接、無處不能入。我們要結(jié)合不同的技術(shù)來架構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮它們的優(yōu)勢，摒棄它們的局限性。同時我們還要密切注意當今技術(shù)的發(fā)展形勢，不斷地將新的技術(shù)（如DWDM、LMDS、3G等）吸收、應(yīng)用到我們的網(wǎng)絡(luò)來，為用戶提供更優(yōu)良的服務(wù)，為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟利潤。



摘自　電信建設(shè)