擴頻技術(shù)在現代無(wú)線(xiàn)通信中的應用

ABSTRACT：The paper briefly reviews the Spread Spactrum Technology using in CDMA and IEEE802.11. And it`s characteristic,application and future.
KEY WORDS：Spread Spactrum; FHSS; DSSS; CDMA; IEEE802.11
一. 引言
1.1起源與原理
擴頻通信是40年代發(fā)展起來(lái)的一種技術(shù)，用來(lái)為戰爭環(huán)境下的軍隊提供可靠安全的通信。在戰爭環(huán)境下，敵人會(huì )搜索目標所發(fā)送的傳輸頻段，一旦確定頻點(diǎn)后就可以偵聽(tīng)目標，或者破壞目標的信息傳送。
擴頻通信比傳統的窄帶通信需要更大的帶寬，后者只需要在特定的射頻上傳送信息，因此容易被跟蹤和檢測。擴頻通信占用較寬的頻譜，接收機只有知道與擴頻有關(guān)的所有信息后才能正確接受，否則擴頻信號表現得就像靜態(tài)的或背景噪聲一樣，因此采用擴頻技術(shù)使得通信不易被干擾。如果要達到干擾的目的，對方需要知道擴頻信號的參數或者在整個(gè)頻段上進(jìn)行干擾，后一種方法是很難實(shí)現的。另外，如果不知道擴頻參數就不可能截獲對方的任何通信信息。

1.2實(shí)現方法
有三種方法可以實(shí)現擴頻通信，分別是跳頻擴頻（FHSS）、直接序列擴頻（DSSS）和跳時(shí)擴頻（THSS）。
(1) 跳頻擴頻（FHSS）:采用跳頻擴頻技術(shù)，使當前發(fā)送的窄帶載波根據偽隨機碼序列的變化而變化，所有載波覆蓋整個(gè)頻段，這也是這個(gè)名字的由來(lái)。
(2) 直接序列擴頻（DSSS）:采用直接序列擴頻技術(shù)，數字碼調制一個(gè)載波，碼比特速率遠遠大于信息比特速率。碼比特是直接序列擴頻的一種比特冗余模式，這種冗余比特也叫碼片或切普碼。碼片越長(cháng)，接收機越能很好地接受原始信號。但是由于每個(gè)信息比特編碼成一串比特，所以需要更多的帶寬。
(3) 跳時(shí)擴頻(THSS):用擴頻碼片啟閉鍵控發(fā)射機，將一個(gè)信碼的持續時(shí)間分成若干時(shí)隙，由擴頻碼片控制在哪一個(gè)時(shí)隙中發(fā)射一個(gè)信碼。
二．擴頻技術(shù)的兩種主要應用
2.1以直接序列擴頻技術(shù)為基于的多址接入移動(dòng)通信方式CDMA
如果把無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統按照它們的接入方式分類(lèi)，我們可以將每個(gè)系統歸到以下三類(lèi)：頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）。
而CDMA就是一種以直接序列擴頻技術(shù)（DSSS）為基礎的多址接入移動(dòng)通信。
2.1.1演變
Qualcomm（高通）公司被認為是CDMA的先驅?zhuān)募夹g(shù)已經(jīng)允許給世界65個(gè)通信廠(chǎng)家使用。在最初設計CDMA時(shí)，Qualcomm有一段非常艱難的日子，許多人懷疑該技術(shù)背后的概念和公司所宣傳的性能，即CDMA能提供相當于FDMA的7~10倍容量，或者TDMA的6倍容量。事實(shí)上CDMA不僅提供了遠大于FDMA和TDMA的容量，它還具有其他接入方式所不具有的優(yōu)點(diǎn)。這包括降低了背景噪聲和干擾，提高了安全性和個(gè)人性，能直接支持Internet協(xié)議（IP），提高話(huà)音和通話(huà)質(zhì)量。

2.1.2直接序列擴頻技術(shù)在CDMA中的應用
CDMA是一種以直接序列擴頻技術(shù)為基礎的多址接入通信方式，這種方式是通過(guò)給每個(gè)用戶(hù)分配一個(gè)具有良好自相關(guān)性和弱互相關(guān)性的唯一擴頻碼片（也叫偽隨機序列PN碼），并用它對承載信息的信號進(jìn)行編碼而實(shí)現的。在接收端，接收機使用相同擴頻碼片對收到的信號進(jìn)行解碼，并將其轉換成原始帶寬信號，而其他用戶(hù)的寬帶信號卻保持不變。這是因為該用戶(hù)為隨機碼序列與其它用戶(hù)偽隨機碼序列的互相關(guān)性很小。
為了直觀(guān)說(shuō)明直接序列擴頻通信，假設每個(gè)信息比特采用3比特的擴頻碼片，在直接序列擴頻通信中每個(gè)信息比特與擴頻碼片進(jìn)行異或操作（模2加），然后傳送出去。表1給出了采用擴頻碼片010傳送信息比特101的例子，注意使用3比特的擴頻碼片，三個(gè)信息比特就變成了9個(gè)連續的比特。

信 息 比 特 101
擴頻碼片（偽隨機碼） 010
傳送比特（異或操作后） 101010101
表1

也就是說(shuō)，第一個(gè)信息比特“1”與每個(gè)擴頻碼片“010”進(jìn)行異或，從而產(chǎn)生比特序列“101”，然后代表信息比特“1”傳送出去。接著(zhù)信息比特“0”與每個(gè)擴頻碼片“010”進(jìn)行異或，得到“010”，然后代表信息比特“0”發(fā)送出去。最后第三個(gè)信息比特“1”與擴頻碼片進(jìn)行異或，得到三個(gè)比特“101”，然后代表信息比特“1”發(fā)送出去。
由于擴頻碼片給要傳送的信息比特增加了冗余位，這使得接收機能夠在一個(gè)或多個(gè)原始數據遭到破壞后仍能恢復數據。當然數據恢復能力取決于擴頻碼片長(cháng)度與被破壞的數據長(cháng)度。如果能夠恢復數據，就可以避免重傳。如果接收機不知道擴頻碼片，那么它就不能正確接受信息，接受信號表現為低功率的寬帶噪聲，所以直接序列擴頻適用于可靠安全的軍事通信。

2.1.3使用直接序列擴頻技術(shù)為基礎的優(yōu)點(diǎn)
正是由于CDMA使用了這種基于直接序列擴頻技術(shù)為基礎的多址接入方式使得CDMA天生具備了很多擴頻技術(shù)天生的優(yōu)點(diǎn)。主要有：
（1） 由于使用擴頻信號，系統具有很強的抗多種干擾的能力，特別是具有抗多徑干擾的能力。
（2） 擴頻信號的功率譜密度很低，即在單位帶寬中的功率很小，對于一般非擴頻通信系統幾乎不構成干擾因此可以與其共用同一頻段從而提高頻帶利用率。
（3） 保密性好。這是因為傳輸的信號只能由知道此信號擴頻碼片的接收機才能恢復原始信號。
（4） 低攔截概率。因為它的功率譜密度低，擴頻信號很難被惡意接收者檢測和攔截。

2.1.4應用與3G-CDMA
提到CDMA就不得不提到如今最熱門(mén)的3G移動(dòng)通信技術(shù)，也就是第三代移動(dòng)通信技術(shù)。
第一代移動(dòng)通信系統通常指提供模擬業(yè)務(wù)的一些無(wú)線(xiàn)系統，如美國的AMPS、英國的TACS。緊接著(zhù)是幾種不同類(lèi)型的移動(dòng)通信系統，主要采用不同的接入方式來(lái)提高系統的容量，并提供更好的質(zhì)量以及其他特點(diǎn)?；赥DMA的D-AMPS 1900(北美)、GSM（歐洲）和CDMA都代表著(zhù)第二代移動(dòng)通信技術(shù)。
第二代系統的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是它們僅限于語(yǔ)音、傳真和低比特速率的數據傳輸。因為當前的時(shí)代需要Internet、MP3和多媒體，所以第二代系統已經(jīng)不能滿(mǎn)足現代應用了。
現在世界各國都在研究能夠提供更高傳輸速率的寬帶CDMA，能提供各種多媒體和網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)的移動(dòng)通信方式，也就是第三代（3G）移動(dòng)通信，并已經(jīng)取得一定成果。
為了提供比其他接入方式更高的容量和優(yōu)點(diǎn)，IMT-2000（由國際電信聯(lián)盟ITU啟動(dòng)的通用移動(dòng)電信系統/國際移動(dòng)電信2000計劃）在接受了各國對于第三代移動(dòng)通信方式的提案后，采用CDMA技術(shù)，列出了三個(gè)標準。即美國的CDMA2000，歐洲的WCDMA和中國的TD-SCDMA。到時(shí)使用手機高速上網(wǎng)，進(jìn)行可視電話(huà)將不再是夢(mèng)想。這也正是CDMA網(wǎng)絡(luò )相比GSM網(wǎng)絡(luò )及其下的GPRS技術(shù)所無(wú)法取代的優(yōu)勢所在。

2.2以跳頻、直接序列擴頻為基礎的（IEEE）802.11無(wú)線(xiàn)LAN
在20世紀80年代初期，美國電氣和電子工程師學(xué)會(huì )（IEEE,Institute of Electrical and Electronics Engineers）就開(kāi)始致力于局域網(wǎng)的模型體系—IEEE802的開(kāi)發(fā)。雖然IEEE是美國的一個(gè)組織，但是由于其會(huì )員遍布全球各地，所以實(shí)際上該學(xué)會(huì )具有國際學(xué)會(huì )的性質(zhì)。IEEE本身并不是一個(gè)標準化的組織，但是IEEE802工作組卻為局域網(wǎng)的標準化做出了杰出的貢獻。
IEEE802作為主要的局域網(wǎng)標準，其中還根據局域網(wǎng)絡(luò )的領(lǐng)域以及應用層次劃分了很多子協(xié)議，如：IEEE802.3、IEEE802.11等，這些都是IEEE802家族中的成員。

2.2.1 IEEE802.11
IEEE802.11是IEEE最初制定的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)標準。主要用于難于布線(xiàn)的環(huán)境或移動(dòng)環(huán)境中計算機的無(wú)線(xiàn)接入。工作在2.4GHz頻段，因為2.4GHz是全球的無(wú)許可證頻段，留給工業(yè)、科學(xué)和醫療領(lǐng)域使用。實(shí)際使用的信道數、功率和頻率分配取決于特定國家的頻率分配使用規劃。
IEEE802.11工作組最初的成果叫802.11a標準，是第一版的無(wú)線(xiàn)LAN標準，以跳頻擴頻為基礎，最高傳輸速率可達2Mbps。由于802.11a的傳輸速率不能很好的滿(mǎn)足人們的需求，所以第二版的802.11即802.11b把速率提高到了5.5Mbps和11Mbps，加入了直接序列擴頻的擴頻通信技術(shù)。

2.2.2跳頻擴頻在IEEE802.11a中的應用
跳頻擴頻通信是用偽隨機序列PN碼構成跳頻指令來(lái)控制頻率合成器，使其輸出頻率在信道內隨機變化，在接收端用與發(fā)端相同的本地偽隨機碼構成的跳頻指令去控制本地頻率合成器，使其輸出的跳頻信號能在混頻器中與接收到的跳頻信號差頻出一個(gè)固定的中頻信號來(lái)，經(jīng)中放及帶通濾波器送到數字解碼器輸出端恢復出原信息。
在IEEE802.11a中，支持兩種調制方式。工作速率為1Mbps時(shí)采用差分二相鍵控調制（DBPSK），工作速率為2Mbps時(shí)采用差分四相鍵控調制（DQPSK）。
采用DBPSK調制時(shí)，每個(gè)相位的變化用一個(gè)比特表示。而在DQPSK中，調制過(guò)程以?xún)蓚€(gè)比特為單位，即每個(gè)相位的變化用兩個(gè)比特表示。

2.2.3直接序列擴頻在IEEE802.11b中的應用
最初的IEEE802.11標準，現在叫做IEEE802.11a協(xié)議。但是要注意直接序列擴頻在最近標準化的IEEE802.11b建議中是唯一支持的方式。在IEEE802.11b標準中，可支持的數據速率是5.5Mbps和11Mbps。與IEEE802.11a唯一的區別是采用了不同的擴頻碼片。IEEE802.11a采用11比特的Barker擴頻碼片，而IEEE802.11b采用8比特的補充碼鍵（CCK）算法。

2.2.4IEEE802.11在現代無(wú)線(xiàn)LAN中的應用與前景
在現代化的賓館、會(huì )展中心、圖書(shū)館等場(chǎng)所，基于IEEE802.11的電腦適配器，如：PCI無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡、PCMCIA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡、USB口的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡、PDA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )適配器等都可以給顧客提供高速、方便的接入LAN和Internet的服務(wù)。除了室內，它還可以用在室外，并實(shí)現漫游，如：停車(chē)場(chǎng)、校園、商務(wù)金融中心等。
三．結束語(yǔ)
移動(dòng)通信與互聯(lián)網(wǎng)作為兩個(gè)邁入信息社會(huì )的重要標志，正在互相融合與互補。它們的融合帶給人們的技術(shù)將是個(gè)人多媒體無(wú)線(xiàn)通信、高速的無(wú)線(xiàn)寬帶接入技術(shù)、便捷的無(wú)線(xiàn)LAN互連技術(shù)等。而這些技術(shù)所對應的產(chǎn)品必定是各種功能齊全的多媒體3G手機，PDA、NOTEBOOK、PC無(wú)線(xiàn)LAN、Internet接入適配器。 而這些技術(shù)和產(chǎn)品帶給人們的必定是更為快速、方便的移動(dòng)通信和信息資源的共享與獲取。
我們可以看到種種基于擴頻技術(shù)的通信技術(shù)和產(chǎn)品：CDMA、IEEE802.11正是在把這種移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)融為了一體。相信在未來(lái)的2~5年里，隨著(zhù)這些技術(shù)和產(chǎn)品的不斷成熟和投入商用，必將把正處于低谷的通信行業(yè)再次推向一個(gè)高峰。

參考文獻：Gil Held 《Data Over Wireless Networks: Bluetooth™、WAP&Wireless LANs》
人民郵電出版社 2001
劉曉輝、楊建《IEEE802家族挨個(gè)數》 《新潮電子》2002年第11期

作者簡(jiǎn)介：王渭，現就讀于中國礦業(yè)大學(xué)信息工程99-8班，電子工程與信息技術(shù)專(zhuān)業(yè)，學(xué)士。熟悉現代電子技術(shù)、數碼產(chǎn)品和現代移動(dòng)通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò )。