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擴展頻譜(Spread Spectrum)技術是一種常用的無線通訊技術,簡稱展頻技術,展頻技術的無線區域網絡產品是依據FCC(Federal Communications Committee,即美國聯邦通訊委員會)規定的ISM(Industrial Scientific, and Medical工業、醫療、科學),頻率範圍開放在902M~928MHz及2.4G~2.484GHz兩個頻段,所以並沒有所謂使用授權的限制。展頻技術主要又分為「跳頻技術」及「直接序列」兩種方式。

1DSSS概述

直接序列展頻技術(Direct Sequence Spread Spectrum; DSSS)是利用10個以上的chips來代表原來的「1」或「0」位,使得原來較高功率、較窄的頻率變成具有較寬頻的低功率頻率。而每個bit使用多少個chips稱做Spreading chips,一個較高的Spreading chips可以增加抗雜訊干擾,而一個較低Spreading Ration可以增加用戶的使用人數。 基本上,在DSSS的Spreading Ration是相當少的,例如在幾乎所有2.4GHz的無線區域網絡產品所使用的Spreading Ration皆少於20。而在IEEE802.11的標準內,其Spreading Ration大約在100左右。
Direct Sequence Spread Spectrum直接序列擴頻,用高速率的偽雜訊碼序列與信息碼序列模二加(波形相乘)后的複合碼序列去控制載波的相位而獲得直接序列擴頻信號,即將原來較高功率、較窄的頻率變成具有較寬頻的低功率頻率,以在無線通信領域獲得令人滿意的抗雜訊。
DSSS通信時的幀格式為:SFD欄位的比特模式為11110011 1010 0000,Signal欄位表示數據速率,步長為
DSSS序列

  DSSS序列

100Kb/s,比FHSS精確5倍,例如Signal欄位=00001010時,10*100Kb/s=1Mb/s,signal 欄位=00010100時,20*100Kb/s=2Mb/s.service欄位還未使用.length 欄位指MPDU的長度,單位為us.
直接序列擴頻通過利用高速率的擴頻序列在發射端擴展信號的頻譜,而在接收端用相同的擴頻碼序列進行解擴,把展開的擴頻信號還原成原來的信號。直接序列擴頻技術在軍事通信和機密工業中得到了廣泛的應用,現在甚至普及到一些民用的高端產品,例如信號基站、無線電視、蜂窩手機、監控寶護神、嬰兒監視器等,是一種可靠安全的工業應用方案。

2工作原理

直接序列擴頻方式是直接用偽雜訊序列對載波進行調製,要傳送的數據信息需要經過通道編碼后,與偽雜訊序列進行模2和生成複合碼去調製載波。接收機在收到發射信號后,首先通過偽碼同步捕獲電路來捕獲發送來到偽碼精確相位,並由此產生跟發送端的偽碼相位完全一致的偽碼相位,作為本地解擴信號,以便能夠及時恢復出數據信息,完成整個直擴通信系統的信號接收。
抗干擾原理
直擴系統的抗干擾能力是由接收機對干擾的抑制產生的,如果幹擾信號的帶寬與信息帶寬相同(即窄帶),此干擾信號經過接收機偽雜訊碼調製后將展寬為與發送信號相同的帶寬,而其譜密度卻降低了若干倍。相反,直擴信號經偽雜訊碼解擴后變成了窄帶信息,從而使增益提高了若干倍。此增益我們稱為直擴處理增益GDS,也就是直擴系統的抗干擾能力,其定義式如下:
GDS=10 lg(Rc/Rb)
其中:Rc為直擴碼速率;Rb為信息碼速率,其比率即為擴頻碼長度,也稱擴頻信號的帶寬擴展因子。

3特點

無線區域網絡在性能和能力上的差異,主要是取決於所採用的是FHSS還是DSSS來實現、以及所採用的調變方式。截至目前,若以現有的產品參數詳加比較,可以看出DSSS技術在需要最佳可靠性的應用中具有較佳的優勢,而 FHSS技術在需要低成本的應用中較佔優勢。我們在選擇無線產品時,需要注意的是廠商在DSSS和FHSS展頻技術的選擇,必須要審慎端視產品在市場的定位而定,因為它可以解決無線區域網絡的傳輸能力及特性,包括:抗干擾能力、使用距離範圍、頻寬大小、及傳輸資料的大小。
一般而言,DSSS由於採用全頻帶傳送資料,速度較快,未來可開發出更高傳輸頻率的潛力也較大。DSSS技術適用於固定環境中、或對傳輸品質要求較高的應用,因此,無線廠房、無線醫院、網路社區、分校連網等應用,大都採用DSSS無線技術產品。FHSS則大都使用於需快速移動的端點,如行動電話在無線傳輸技術部分即是採用FHSS技術;且因FHSS傳輸範圍較小,所以往往在相同的傳輸環境下,所需要的FHSS技術設備要比DSSS技術設備多,在整體價格上,可能也會比較高。以目前企業需求來說,高速移動端點應用較少,而大多較注重傳輸速率、及傳輸的穩定性,所以未來無線網路產品發展應會以 DSSS技術為主流。
用戶選購無線區域網絡時需要特別注意下列的特性,以決定自己合適的產品,包括:涵蓋範圍、傳輸率、受Multipath影響程度、提供資料整合程度、和有線的基礎設施之間的互操性、和其它無線的基礎設施之間的互操性、抗干擾程度、保密能力、電流消耗情況等等。

4應用缺陷

直接序列擴頻在實際應用中往往會遇到以下幾個問題:
帶寬增大
系統帶寬太大,進入接收機前端的干擾信號增多。
固定頻率
在一個特定的頻段範圍(通常非常窄)內傳播信號的方式。通過此方式傳輸的信號通常要求高功率的信號發射器並且獲得使用許可。如果遇到較強的干擾,通道內或者附近的固定頻率發射器將受到影響。對於許可證的要求就是為了減少相鄰的系統在使用相同的通道時產生的干擾。
直接序列擴頻
在設備的特定的發射頻率內以廣播形式發射信號。用戶數據在空間傳送之前,先附加「擴頻碼」,實現擴頻傳輸。接收器在解調製的過程中將干擾剔除。在去除擴頻碼、提取有效信號時,雜訊信號同時剔除。
擴頻調製
擴頻調製為信息碼和擴展碼模2相加,這裡為了簡單,採用m序列作為擴展碼調製信息碼,信息碼用全0代替進行擴頻調製。當信息碼為全0時,擴頻調製信號即原來的m碼序列。擴展碼的設計碼速率為4MHz,擴頻調製產生的擴頻調製信號即m碼序列存為ds.wfm。要注意的是,實際擴頻調製時,由於信息碼和擴展碼速率不同,需要對信息碼波形進行水平擴展,擴展的倍數約等於擴展碼速率與信息碼速率的比值。例如,寶護神嬰兒監視器實際調製碼分多址信號時,信息碼速率為20KHz,擴展碼速率為4MHz,則ds.wfm=expand(「infor.wfm」,constant)「GOLD .wfm」,constant約為200。

載波調製

載波調製為擴頻調製信號與載波相乘,即dsspread.wfm×carrier.wfm,產生的載波調製信號存為ds-out.wfm,如圖6所示。要注意的是擴頻調製信號對載波進行反相鍵控時,要求擴頻調製信號必須為1、-1兩種狀態,另外,由於擴頻調製信號的碼速率和載波頻率不同,載波調製時需要對擴頻調製信號進行水平擴展(expand),擴展的倍數約等於載波頻率與擴頻調製信號速率的比值。例如載波信號的頻率為70MHz,擴頻調製信號的速率為4MHz,則ds-spread.wfm=expand(「ds.wfm」,13),水平擴展倍數為13。
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