無線擴頻技術比較

2019-11-05 02:42:51

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供稿：網友

　　擴展頻譜通信最早始于軍事通信，直到80年代末，美國FCC規劃出了ISM頻段，并且可以由采用擴頻通信機制的商用通信使用。由于擴頻通信在提高信號接收質量，抗干擾，保密性，增加系統容量方面都有突出的優點。擴頻通信迅速地在民用，商用通信領域普及來。近年來在國內，擴頻通信技術如雨后春筍般發展起來，已經廣泛應用在室內局域網互連，室外遠程城域網互連等領域。眾多的國際無線擴頻廠商紛紛加入了國內市場的競爭。如：PCOM（Cylink)，ioWave，Breezecom，SR，Harris，Wireless，Glenayre等。如今,擴頻微波產品已經廣泛應用于中國的電信，移動，金融，證卷，稅務，電力，公安，水利，交通，油田，衛生，廣電等部門，并已安裝了上萬套的擴頻微波設備。
　　　　常規無線通信，其載波頻譜寬度集中在其載頻四周的窄帶帶寬內。而擴頻通信采用專門的調制技術，即將調制后的信息擴展到很寬的頻帶上去。常用的商用擴展頻譜技術分為兩種：即直接序列擴頻技術和跳頻技術。需要注重的是，即使采用同樣擴頻技術，各種產品實現的方法也是不相同的。一些用戶的擴頻設備很實現了通信連網的目的，而另外一些擴頻設備在應用中則不斷出現問題或實際性能明顯低于期望和產品指標。因此使廣大用戶對擴頻通信技術產生了不同的熟悉。PCOM，ioWave，Glenayre公司均采用直序擴頻技術，Breezecom公司采用跳頻技術，用戶可以根據實際應用需要，選用不同的擴頻技術，更好的達到應用目標。
　　直擴系統
　　　　直擴技術使用偽隨機碼（PN CODE）對信息比特進行模2加得到擴頻序列，然后將擴頻序列調制載波發射到空中，此時系統占用功率譜密度也大大降低。PN碼由偽隨機序列發生器產生，其碼速比原始信息碼速高的多，每一PN碼的長度（即切普CHip寬度）很小。
　　　　直擴系統的接收一般采用相關接收，分為兩步，即解擴和解調。在接收端，接收信號經過放大混頻后，用于發射端相同且同步的偽隨機碼對中頻信號進行相關解擴，把擴頻信號恢復成窄帶信號，然后再解調，恢復原始信息序列。對于干擾和噪音，由于與偽隨機碼不相關，接收機的相關解擴相當于一次擴頻，將干擾和噪音進行頻譜擴展，降低了進入頻帶內的干擾功率，同時使得解調器的輸入信噪比和載干比提高，提高了系統的抗干擾能力。另外，采用不同PN碼即不相關的接收機很難發現和解出擴頻序列中的信息，由于不同構造的PN碼之間相關性很低，碼分多址CDMA就是采用同樣原理區別不同的用戶。
　　　　對于直擴系統最好是先解擴再解調，因為無線信號在空間傳輸中會有很大的信號衰減。未解擴前的信噪比很低，甚至信號沉沒在噪聲中。一般解調器很難在很低的信噪比下正常解調，導致高誤碼。
　　但在室內通信條件下，由于信號有較高的強度，可以先解調后解擴。當信號達到一定電平時，簡單的解調器已經能夠正常的工作，可以先將信號解調為一個數據流（未解擴），然后用普通的集成電路進行數字相關信號解擴。采用直擴的無線局域網卡一般采用這種方法，射頻單元的處理大為簡化，體積可以縮小很多，并且成本明顯下降。
　　　　在性能上，先解擴再解調明顯優于先解調后解擴。先解擴可以通過解擴過程獲得擴頻增益（擴展的頻譜帶寬與原始信息的帶寬之比），提高接收信號信噪比。室外遠程（2、3公里以上的）擴頻通信必須采用這種方式，以保證通信質量和可靠性。
　　直擴系統的同步
　　　　直擴系統采用先解擴時，首先只有在完成偽隨機碼（PN碼）的同步后才可能用同一碼序列對擴頻信號進行相關解擴。接收機本地PN碼的速率和相位要與接收到的高速擴頻序列保持一致。即使發射和接收端的相位差大于一個CHIP碼片時，它們的相關性就不存在。解擴的第一步就是要在接收信號中捕捉到一個與本地PN碼一致的相位狀態。
　　　　擴頻序列中的相位捕捉一般采用匹配濾波器或相位搜索電路實現，接收機在搜索同步過程中，通過改變本地PN碼的時鐘速率，使接收信號中的PN碼相位和本地PN碼相位在相關器內相對滑動?；瑒舆^程中，當相關峰值超過捕捉門限，標志完成同步捕捉，此時收發雙方的PN碼的相位誤差已經小于一個切普碼寬（Tc）。捕捉進入跟蹤狀態，相位差進一步縮小，相關性增大，獲得高的解擴信號信噪比，滿足以后的解調門限的要求。
　　　　直擴技術中還有一種更高級的接收技術，叫RAKE接收技術。RAKE接收技術可以實現多徑分集。由于大氣狀況，地理位置等各種組合因素影響，信號在空間的傳輸與只有直射波有很大不同，信號經過多條路經（直射，反射，折射，大氣波導）經過不同時延到達接收端，各個信號到達的時間不同，相位不一致，造成最終信號的幅度相互抵消，引起信號大幅度衰落。
　　　　先解擴后解調的直擴系統具備了抗多徑的能力，在時間上將主通道（最大峰值）上的相關峰分離出來。從而降低多徑干擾。而RAKE接收技術實現多徑分集技術，可以將接收的各個多徑信號組合起來，獲得加權增益，轉化為合成的信號，達到更高的抗衰落性能。但由于　RAKE技術的接收加權合并實現復雜而且昂貴，目前只有美國少數幾家公司在其擴頻系統中實現了這一技術。
　　直擴中的"假擴頻"
　　假擴頻"即軟擴頻，對于無線局域網，要在室內近距離范圍內達到速率每秒數兆比特時，若采用一般的直序擴頻技術，則系統擴展的頻譜帶寬甚至會超過開放ISM頻段規定的頻率范圍。與"真擴頻"方法不同，軟擴頻實際是采用編碼的方法完成頻率的擴展。軟擴頻是一種（N，K）編碼，K為信息碼由N位長的偽隨機序列來表示。用幾位信息元對應一條偽隨機碼，擴展的倍數不大，而且不一定是整數。而對比"真擴頻"，每一位信息碼都與多個整數位的PN碼相模2加。在室內距離通信的條件下，軟擴頻既滿足開放頻段的系統要求，也能達到很高的速率，成本也低。
　　跳頻技術
　　　　跳頻技術與直序擴頻技術完全不同，是另一種意義上的擴頻。跳頻的載頻受一個偽隨機碼的控制，在其工作帶寬范圍內，其頻率合成器按PN碼的隨機規律不斷改變頻率。在接收端，接收機頻率合成器受偽隨機碼控制，并保持與發射端變化規律相同。
　　　　跳頻是載波頻率在一定范圍內不斷跳變意義上擴頻，而不是對被傳送信息進行擴譜，不會得到直序擴頻的處理增益。跳頻相當于瞬時的窄帶通信系統，基本等同于常規通信系統，由于不能抗多徑，同時發射效率低，同樣發射功率的跳頻系統在有效傳輸距離上小于直擴系統。跳頻的優點是抗干擾，定頻干擾只會干擾部分頻點。用于語音信息的傳輸，當定頻干擾只占一部分時不會對語音通信造成很大的影響。
　　　　跳速的高低直接反映跳頻系統的性能，跳速越高抗干擾的性能越好，軍事上的跳頻系統可以達到每秒上萬跳。實際上移動通信GSM系統也是跳頻系統，其規定的跳速為每秒217跳。出于成本的考慮，商用跳頻系統跳速都很慢，一般在50跳/秒以下。由于慢跳跳頻系統可以簡單的實現，因此低速無線局域網產品經常采用這種技術?！?br />　　不同擴頻系統性能
　　　　以上描述了各種不同擴頻通信系統的原理和性能，擴頻通信設備的實現方法和難易程度，直接決定了其最終性能和成本。一般講慢跳跳頻系統的實現最簡單，成本最低，但性能最差。采用軟擴頻的編碼技術可以達到高速率，但限制到室內近距離范圍內應用。先解調后解擴的直擴系統，可以采用集成電路直接對擴頻序列進行數字處理，但前提是有足夠高的信號強度。
　　擴頻系統中性能最好的是直接序列擴頻中的先解擴再解調的技術，這種擴頻系統對擴頻信號先相關，再相關解調，需要完成偽隨機碼的同步和載波恢復，大大增加了系統的復雜程度。例如，一個速率64K的直擴系統，其偽隨機碼的速率要超過5Mbit/s左右，其實現方法比之于3M速率的跳頻系統還要復雜的多。因此，高性能的直序擴頻系統的成本很高。
　　信道特性對擴頻系統的影響
　　　　信道特性對無線信號的傳輸至關重要，信號通過不同的信道發生不同的失真和畸變。通信系統的收發設備必須依據信道特征來設計，采用不同技術的無線擴頻系統應用定位也不相同。
　　在無線通信中由于氣候，環境，距離等各種因素的影響，接收到的信號幅度和相位是隨機起伏變化的，主要需要考慮的是慢衰落，快衰落，平衰落，頻率選擇性衰落。室內信道的時間衰落特性是慢衰落的，同時時延擴展因素小，因而較為簡單的達到通信速率Mbps數量級以上。而室外無線傳輸信道的特征有很大不同。必須考慮各種快衰落，深度平衰落，長擴展時延等因素。通信速率高（占用帶寬大）時還要考慮頻率選擇性衰落等各種不確定因素。另外其接收靈敏度必須保障在信號衰減上百dB情況下的信號拾取。
　　　　為保證通信質量和通信可靠性（用可用度表示）。常規微波頻段通信系統為了保證足夠的性能指標（誤碼指標）一般會預先在鏈路設計上予留30~50dB的鏈路裕度（或稱衰落儲備）。然而對于多徑傳輸和深度衰落等原因造成的誤碼，除了采用快速自動增益控制AGC等手段之外。必須采用抗多徑衰落的技術。正如前文所敘，采用直擴技術中高性能的實現手段（先解擴再解調）可以很好抵消多徑衰落的不利影響。更好的RAKE接收技術甚至可以實現多徑分集接收，進而抵消室外無線衰落信道系統中的性能嚴重惡化。另外由于直擴技術的頻譜很寬，部分頻帶的選擇性衰落不會影響整體接收。
　　　　一般不要將室內擴頻設備用于室外，例如，即使利用高的鐵塔和好的傳輸路線空間，無線局域網擴頻產品實際上并不能解決由于信道特性引起的通信質量迅速下降。一般無線局域網擴頻設備使用高增益天線在傳輸距離超過3，4公里后，誤碼率仍然會迅速上升，并且隨氣候和環境的變化可用度很低。此時采用加入功率放大器等增加發射功率的措施是不現實的，考慮到深衰落和設備的非線形失真，誤碼率會出現平展，同時由于匹配非線形產生的寄生輻射甚至可能會影響常規微波頻段的其他設備正常通信。

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