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标题: 论扩频技术及其在本地接入网中的应用 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-13 14:35
标题: 论扩频技术及其在本地接入网中的应用
摘要：本文主要介绍了扩频技术并列举了无线扩频技术在本地接入网中的主要应用方式。

　　关键词：扩频技术；频谱；接入网；点对点；中继

1 引言

　　随着计算机及通信技术的发展，越来越多的用户提出了对通信服务的迫切需求，而原有的有线接入方式受地理环境的影响较大，且施工敷设工程量大，短时间难以迅速提供通信服务。无线接入方式作为有线接入的扩展和补充，在有线设施使用受限的场合发挥了无可替代的作用。

　　传统的模拟无线通信一般采用调频（FM）和调幅（AM）两种方式，不能适应高速数据通信的要求。进入20世纪80年代后，数字无线数据通信方式成为主流，其调制方式有振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键控（PSK），其优势是便于采用先进的数字信号处理技术，如均衡技术、编码技术等等，提高了数据传输速率和传输的可靠性。但是这些系统也存在一些缺陷。一方面，由于无线通信信道的开放性，通信环境不可避免地存在各种各样的突发干扰，使得信号传输的可靠性降低，同时，信道的时域和频域选择性衰落，使得数据传输速率的提高受到限制；另一方面，随着无线业务的快速增长，要求无线网络具备相当的灵活性，以适应业务的发展变化。这些都是常规的无线数字通信难以解决的。这些因素促成了对采用新技术的需求，以提高数据传输速率并进一步提高传输的可靠性。无线扩频通信技术由此得到了关注和发展。

2 扩频通信系统概述

　　扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，它与光纤通信、卫星通信一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。

扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。

扩频通信的可行性是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。

信息论中关于信息容量的仙农(Shannon)公式为：

　　C＝Wlog2(1十P/N)

式中：

C——信道容量(用传输速率度量)，

W——信号频带宽度，

P——信号功率，

N——白噪声功率。

　　公式说明，在给定的传输速率C不变的条件下，频带宽度W和信噪比P／N是可以互换的。即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比P／N (S／N)情况下传输信息。

　　扩展频谱以换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的应用奠定了基础。

　　由于扩频通信能大大扩展信号的频谱，发端用扩频码序列进行扩频调制，以及在收端用相关解调技术，使其具有许多窄带通信难以替代的优良性能，主要有以下几项特点：

　　●　易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率；

　　●　抗干扰性强，误码率低；

　　●　隐蔽性好，对各种窄带信系统的干扰很小；

　　●　可以实现码分多址；

　　●　抗多径干扰；

　　●　能精确地定时和测距；

　　●　适合数字语音和数据传输，以及开展多种通信业务；

　　●　安装简便，易于维护。

2.1 扩频通信工作原理

　　扩频通信的一般工作原理如图1所示。

图 1 扩频通信工作原理

　　在发端输入的信息先经信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽后的信号再调制到射频发送出去。

　　在接收端收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。再经信息解调、恢复成原始信息输出。

　　由此可见，—般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。一次调制为信息调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制，以及相应的信息解调、解扩和射频解调。

　　与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。

2.2 扩频通信的几种工作方式

　　按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为以下几种。

2.2.1　直接序列扩频工作方式，简称直扩(DS)方式

　　所谓直接序列(DS，Direct Sequency)扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。

2.2.2　跳变频率工作方式，简称跳频(FH)方式

　　另外一种扩展信号频谱的方式称为跳频(FH，Frequency Hopping)。所谓跳频，比较确切的意思是用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为跳频。

2.2.3　跳变时间工作方式，简称跳时(TH)方式

　　与跳频相似，跳时(TH，Time Hopping)是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号就由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。跳时也可以看成是一种时分系统，所不同的地方在于它不是在一帧中固定分配一定位置的时片，而是由扩频码序列控制的按一定规律跳变位置的时片。跳时系统的处理增益等于一帧中所分的时片数。由于简单的跳时抗干扰性不强，很少单独使用。跳时通常都与其他方式结合使用，组成各种混合方式。

2.2.4　宽带线性调频工作方式，简称Chirp方式

　　如果发射的射频脉冲信号在一个周期内，其载频的频率作线性变化，则称为线性调频。因为其频率在较宽的频带内变化，信号的频带也被展宽了。这种扩频调制方式主要用在雷达中。

2.2.5 各种混合方式

　　在上述几种基本的扩频方式的基础上，可以组合起来，构成各种混合方式。例如，DS／FH、DS／TH、DS／FH／TH等等。一般说来，采用混合方式看起来在技术上要复杂一些，实现起来也要困难一些。但是，不同方式结合起来的优点是，有时能得到只用其中一种方式得不到的特性。因此，对于需要同时解决诸如抗干扰、多址组网、定时定位、抗多径和远——近问题时，就不得不同时采用多种扩频方式。

3 无线扩频通信在接入网中的作用

　　接入网是由传统的用户线、用户环路和用户接入系统，逐步发展、演变和升级而形成的。现代电信网络分为3大部分：传输网、交换网和接入网。由于接入网发展较晚，往往成为电信发展规律的“瓶颈”，各国都很重视接入网的发展，各类接入技术和系统应运而生。例如，有线接入系统，包括铜线接入、光纤接入和光纤同轴混合接入等；无线接入分为移动接入和固定接入系统。其他的接入技术，如电力线、有线电视同轴缆、3G等。由于它们的协议规范还未得到认可，目前还都是在试用阶段，还未大量投入商用，所以光纤接入技术无可替代地担当了当今接入技术的主要角色。

　　由于ISM（Industry/Scientific/Medical）频段的开放，经营者和用户不需申请授权就可自由地使用这些频段，而无线扩频技术所使用的频段（2.400～2.483　85GHz）正是全世界通用的ISM频段，包括IEEE 802.11协议架构的无线局域网也大部分选用此频段。

在无线接入系统中，扩频微波与常规微波相比有着3个显著的优点：抗干扰性强；频点问题容易处理；价格比较便宜。而且，扩频微波接入技术相比较有线接入技术来说，以其低成本、建设灵活、快捷的优势在接入网中起着不可替代的作用。

扩频微波主要应用在以下几个方面。

1. 语音接入（点对点）

现有的扩频微波，速率为64 kbit/s～8 Mbit/s，可传1～120路（PCM）语音。特别是E1、2×E1和4×E1可取代常规的30路、60路和120路中小容量微波，抗干扰性极强，误码率可低到10-10量级，准光纤水平。时分双工（TDD）E1，距离近些；频分双工（FDD）E1，距离还可远些，在视距通信范围扩频微波可取代超短波（VHF/UHF）、常规小微波，以及电缆和光纤。它可以单独或与各种复用设备结合，用于卫星通信最后“一公里”、局间中继、GMS系统基站到交换机间通信等很多场合。

2.数据接入

采用扩频Modem和复用器，可以实现点对点的数据通信，再逐级汇集，也可组成很大的专用数据网，例如银行的同城结算,可应用于ISDN和DDN、FR网。

3.视频接入

采用N×64 kbit/s或2 Mbit/s的扩频Modem加上会议电视终端可传会议电视信息。若将多个点对点扩频信道和MCU相连，可以组成良好的多点扩频会议电视系统。采用每秒可输出22～25帧的图像编解码器（Codec），利用扩频E1，就可传送实时动态电视图像。

4.多媒体接入

采用复用器，可在扩频信道上同时传送语音、数据和视频图像等多媒体信息。现在已有的扩频Modem与当前的多媒体通信发展水平相适应，设备轻巧，易安装，是较好的无线多媒体接入手段。

5.因特网（Internet）接入

采用小型扩频发射器和全向天线，用户终端只需配备一个很小的Modem即可实现无线上网，甚至是在一定范围内的可移动上网。

4 无线扩频技术的典型应用

4．1 作为有线接入方式的延伸

无线扩频通信技术最典型的应用是在有线设施使用受限的场合作为有线接入方式的延伸。

这种方式主要采用直接序列（DS）扩频，它是将基带信息码用速率很高的伪随机序列（PN序列）调制使其频谱展宽，用仙农公式解释，就是用信道带宽来换取信噪比的改善。在接收端，用与发端相同的PN序列进行相关接收，恢复发端信息，对于干扰信号由于PN码相关性很小，使相关器输出功率很低，提高了输出信噪比。

由于直接序列扩频同步要求较高，包括伪随机码同步、位同步、幀同步、载波同步，所以在应用中以点对点方式组网较多(见图2、图3)。

图 2 无线扩频电对点连接

图 3 无线扩频在遮挡物延伸的应用

4.2 无线局域网（WLAN）

无线局域网(WLAN，Wireless Local Area Networks)是相当便利的数据传输系统，它是局域网技术和无线技术相结合的产物。它不仅提供了传统LAN技术(如以太网和令牌网)的所有功能和好处,而且消除了线缆的限制，使传统的局域网扩大到了几十公里的超长距离,并且非常完美地解决了原局域网的移动和频繁布线问题。

无线局域网技术利用无线技术来实现点对点或点对多点之间的跨空间无线传输，然后利用特殊设备来实现无线和有线网络之间的数据转换，从而将无线与有线网络很好地联系了起来，并继承了两者的优势。

无线局域网绝不是用来取代有线局域网的，而是用来弥补有线局域网之不足，以达到网络延伸之目的，下列情形可能需要无线局域网：

◆无固定工作场所的使用者；

◆有线局域网架设受环境限制；

◆作为有线局域网的备用系统。

它采用无线直扩(DS)或跳频扩频(FHSS)技术，工作频率为2.4～2.4835 GHz，采用国际IEEE 802.11b无线网络通信标准，工作频段属于ISM国际通行的自由辐射工业频段，它的速率为2～11 Mbit/s。

WLAN技术可以替代传统的有线网络,还可以对其可达范围和功能进行扩展。构造一个无线局域网所涉及的无线网络产品类型包括： Access Point（AP）、PCMCIA无线网卡以及PCI to PCMCIA转接卡等。无线网卡是一种基于PCMCIA总线的无线网卡，它包括无线调制和射频天线两部分。符合IEEE 802.11b标准，是无线局域网的技术核心。AP是有线网络和无线网络的桥接转换部件，它具有一个PCMCIA插槽，为无线网卡提供了一个硬件工作平台，同时它也是无线网络的整个控制协调中心，为每一个客户端提供服务。PCI to PCMCIA转接卡是应用在台式机上的一种接口转换卡，因为台式微机不提供PCMCIA总线，无线网卡不能够工作，所以PCI to PCMCIA转接卡为无线网卡在台式机上提供了一个工作平台。参看图4。

图 4 WLAN示意图

每个AP的覆盖范围有限，如果一个AP不能够覆盖整个区域，可以安装多个AP组成微蜂窝网络来覆盖整个区域。还要通过网线把AP连接到网络交换机。在用户端，每个用户都在自己的电脑上安装一块PCMCIA无线网卡，就可以轻松地接入到网络中进行数据传送、信息交流、在线讨论等，享受网络给我们带来的方便。而且，用户可以方便地实现在整个区域内自由的不间断的移动通信。全网络的用户的增减相当方便。

5 结束语

任何一种通信技术都不是十全十美的，每种技术都有它的优点和特性，但也存在它的局限性。以有线接入与无线接入技术相结合架构的接入网，真正可以做到无所不能接、无处不能入。我们要结合不同的技术来架构通信网络，发挥它们的优势，摒弃它们的局限性。同时我们还要密切注意当今技术的发展形势，不断地将新的技术（如DWDM、LMDS、3G等）吸收、应用到我们的网络来，为用户提供更优良的服务，为企业创造更大的经济利润。

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