微波擴頻技術(shù)在交通系統中的運用

１微波擴展頻譜技術(shù)簡(jiǎn)介

微波擴展頻譜技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)微波擴頻(ＳＳ)技術(shù)。是９０年代以來(lái)在美國發(fā)展起來(lái)的一種新型民用計算機無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。其主要技術(shù)特點(diǎn)是：用９００ＭＨｚ、２.４５ＧＨｚ或３.５ＧＨｚ微波頻段作為傳輸媒介，以先進(jìn)的擴展頻譜方式發(fā)射信號的傳輸技術(shù)。

擴頻技術(shù)的基本特征是：使用比發(fā)送的信息數據速率高許多倍的偽隨機碼，把載有信息數據的基帶信號的頻譜進(jìn)行擴展，形成寬帶的低功率譜密度的信號來(lái)發(fā)射。

美國人香農(Ｃｌａｕｄｅ Ｅｌｗｏｏｄ Ｓｈａｎｎｏｎ)在信息論的研究中得出了如下的信道容量公式：
Ｃ＝Ｗｌｏｇ２(１＋Ｐ／Ｎ)
這個(gè)公式指出：如果信息傳輸速率Ｃ不變，則帶寬Ｗ和信噪比Ｐ／Ｎ可以進(jìn)行互換，就是說(shuō)：增加帶寬Ｗ就可以在較低信噪比Ｐ／Ｎ的情況下以相同的信息速率Ｃ來(lái)可靠地傳輸信息，甚至在信號被噪聲淹沒(méi)的情況下，只要相應的增加信號帶寬Ｗ，仍然保持可靠的通信，也就是可以用擴頻的方法以寬帶傳輸信息來(lái)?yè)Q取信噪比。這便是擴頻通信的基本思想和理論依據。其具體工作原理為：信息數據Ｄ經(jīng)過(guò)常規的數據調制，變成了帶寬為Ｂ１的基帶(窄帶)信號，再用擴頻編碼發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機碼(ＰＮ碼，Ｐｓｅｕｄｏ Ｎｏｉｓｅ Ｃｏｄｅ)對基帶信號作擴頻調制，形成帶寬Ｂ２(Ｂ２遠大于Ｂ１)功率譜密度極低的擴頻信號，這相當于把窄帶Ｂ１的信號以ＰＮ碼所規定的規律分散到寬帶Ｂ２上，再發(fā)射出去。接收端用與發(fā)射時(shí)相同的偽隨機編碼ＰＮ做擴頻解調，把寬帶信號恢復成常規的基帶信號，即以ＰＮ碼的規律從寬帶中提取與發(fā)射對應的成份積分起來(lái)，形成普通的基帶信號，然后，可再用常規的通信處理解調發(fā)送來(lái)的信息數據Ｄ，從而實(shí)現了住處數據Ｄ的傳輸。

　　微波擴頻技術(shù)最常用的方式有兩種：

一種是跳躍(Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｈｏｐｐｉｎｇ，ＦＨ)擴頻技術(shù)，ＦＨＳＳ以隨機模式傳輸信號，信號傳送過(guò)程中要經(jīng)過(guò)多次握手和同步，效率較低。另一種是直接序列(Ｄｉｒｅｃｔ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ，ＤＳ)擴頻技術(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)直擴)。直序擴頻(ＤＳＳＳ)是寬帶調制發(fā)射，與傳統的無(wú)線(xiàn)電窄帶調制發(fā)射方式不同，它以固定模式傳輸本頻段內信號，因而可以更加充分地利用帶寬；它具有傳輸速率高(可為２Ｍ－１１Ｍｂｐｓ或更高)、發(fā)射功率小(一般＜１００ｍｗ)、保密性好、抗干擾能力強的特點(diǎn)。故易于多點(diǎn)通信，其通信距離和覆蓋范圍視所選用的天線(xiàn)不同而異：定向傳送可達５～５０公里，室外的全向天線(xiàn)可覆蓋１５～２０公里的半徑范圍，室內全向可覆蓋最大半徑２５０米的５０００平方米范圍，并能穿透幾層墻甚至兩層樓的混凝土樓板。

　　微波擴頻無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )／通信技術(shù)在組網(wǎng)鏈路中所采用的是載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)／沖突避免(ＣＳＭＡ／ＣＡ)媒介訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議，遵從ＩＥＥＥ８０２.３以太網(wǎng)協(xié)議(ＥｔｈｅｒＮｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ)，同時(shí)也支持ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議，并與目前的幾種主流網(wǎng)絡(luò )操作系統完全兼容。它的運行環(huán)境是ＭＳ－ＤＯＳ３.１以上的操作系統、ＵＮＩＸ操作系統以及Ｗｉｎｄｏｗｓ環(huán)境。

目前微波ＤＳ擴頻設備主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)屬于無(wú)線(xiàn)Ｍｏｄｅｍ，具有ＲＳ２３２接口或Ｔ或Ｅ接口；另一類(lèi)屬于無(wú)線(xiàn)連網(wǎng)設備，包括無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋和無(wú)線(xiàn)ＩＰ路由器，一般都具有網(wǎng)絡(luò )接口，如：ＢＮＣ、ＡＵＩ、１０／１００Ｂａｓｅ－Ｔ、ＲＪ－４５等。

　　擴頻微波組網(wǎng)可完成高速率的無(wú)線(xiàn)通信：實(shí)現點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的通信及連網(wǎng)；能夠較好地傳送圖形、文字、話(huà)音、動(dòng)態(tài)圖象等信息；因信號弱，所以隱蔽保密性好，誤碼率低；具有網(wǎng)橋、路由器等功能，可實(shí)現局域網(wǎng)互連或遠程接入，也可以組合在高速移動(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)。

由此可見(jiàn)，微波擴頻技術(shù)為計算機無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )提供了良好的通訊信道。

２微波擴頻技術(shù)的特性

　　微波擴頻技術(shù)在發(fā)射端以擴頻編碼進(jìn)行擴頻調制，在接收端以相關(guān)解調技術(shù)收信，和傳統的布線(xiàn)相比較，具有諸多的優(yōu)良特性，最主要有：

　　(１)抗干擾能力強

　　表示擴頻通信特性的一個(gè)重要參數是擴頻增益Ｇ(ＳｐｒｅａｄｉｎｇＧａｉｎ)，Ｇ＝Ｂ２／Ｂ１。擴頻通信中，接收端對接收到的信號做擴頻解調，只提取擴頻編碼相關(guān)處理后帶寬為Ｂ１的信號成分，而排除了擴展到寬帶Ｂ２中的干擾、噪聲和其他用戶(hù)通信的影響，相當于把接收信噪比提高了Ｇ倍?？紤]到輸出端的信噪比和接收系統損耗，可以認為實(shí)際的擴頻增益帶來(lái)的信噪比的改善為：
Ｍ＝Ｇ－輸出端信噪比－系統損耗，公式中的Ｍ叫做抗干擾容限。
實(shí)際上，輸出端信噪比和系統損耗都比較小，所以Ｍ近似等于Ｇ。

　　(２)隱蔽性強、干擾小

　　因信號在很寬的頻帶上被擴展，則單位帶寬上的功率很小，即信號功率譜密度很低。信號淹沒(méi)在白噪聲之中，別人難于發(fā)現信號的存在，再加之不知擴頻編碼，就更難拾取有用信號。而極低的功率譜密度，也很少對其他電訊設備構成干擾。

　　(３)易于實(shí)現碼分多址

　　擴頻通信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。正是由于擴頻通信要用擴頻編碼進(jìn)行擴頻調制發(fā)送，而信號接收需要用相同的擴頻編碼之間的相關(guān)解擴才能得到，這給頻率復用和多址通信提供了基礎。
　　(４)抗多徑干擾

　　在無(wú)線(xiàn)通信中，抗多徑干擾問(wèn)題一直是難以解決的問(wèn)題，利用擴頻編碼之間的相關(guān)特性，在接收端可以用相關(guān)技術(shù)從多徑信號中提取分離出最強的有用信號，出可把多個(gè)路徑來(lái)的同一碼序列的波形相加使之得到加強，從而達到有效的抗多徑干擾。

　　(５)易于多媒體組網(wǎng)

　　微波擴頻技術(shù)應用了ＰＮ碼，是一個(gè)透明的高速數字通道，可以傳遞語(yǔ)音、傳真、數據和圖像等綜合業(yè)務(wù)。
　　　　　　　
　　(６)在不能使用傳統布線(xiàn)方式的地方或傳統布線(xiàn)比較困難的區域，微波擴頻技術(shù)可輕而易舉的實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的傳輸和鏈接，而且網(wǎng)絡(luò )建設速度快，設備安裝方便靈活，建設周期短，省時(shí)省力省費用。

　　總之，微波擴頻技術(shù)所組成的通信系統有一系列其他系統無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)解決了當代各種無(wú)線(xiàn)通信系統存在的干擾、泄密、選址、組網(wǎng)等四大問(wèn)題，取得了多方面的突破，受到了各行各業(yè)的重視和應用。

３微波擴頻技術(shù)在交通系統諸方面的運用
　　
３.１在長(cháng)江汽渡收費管理中的運用

　　長(cháng)江兩岸通信如何鏈接，怎樣實(shí)現收費數據和監控管理圖像的共享和統一監管？采用傳統的布線(xiàn)方式是不現實(shí)的。因為要跨越幾公里寬的長(cháng)江江面進(jìn)行布線(xiàn)、對長(cháng)江兩岸實(shí)現局域網(wǎng)絡(luò )的聯(lián)接和數據信號的傳輸幾乎是不可能的；若采用租用專(zhuān)線(xiàn)，時(shí)間長(cháng)、帶寬窄、沒(méi)有所屬權，需永久支付費用；而監控圖像的傳輸，所需的是高速帶寬(１Ｍｂｐｓ以上)線(xiàn)路，這樣的線(xiàn)路月租費用非常高，使用者難以承受。若通過(guò)無(wú)線(xiàn)＋有線(xiàn)的方案，便可以輕松地實(shí)現兩岸的組網(wǎng)。無(wú)線(xiàn)部分主要是通過(guò)微波擴頻技術(shù)實(shí)現兩岸通信鏈路的聯(lián)通，只要通過(guò)擴頻設備的安裝及無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)的架設，便可實(shí)現兩岸局域網(wǎng)絡(luò )的聯(lián)接和數據信號的傳輸。

３.２在運河監控及管理上的運用

　　運河上如何實(shí)現適時(shí)監控圖像的多點(diǎn)共享和統一控制，通過(guò)組網(wǎng)對多事故發(fā)生地帶進(jìn)行監控、預警和報警？京杭大運河兩岸城市諸多如蘇州、無(wú)錫等這樣的古城歷史文化悠久，古建筑非常豐富，且很多地段貫城而過(guò)，無(wú)法采用傳統的布線(xiàn)方式，也不宜用長(cháng)期租用專(zhuān)線(xiàn)的方法。但若用微波擴頻的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)，監控圖像及數據的傳輸、共享便可輕松實(shí)現。即使鏈接中存在不能直通，同樣可采用微波擴頻通信的中繼來(lái)實(shí)現通信線(xiàn)路的鏈接。所需做的也不過(guò)是微波擴頻設備的選用、安裝，調試，這可大大地節省時(shí)間和經(jīng)費。

３.３在不停車(chē)電子收費系統中的運用

　　不停車(chē)電子收費系統(ＥＴＣ)，應該說(shuō)是將來(lái)高速公路收費系統的主要收費方式。不停車(chē)電子收費系統(ＥＴＣ)是指車(chē)輛通過(guò)收費站時(shí)無(wú)須特別的減速或停車(chē)，這將有效提高收費站的通行能力，解決因人工收費造成的收費站交通堵塞、車(chē)輛延誤、工時(shí)損失、能源消耗和環(huán)境污染等問(wèn)題；另一方面可以減少過(guò)往司機攜帶現金量和財務(wù)報帳手續，方便了車(chē)輛的出行，同時(shí)堵住了路橋收費中可能出現的漏洞，防止了舞弊現象。而這些功能的實(shí)現，采用傳統布線(xiàn)形成的網(wǎng)絡(luò )方式是無(wú)法做到的，目前唯有通過(guò)無(wú)線(xiàn)方案來(lái)實(shí)現，經(jīng)過(guò)多個(gè)階段的發(fā)展，應用微波擴頻技術(shù)的電子不停車(chē)收費系統已成為歐美等發(fā)達國家普遍采用的收費方式：將無(wú)線(xiàn)微波擴頻技術(shù)運用到應答器與收發(fā)器上，遵循ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議，實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )的聯(lián)通，從而達到數據共享。車(chē)輛與收費車(chē)道的數據通信通過(guò)兩個(gè)裝置來(lái)完成微波擴頻讀寫(xiě)，一個(gè)是安裝在汽車(chē)擋風(fēng)玻璃等處的應答器，另一個(gè)是安裝在收費島頭等處的天線(xiàn)。特別要指出的是，不停車(chē)收費系統不僅適用于高速公路收費，還可以應用于停車(chē)場(chǎng)、加油站、公路規費的征收、車(chē)輛的年審檢測等交通管理的綜合一體化服務(wù)。

３.４其他方面的問(wèn)題

　　微波擴頻技術(shù)在交通系統中的運用，不僅只限于上述幾個(gè)方面，還能運用交通系統的其他方面，諸如客運公司無(wú)線(xiàn)移動(dòng)售票、交通運輸執法部門(mén)的現場(chǎng)辦公、執法(通過(guò)無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)終端共享數據)、５０公里內的臨時(shí)通信等等。當然在使用微波擴頻技術(shù)時(shí)，必須考慮到相連單位距離不能太遠，并且兩點(diǎn)直線(xiàn)范圍內不能有阻擋物。若存在阻擋物或更遠距離，則要通過(guò)微波擴頻技術(shù)傳輸中的中繼轉換來(lái)實(shí)現。同時(shí)，在無(wú)線(xiàn)通信方案的組織、設備的選型上都必須根據具體的情況作出相應的決策。

４結束語(yǔ)

微波擴頻技術(shù)及產(chǎn)品是現代多種高科技技術(shù)的結晶，隨著(zhù)微波擴頻技術(shù)和產(chǎn)品制造工藝的日趨完善，微波擴頻無(wú)線(xiàn)／網(wǎng)絡(luò )具備有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )／通信難以比擬的靈活性、移動(dòng)性、可擴展性、可伸縮性，在交通行業(yè)中將有廣闊的應用前景。