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扩展频谱通信技术起源于军事通信网络,其主要想法是将信号散布到更宽的带宽上以减少发生阻塞和干扰的机会。早期的扩频方式是频率跳动扩展频谱(Frequency-Hopping Spread
Spectrum, FHSS ),更新的版本是直接序列扩展频谱(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS ),
这两种技术在无线局域网中有应用,这一节简要介绍扩频通信的关键技术。
图2-13表示了各种扩展频谱系统的共同特点。输入数据首先进入信道编码器,产生一个
接近某中央频谱的较窄带宽的模拟信号。再用一个伪随机序列对这个信号进行调制.调制的结果是大大拓宽了信号的带宽,即扩展了频谱.在接收端,使用同样的伪随机序列来恢复原来的信号,最后再进入信道解码器来恢复数据。
伪随机序列由一个使用初值(称为种子(seed) )的算法产生。算法是确定的,因此产生的
数字序列并不是统计随机的。但如果算法设计得好,得到的序列还是能够通过各种随机性测试,这就是被叫做伪随机序列的原因。重要的是除非你知道算法与种子,否则预测序列是不可能的。因此只有与发送器共享一个伪随机序列的接收器才能成功地对信号进行解码。
在这种扩频方案中,信号按照看似随机的无线电频谱发送,每一个分组都采用不同的频率传输。在所谓的快跳频系统中,每一跳只传送很短的分组。甚至在军事上使用的快跳频系统中,传输一比特信息要用到很多比特.接收器与发送器同步地跳动,因而可以正确地接收信息。监听的入侵者只能收到一些无法理解的信号,干扰信号也只能破坏一部分传输的信息。图2-14是用跳频模式传输分组的例子。10个分组分别用f4、f6、f2、f1、f4、f8、f2、f9、f3等9个不同的频点发送。
在定义无线局域网的IEEE 802.11标准中,每一跳的最长时间规定为400ms,分组的最大长度为30ms。如果一个分组受到窄带千扰的破坏,可以在400ms后的下一跳以不同的频率重新发送.与分组的最大长度相比,400ms是一个合理的延迟.802.11标准还规定,FHSS使用的频点间隔为I MHz,如果一个频点由于信号衰落而传输出错时,400ms后以不同频率重发的数据将会成功地传送。这就是FHSS这种通信方式抗干扰和抗信号衰落的优点。
在这种扩频方案中,信号源中的每一比特用称为码片的N个比特来传输,这个过程在扩展器中进行。然后把所有的码片用传统的数字调制器发送出去。在接收端,收到的码片解调后被送到一个相关器,自相关函数的尖峰用于检测发送的比特。好的随机码相关函数具有非常高的尖峰/旁瓣比,如图2-15所示。数字系统的带宽与其所采用的脉冲信号的持续时间成反比。在DSSS系统中,由于发射的码片只占数据比特的1/N,所以DSSS信号的带宽是原来数据带宽的N倍。
图2-16所示的直接序列扩展频谱技术是将信息流和伪随机位流相异或。如果信息是I,它将把伪随机码置反后传输;如果信息位是0,伪随机码不变,照原样传输。经过异或的码与原来伪随机码有相同的频谱,所以它比原来的信息流有更宽的带宽。在本例中,每位输入数据被变成4位信号位。
在美国,有3条微波频带用于免许可证的扩展频谱系统:902到928MHz (915MHz频带)、
2.4到2.44835GHz (2.4GHz频带)、5.725到5.875GHz (5.8GHz频带)。频谱越高,潜在的带
宽也越大。另外,还要考虑可能出现的干扰.有些设备(例如无绳电话、无线麦克、业余电台
等)的工作频率为900MHz。还有些设备运行在2.4GHz上,典型的例子就是微波炉,它使用久了会泄露更多的射线。目前看来,在5.8GHz频带上还没有什么竞争。但是频谱越高,设备的价格就越贵。
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