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(北京市通信公司網(wǎng)絡(luò)局,北京 100031)
摘要：本文主要介紹了擴(kuò)頻技術(shù)并列舉了無線擴(kuò)頻技術(shù)在本地接入網(wǎng)中的主要應(yīng)用方式。
關(guān)鍵詞：擴(kuò)頻技術(shù)；頻譜；接入網(wǎng)；點(diǎn)對點(diǎn)；中繼
1 引言
隨著計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)的發(fā)展，越來越多的用戶提出了對通信服務(wù)的迫切需求，而原有的有線接入方式受地理環(huán)境的影響較大，且施工敷設(shè)工程量大，短時(shí)間難以迅速提供通信服務(wù)。無線接入方式作為有線接入的擴(kuò)展和補(bǔ)充，在有線設(shè)施使用受限的場合發(fā)揮了無可替代的作用。
傳統(tǒng)的模擬無線通信一般采用調(diào)頻（FM）和調(diào)幅（AM）兩種方式，不能適應(yīng)高速數(shù)據(jù)通信的要求。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，數(shù)字無線數(shù)據(jù)通信方式成為主流，其調(diào)制方式有振幅鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）和移相鍵控（PSK），其優(yōu)勢是便于采用先進(jìn)的數(shù)字信號處理技術(shù)，如均衡技術(shù)、編碼技術(shù)等等，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸?shù)目煽啃�。但是這些系統(tǒng)也存在一些缺陷。一方面，由于無線通信信道的開放性，通信環(huán)境不可避免地存在各種各樣的突發(fā)干擾，使得信號傳輸?shù)目煽啃越档�，同時(shí)，信道的時(shí)域和頻域選擇性衰落，使得數(shù)據(jù)傳輸速率的提高受到限制；另一方面，隨著無線業(yè)務(wù)的快速增長，要求無線網(wǎng)絡(luò)具備相當(dāng)?shù)撵`活性，以適應(yīng)業(yè)務(wù)的發(fā)展變化。這些都是常規(guī)的無線數(shù)字通信難以解決的。這些因素促成了對采用新技術(shù)的需求，以提高數(shù)據(jù)傳輸速率并進(jìn)一步提高傳輸?shù)目煽啃�。無線擴(kuò)頻通信技術(shù)由此得到了關(guān)注和發(fā)展。
2 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)概述
擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信(Spread Spectrum Communication)，它與光纖通信、衛(wèi)星通信一同被譽(yù)為進(jìn)入信息時(shí)代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。
擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過一個(gè)獨(dú)立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端則用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。
擴(kuò)頻通信的可行性是從信息論和抗干擾理論的基本公式中引伸而來的。
信息論中關(guān)于信息容量的仙農(nóng)(Shannon)公式為：
C＝Wlog2(1十P/N)
式中：
C——信道容量(用傳輸速率度量)，
W——信號頻帶寬度，
P——信號功率，
N——白噪聲功率。
公式說明，在給定的傳輸速率C不變的條件下，頻帶寬度W和信噪比P／N是可以互換的。即可通過增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比P／N (S／N)情況下傳輸信息。
擴(kuò)展頻譜以換取信噪比要求的降低，正是擴(kuò)頻通信的重要特點(diǎn)，并由此為擴(kuò)頻通信的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
由于擴(kuò)頻通信能大大擴(kuò)展信號的頻譜，發(fā)端用擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，以及在收端用相關(guān)解調(diào)技術(shù)，使其具有許多窄帶通信難以替代的優(yōu)良性能，主要有以下幾項(xiàng)特點(diǎn)：
● 易于重復(fù)使用頻率，提高了無線頻譜利用率；
● 抗干擾性強(qiáng)，誤碼率低；
● 隱蔽性好，對各種窄帶信系統(tǒng)的干擾很�。�
● 可以實(shí)現(xiàn)碼分多址；
● 抗多徑干擾；
● 能精確地定時(shí)和測距；
● 適合數(shù)字語音和數(shù)據(jù)傳輸，以及開展多種通信業(yè)務(wù)；
● 安裝簡便，易于維護(hù)。
2.1 擴(kuò)頻通信工作原理
擴(kuò)頻通信的一般工作原理如圖1所示。
圖 1 擴(kuò)頻通信工作原理
在發(fā)端輸入的信息先經(jīng)信息調(diào)制形成數(shù)字信號，然后由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號以展寬信號的頻譜。展寬后的信號再調(diào)制到射頻發(fā)送出去。
在接收端收到的寬帶射頻信號，變頻至中頻，然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴(kuò)頻碼序列去相關(guān)解擴(kuò)。再經(jīng)信息解調(diào)、恢復(fù)成原始信息輸出。
由此可見，—般的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)都要進(jìn)行三次調(diào)制和相應(yīng)的解調(diào)。一次調(diào)制為信息調(diào)制，二次調(diào)制為擴(kuò)頻調(diào)制，三次調(diào)制為射頻調(diào)制，以及相應(yīng)的信息解調(diào)、解擴(kuò)和射頻解調(diào)。
與一般通信系統(tǒng)比較，擴(kuò)頻通信就是多了擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)部分。
2.2 擴(kuò)頻通信的幾種工作方式
按照擴(kuò)展頻譜的方式不同，現(xiàn)有的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可以分為以下幾種。
2.2.1 直接序列擴(kuò)頻工作方式，簡稱直擴(kuò)(DS)方式
所謂直接序列(DS，Direct Sequency)擴(kuò)頻，就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端去擴(kuò)展信號的頻譜。而在收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號還原成原始的信息。
2.2.2 跳變頻率工作方式，簡稱跳頻(FH)方式
另外一種擴(kuò)展信號頻譜的方式稱為跳頻(FH，F(xiàn)requency Hopping)。所謂跳頻，比較確切的意思是用一定碼序列進(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說，用擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳變，所以稱為跳頻。
2.2.3 跳變時(shí)間工作方式，簡稱跳時(shí)(TH)方式
與跳頻相似，跳時(shí)(TH，Time Hopping)是使發(fā)射信號在時(shí)間軸上跳變。首先把時(shí)間軸分成許多時(shí)片。在一幀內(nèi)哪個(gè)時(shí)片發(fā)射信號就由擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行控制�？梢园烟鴷r(shí)理解為用一定碼序列進(jìn)行選擇的多時(shí)片的時(shí)移鍵控。跳時(shí)也可以看成是一種時(shí)分系統(tǒng)，所不同的地方在于它不是在一幀中固定分配一定位置的時(shí)片，而是由擴(kuò)頻碼序列控制的按一定規(guī)律跳變位置的時(shí)片。跳時(shí)系統(tǒng)的處理增益等于一幀中所分的時(shí)片數(shù)。由于簡單的跳時(shí)抗干擾性不強(qiáng)，很少單獨(dú)使用。跳時(shí)通常都與其他方式結(jié)合使用，組成各種混合方式。
2.2.4 寬帶線性調(diào)頻工作方式，簡稱Chirp方式
如果發(fā)射的射頻脈沖信號在一個(gè)周期內(nèi)，其載頻的頻率作線性變化，則稱為線性調(diào)頻。因?yàn)槠漕l率在較寬的頻帶內(nèi)變化，信號的頻帶也被展寬了。這種擴(kuò)頻調(diào)制方式主要用在雷達(dá)中。
2.2.5 各種混合方式
在上述幾種基本的擴(kuò)頻方式的基礎(chǔ)上，可以組合起來，構(gòu)成各種混合方式。例如，DS／FH、DS／TH、DS／FH／TH等等。一般說來，采用混合方式看起來在技術(shù)上要復(fù)雜一些，實(shí)現(xiàn)起來也要困難一些。但是，不同方式結(jié)合起來的優(yōu)點(diǎn)是，有時(shí)能得到只用其中一種方式得不到的特性。因此，對于需要同時(shí)解決諸如抗干擾、多址組網(wǎng)、定時(shí)定位、抗多徑和遠(yuǎn)——近問題時(shí)，就不得不同時(shí)采用多種擴(kuò)頻方式。
3 無線擴(kuò)頻通信在接入網(wǎng)中的作用
接入網(wǎng)是由傳統(tǒng)的用戶線、用戶環(huán)路和用戶接入系統(tǒng)，逐步發(fā)展、演變和升級而形成的�，F(xiàn)代電信網(wǎng)絡(luò)分為3大部分：傳輸網(wǎng)、交換網(wǎng)和接入網(wǎng)。由于接入網(wǎng)發(fā)展較晚，往往成為電信發(fā)展規(guī)律的“瓶頸”，各國都很重視接入網(wǎng)的發(fā)展，各類接入技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。例如，有線接入系統(tǒng)，包括銅線接入、光纖接入和光纖同軸混合接入等；無線接入分為移動(dòng)接入和固定接入系統(tǒng)。其他的接入技術(shù)，如電力線、有線電視同軸纜、3G等。由于它們的協(xié)議規(guī)范還未得到認(rèn)可，目前還都是在試用階段，還未大量投入商用，所以光纖接入技術(shù)無可替代地?fù)?dān)當(dāng)了當(dāng)今接入技術(shù)的主要角色。
由于ISM（Industry/Scientific/Medical）頻段的開放，經(jīng)營者和用戶不需申請授權(quán)就可自由地使用這些頻段，而無線擴(kuò)頻技術(shù)所使用的頻段（2.400～2.483 85GHz）正是全世界通用的ISM頻段，包括IEEE 802.11協(xié)議架構(gòu)的無線局域網(wǎng)也大部分選用此頻段。
在無線接入系統(tǒng)中，擴(kuò)頻微波與常規(guī)微波相比有著3個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：抗干擾性強(qiáng)；頻點(diǎn)問題容易處理；價(jià)格比較便宜。而且，擴(kuò)頻微波接入技術(shù)相比較有線接入技術(shù)來說，以其低成本、建設(shè)靈活、快捷的優(yōu)勢在接入網(wǎng)中起著不可替代的作用。
擴(kuò)頻微波主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面。
1. 語音接入（點(diǎn)對點(diǎn)）
現(xiàn)有的擴(kuò)頻微波，速率為64 kbit/s～8 Mbit/s，可傳1～120路（PCM）語音。特別是E1、2×E1和4×E1可取代常規(guī)的30路、60路和120路中小容量微波，抗干擾性極強(qiáng)，誤碼率可低到10-10量級，準(zhǔn)光纖水平。時(shí)分雙工（TDD）E1，距離近些；頻分雙工（FDD）E1，距離還可遠(yuǎn)些，在視距通信范圍擴(kuò)頻微波可取代超短波（VHF/UHF）、常規(guī)小微波，以及電纜和光纖。它可以單獨(dú)或與各種復(fù)用設(shè)備結(jié)合，用于衛(wèi)星通信最后“一公里”、局間中繼、GMS系統(tǒng)基站到交換機(jī)間通信等很多場合。
2.數(shù)據(jù)接入
采用擴(kuò)頻Modem和復(fù)用器，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信，再逐級匯集，也可組成很大的專用數(shù)據(jù)網(wǎng)，例如銀行的同城結(jié)算,可應(yīng)用于ISDN和DDN、FR網(wǎng)。
3.視頻接入
采用N×64 kbit/s或2 Mbit/s的擴(kuò)頻Modem加上會(huì)議電視終端可傳會(huì)議電視信息。若將多個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)擴(kuò)頻信道和MCU相連，可以組成良好的多點(diǎn)擴(kuò)頻會(huì)議電視系統(tǒng)。采用每秒可輸出22～25幀的圖像編解碼器（Codec），利用擴(kuò)頻E1，就可傳送實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)電視圖像。
4.多媒體接入
采用復(fù)用器，可在擴(kuò)頻信道上同時(shí)傳送語音、數(shù)據(jù)和視頻圖像等多媒體信息�，F(xiàn)在已有的擴(kuò)頻Modem與當(dāng)前的多媒體通信發(fā)展水平相適應(yīng)，設(shè)備輕巧，易安裝，是較好的無線多媒體接入手段。
5.因特網(wǎng)（Internet）接入
采用小型擴(kuò)頻發(fā)射器和全向天線，用戶終端只需配備一個(gè)很小的Modem即可實(shí)現(xiàn)無線上網(wǎng)，甚至是在一定范圍內(nèi)的可移動(dòng)上網(wǎng)。
4 無線擴(kuò)頻技術(shù)的典型應(yīng)用
4．1 作為有線接入方式的延伸
無線擴(kuò)頻通信技術(shù)最典型的應(yīng)用是在有線設(shè)施使用受限的場合作為有線接入方式的延伸。
這種方式主要采用直接序列（DS）擴(kuò)頻，它是將基帶信息碼用速率很高的偽隨機(jī)序列（PN序列）調(diào)制使其頻譜展寬，用仙農(nóng)公式解釋，就是用信道帶寬來換取信噪比的改善。在接收端，用與發(fā)端相同的PN序列進(jìn)行相關(guān)接收，恢復(fù)發(fā)端信息，對于干擾信號由于PN碼相關(guān)性很小，使相關(guān)器輸出功率很低，提高了輸出信噪比。
由于直接序列擴(kuò)頻同步要求較高，包括偽隨機(jī)碼同步、位同步、幀同步、載波同步，所以在應(yīng)用中以點(diǎn)對點(diǎn)方式組網(wǎng)較多(見圖2、圖3)。
圖 2 無線擴(kuò)頻電對點(diǎn)連接
圖 3 無線擴(kuò)頻在遮擋物延伸的應(yīng)用
4.2 無線局域網(wǎng)（WLAN）
無線局域網(wǎng)(WLAN，Wireless Local Area Networks)是相當(dāng)便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它是局域網(wǎng)技術(shù)和無線技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它不僅提供了傳統(tǒng)LAN技術(shù)(如以太網(wǎng)和令牌網(wǎng))的所有功能和好處,而且消除了線纜的限制，使傳統(tǒng)的局域網(wǎng)擴(kuò)大到了幾十公里的超長距離,并且非常完美地解決了原局域網(wǎng)的移動(dòng)和頻繁布線問題。
無線局域網(wǎng)技術(shù)利用無線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)之間的跨空間無線傳輸，然后利用特殊設(shè)備來實(shí)現(xiàn)無線和有線網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而將無線與有線網(wǎng)絡(luò)很好地聯(lián)系了起來，并繼承了兩者的優(yōu)勢。
無線局域網(wǎng)絕不是用來取代有線局域網(wǎng)的，而是用來彌補(bǔ)有線局域網(wǎng)之不足，以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)延伸之目的，下列情形可能需要無線局域網(wǎng)：
◆無固定工作場所的使用者；
◆有線局域網(wǎng)架設(shè)受環(huán)境限制；
◆作為有線局域網(wǎng)的備用系統(tǒng)。
它采用無線直擴(kuò)(DS)或跳頻擴(kuò)頻(FHSS)技術(shù)，工作頻率為2.4～2.4835 GHz，采用國際IEEE 802.11b無線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，工作頻段屬于ISM國際通行的自由輻射工業(yè)頻段，它的速率為2～11 Mbit/s。
WLAN技術(shù)可以替代傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò),還可以對其可達(dá)范圍和功能進(jìn)行擴(kuò)展。構(gòu)造一個(gè)無線局域網(wǎng)所涉及的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品類型包括： Access Point（AP）、PCMCIA無線網(wǎng)卡以及PCI to PCMCIA轉(zhuǎn)接卡等。無線網(wǎng)卡是一種基于PCMCIA總線的無線網(wǎng)卡，它包括無線調(diào)制和射頻天線兩部分。符合IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)，是無線局域網(wǎng)的技術(shù)核心。AP是有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的橋接轉(zhuǎn)換部件，它具有一個(gè)PCMCIA插槽，為無線網(wǎng)卡提供了一個(gè)硬件工作平臺(tái)，同時(shí)它也是無線網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)控制協(xié)調(diào)中心，為每一個(gè)客戶端提供服務(wù)。PCI to PCMCIA轉(zhuǎn)接卡是應(yīng)用在臺(tái)式機(jī)上的一種接口轉(zhuǎn)換卡，因?yàn)榕_(tái)式微機(jī)不提供PCMCIA總線，無線網(wǎng)卡不能夠工作，所以PCI to PCMCIA轉(zhuǎn)接卡為無線網(wǎng)卡在臺(tái)式機(jī)上提供了一個(gè)工作平臺(tái)。參看圖4。
圖 4 WLAN示意圖
每個(gè)AP的覆蓋范圍有限，如果一個(gè)AP不能夠覆蓋整個(gè)區(qū)域，可以安裝多個(gè)AP組成微蜂窩網(wǎng)絡(luò)來覆蓋整個(gè)區(qū)域。還要通過網(wǎng)線把AP連接到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。在用戶端，每個(gè)用戶都在自己的電腦上安裝一塊PCMCIA無線網(wǎng)卡，就可以輕松地接入到網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、信息交流、在線討論等，享受網(wǎng)絡(luò)給我們帶來的方便。而且，用戶可以方便地實(shí)現(xiàn)在整個(gè)區(qū)域內(nèi)自由的不間斷的移動(dòng)通信。全網(wǎng)絡(luò)的用戶的增減相當(dāng)方便。
5 結(jié)束語
任何一種通信技術(shù)都不是十全十美的，每種技術(shù)都有它的優(yōu)點(diǎn)和特性，但也存在它的局限性。以有線接入與無線接入技術(shù)相結(jié)合架構(gòu)的接入網(wǎng)，真正可以做到無所不能接、無處不能入。我們要結(jié)合不同的技術(shù)來架構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮它們的優(yōu)勢，摒棄它們的局限性。同時(shí)我們還要密切注意當(dāng)今技術(shù)的發(fā)展形勢，不斷地將新的技術(shù)（如DWDM、LMDS、3G等）吸收、應(yīng)用到我們的網(wǎng)絡(luò)來，為用戶提供更優(yōu)良的服務(wù)，為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)利潤。
摘自 電信建設(shè)
