擴(kuò)頻技術(shù)在現(xiàn)代無線通信中的應(yīng)用

ABSTRACT：The paper briefly reviews the Spread Spactrum Technology using in CDMA and IEEE802.11. And it`s characteristic,application and future.
KEY WORDS：Spread Spactrum; FHSS; DSSS; CDMA; IEEE802.11
一. 引言
1.1起源與原理
擴(kuò)頻通信是40年代發(fā)展起來的一種技術(shù)，用來為戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境下的軍隊(duì)提供可靠安全的通信。在戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境下，敵人會(huì)搜索目標(biāo)所發(fā)送的傳輸頻段，一旦確定頻點(diǎn)后就可以偵聽目標(biāo)，或者破壞目標(biāo)的信息傳送。
擴(kuò)頻通信比傳統(tǒng)的窄帶通信需要更大的帶寬，后者只需要在特定的射頻上傳送信息，因此容易被跟蹤和檢測(cè)。擴(kuò)頻通信占用較寬的頻譜，接收機(jī)只有知道與擴(kuò)頻有關(guān)的所有信息后才能正確接受，否則擴(kuò)頻信號(hào)表現(xiàn)得就像靜態(tài)的或背景噪聲一樣，因此采用擴(kuò)頻技術(shù)使得通信不易被干擾。如果要達(dá)到干擾的目的，對(duì)方需要知道擴(kuò)頻信號(hào)的參數(shù)或者在整個(gè)頻段上進(jìn)行干擾，后一種方法是很難實(shí)現(xiàn)的。另外，如果不知道擴(kuò)頻參數(shù)就不可能截獲對(duì)方的任何通信信息。

1.2實(shí)現(xiàn)方法
有三種方法可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻通信，分別是跳頻擴(kuò)頻（FHSS）、直接序列擴(kuò)頻（DSSS）和跳時(shí)擴(kuò)頻（THSS）。
(1) 跳頻擴(kuò)頻（FHSS）:采用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，使當(dāng)前發(fā)送的窄帶載波根據(jù)偽隨機(jī)碼序列的變化而變化，所有載波覆蓋整個(gè)頻段，這也是這個(gè)名字的由來。
(2) 直接序列擴(kuò)頻（DSSS）:采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，數(shù)字碼調(diào)制一個(gè)載波，碼比特速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信息比特速率。碼比特是直接序列擴(kuò)頻的一種比特冗余模式，這種冗余比特也叫碼片或切普碼。碼片越長，接收機(jī)越能很好地接受原始信號(hào)。但是由于每個(gè)信息比特編碼成一串比特，所以需要更多的帶寬。
(3) 跳時(shí)擴(kuò)頻(THSS):用擴(kuò)頻碼片啟閉鍵控發(fā)射機(jī)，將一個(gè)信碼的持續(xù)時(shí)間分成若干時(shí)隙，由擴(kuò)頻碼片控制在哪一個(gè)時(shí)隙中發(fā)射一個(gè)信碼。
二．?dāng)U頻技術(shù)的兩種主要應(yīng)用
2.1以直接序列擴(kuò)頻技術(shù)為基于的多址接入移動(dòng)通信方式CDMA
如果把無線電話系統(tǒng)按照它們的接入方式分類，我們可以將每個(gè)系統(tǒng)歸到以下三類：頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）。
而CDMA就是一種以直接序列擴(kuò)頻技術(shù)（DSSS）為基礎(chǔ)的多址接入移動(dòng)通信。
2.1.1演變
Qualcomm（高通）公司被認(rèn)為是CDMA的先驅(qū)，它的技術(shù)已經(jīng)允許給世界65個(gè)通信廠家使用。在最初設(shè)計(jì)CDMA時(shí)，Qualcomm有一段非常艱難的日子，許多人懷疑該技術(shù)背后的概念和公司所宣傳的性能，即CDMA能提供相當(dāng)于FDMA的7~10倍容量，或者TDMA的6倍容量。事實(shí)上CDMA不僅提供了遠(yuǎn)大于FDMA和TDMA的容量，它還具有其他接入方式所不具有的優(yōu)點(diǎn)。這包括降低了背景噪聲和干擾，提高了安全性和個(gè)人性，能直接支持Internet協(xié)議（IP），提高話音和通話質(zhì)量。

2.1.2直接序列擴(kuò)頻技術(shù)在CDMA中的應(yīng)用
CDMA是一種以直接序列擴(kuò)頻技術(shù)為基礎(chǔ)的多址接入通信方式，這種方式是通過給每個(gè)用戶分配一個(gè)具有良好自相關(guān)性和弱互相關(guān)性的唯一擴(kuò)頻碼片（也叫偽隨機(jī)序列PN碼），并用它對(duì)承載信息的信號(hào)進(jìn)行編碼而實(shí)現(xiàn)的。在接收端，接收機(jī)使用相同擴(kuò)頻碼片對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行解碼，并將其轉(zhuǎn)換成原始帶寬信號(hào)，而其他用戶的寬帶信號(hào)卻保持不變。這是因?yàn)樵撚脩魹殡S機(jī)碼序列與其它用戶偽隨機(jī)碼序列的互相關(guān)性很小。
為了直觀說明直接序列擴(kuò)頻通信，假設(shè)每個(gè)信息比特采用3比特的擴(kuò)頻碼片，在直接序列擴(kuò)頻通信中每個(gè)信息比特與擴(kuò)頻碼片進(jìn)行異或操作（模2加），然后傳送出去。表1給出了采用擴(kuò)頻碼片010傳送信息比特101的例子，注意使用3比特的擴(kuò)頻碼片，三個(gè)信息比特就變成了9個(gè)連續(xù)的比特。

信 息 比 特 101
擴(kuò)頻碼片（偽隨機(jī)碼） 010
傳送比特（異或操作后） 101010101
表1

也就是說，第一個(gè)信息比特“1”與每個(gè)擴(kuò)頻碼片“010”進(jìn)行異或，從而產(chǎn)生比特序列“101”，然后代表信息比特“1”傳送出去。接著信息比特“0”與每個(gè)擴(kuò)頻碼片“010”進(jìn)行異或，得到“010”，然后代表信息比特“0”發(fā)送出去。最后第三個(gè)信息比特“1”與擴(kuò)頻碼片進(jìn)行異或，得到三個(gè)比特“101”，然后代表信息比特“1”發(fā)送出去。
由于擴(kuò)頻碼片給要傳送的信息比特增加了冗余位，這使得接收機(jī)能夠在一個(gè)或多個(gè)原始數(shù)據(jù)遭到破壞后仍能恢復(fù)數(shù)據(jù)。當(dāng)然數(shù)據(jù)恢復(fù)能力取決于擴(kuò)頻碼片長度與被破壞的數(shù)據(jù)長度。如果能夠恢復(fù)數(shù)據(jù)，就可以避免重傳。如果接收機(jī)不知道擴(kuò)頻碼片，那么它就不能正確接受信息，接受信號(hào)表現(xiàn)為低功率的寬帶噪聲，所以直接序列擴(kuò)頻適用于可靠安全的軍事通信。

2.1.3使用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)為基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)
正是由于CDMA使用了這種基于直接序列擴(kuò)頻技術(shù)為基礎(chǔ)的多址接入方式使得CDMA天生具備了很多擴(kuò)頻技術(shù)天生的優(yōu)點(diǎn)。主要有：
（1） 由于使用擴(kuò)頻信號(hào)，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗多種干擾的能力，特別是具有抗多徑干擾的能力。
（2） 擴(kuò)頻信號(hào)的功率譜密度很低，即在單位帶寬中的功率很小，對(duì)于一般非擴(kuò)頻通信系統(tǒng)幾乎不構(gòu)成干擾因此可以與其共用同一頻段從而提高頻帶利用率。
（3） 保密性好。這是因?yàn)閭鬏數(shù)男盘?hào)只能由知道此信號(hào)擴(kuò)頻碼片的接收機(jī)才能恢復(fù)原始信號(hào)。
（4） 低攔截概率。因?yàn)樗墓β首V密度低，擴(kuò)頻信號(hào)很難被惡意接收者檢測(cè)和攔截。

2.1.4應(yīng)用與3G-CDMA
提到CDMA就不得不提到如今最熱門的3G移動(dòng)通信技術(shù)，也就是第三代移動(dòng)通信技術(shù)。
第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)通常指提供模擬業(yè)務(wù)的一些無線系統(tǒng)，如美國的AMPS、英國的TACS。緊接著是幾種不同類型的移動(dòng)通信系統(tǒng)，主要采用不同的接入方式來提高系統(tǒng)的容量，并提供更好的質(zhì)量以及其他特點(diǎn)?；赥DMA的D-AMPS 1900(北美)、GSM（歐洲）和CDMA都代表著第二代移動(dòng)通信技術(shù)。
第二代系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵問題是它們僅限于語音、傳真和低比特速率的數(shù)據(jù)傳輸。因?yàn)楫?dāng)前的時(shí)代需要Internet、MP3和多媒體，所以第二代系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代應(yīng)用了。
現(xiàn)在世界各國都在研究能夠提供更高傳輸速率的寬帶CDMA，能提供各種多媒體和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的移動(dòng)通信方式，也就是第三代（3G）移動(dòng)通信，并已經(jīng)取得一定成果。
為了提供比其他接入方式更高的容量和優(yōu)點(diǎn)，IMT-2000（由國際電信聯(lián)盟ITU啟動(dòng)的通用移動(dòng)電信系統(tǒng)/國際移動(dòng)電信2000計(jì)劃）在接受了各國對(duì)于第三代移動(dòng)通信方式的提案后，采用CDMA技術(shù)，列出了三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。即美國的CDMA2000，歐洲的WCDMA和中國的TD-SCDMA。到時(shí)使用手機(jī)高速上網(wǎng)，進(jìn)行可視電話將不再是夢(mèng)想。這也正是CDMA網(wǎng)絡(luò)相比GSM網(wǎng)絡(luò)及其下的GPRS技術(shù)所無法取代的優(yōu)勢(shì)所在。

2.2以跳頻、直接序列擴(kuò)頻為基礎(chǔ)的（IEEE）802.11無線LAN
在20世紀(jì)80年代初期，美國電氣和電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE,Institute of Electrical and Electronics Engineers）就開始致力于局域網(wǎng)的模型體系—IEEE802的開發(fā)。雖然IEEE是美國的一個(gè)組織，但是由于其會(huì)員遍布全球各地，所以實(shí)際上該學(xué)會(huì)具有國際學(xué)會(huì)的性質(zhì)。IEEE本身并不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的組織，但是IEEE802工作組卻為局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化做出了杰出的貢獻(xiàn)。
IEEE802作為主要的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其中還根據(jù)局域網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)域以及應(yīng)用層次劃分了很多子協(xié)議，如：IEEE802.3、IEEE802.11等，這些都是IEEE802家族中的成員。

2.2.1 IEEE802.11
IEEE802.11是IEEE最初制定的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。主要用于難于布線的環(huán)境或移動(dòng)環(huán)境中計(jì)算機(jī)的無線接入。工作在2.4GHz頻段，因?yàn)?.4GHz是全球的無許可證頻段，留給工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療領(lǐng)域使用。實(shí)際使用的信道數(shù)、功率和頻率分配取決于特定國家的頻率分配使用規(guī)劃。
IEEE802.11工作組最初的成果叫802.11a標(biāo)準(zhǔn)，是第一版的無線LAN標(biāo)準(zhǔn)，以跳頻擴(kuò)頻為基礎(chǔ)，最高傳輸速率可達(dá)2Mbps。由于802.11a的傳輸速率不能很好的滿足人們的需求，所以第二版的802.11即802.11b把速率提高到了5.5Mbps和11Mbps，加入了直接序列擴(kuò)頻的擴(kuò)頻通信技術(shù)。

2.2.2跳頻擴(kuò)頻在IEEE802.11a中的應(yīng)用
跳頻擴(kuò)頻通信是用偽隨機(jī)序列PN碼構(gòu)成跳頻指令來控制頻率合成器，使其輸出頻率在信道內(nèi)隨機(jī)變化，在接收端用與發(fā)端相同的本地偽隨機(jī)碼構(gòu)成的跳頻指令去控制本地頻率合成器，使其輸出的跳頻信號(hào)能在混頻器中與接收到的跳頻信號(hào)差頻出一個(gè)固定的中頻信號(hào)來，經(jīng)中放及帶通濾波器送到數(shù)字解碼器輸出端恢復(fù)出原信息。
在IEEE802.11a中，支持兩種調(diào)制方式。工作速率為1Mbps時(shí)采用差分二相鍵控調(diào)制（DBPSK），工作速率為2Mbps時(shí)采用差分四相鍵控調(diào)制（DQPSK）。
采用DBPSK調(diào)制時(shí)，每個(gè)相位的變化用一個(gè)比特表示。而在DQPSK中，調(diào)制過程以兩個(gè)比特為單位，即每個(gè)相位的變化用兩個(gè)比特表示。

2.2.3直接序列擴(kuò)頻在IEEE802.11b中的應(yīng)用
最初的IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在叫做IEEE802.11a協(xié)議。但是要注意直接序列擴(kuò)頻在最近標(biāo)準(zhǔn)化的IEEE802.11b建議中是唯一支持的方式。在IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)中，可支持的數(shù)據(jù)速率是5.5Mbps和11Mbps。與IEEE802.11a唯一的區(qū)別是采用了不同的擴(kuò)頻碼片。IEEE802.11a采用11比特的Barker擴(kuò)頻碼片，而IEEE802.11b采用8比特的補(bǔ)充碼鍵（CCK）算法。

2.2.4IEEE802.11在現(xiàn)代無線LAN中的應(yīng)用與前景
在現(xiàn)代化的賓館、會(huì)展中心、圖書館等場(chǎng)所，基于IEEE802.11的電腦適配器，如：PCI無線網(wǎng)卡、PCMCIA無線網(wǎng)卡、USB口的無線網(wǎng)卡、PDA無線網(wǎng)絡(luò)適配器等都可以給顧客提供高速、方便的接入LAN和Internet的服務(wù)。除了室內(nèi)，它還可以用在室外，并實(shí)現(xiàn)漫游，如：停車場(chǎng)、校園、商務(wù)金融中心等。
三．結(jié)束語
移動(dòng)通信與互聯(lián)網(wǎng)作為兩個(gè)邁入信息社會(huì)的重要標(biāo)志，正在互相融合與互補(bǔ)。它們的融合帶給人們的技術(shù)將是個(gè)人多媒體無線通信、高速的無線寬帶接入技術(shù)、便捷的無線LAN互連技術(shù)等。而這些技術(shù)所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品必定是各種功能齊全的多媒體3G手機(jī)，PDA、NOTEBOOK、PC無線LAN、Internet接入適配器。 而這些技術(shù)和產(chǎn)品帶給人們的必定是更為快速、方便的移動(dòng)通信和信息資源的共享與獲取。
我們可以看到種種基于擴(kuò)頻技術(shù)的通信技術(shù)和產(chǎn)品：CDMA、IEEE802.11正是在把這種移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)融為了一體。相信在未來的2~5年里，隨著這些技術(shù)和產(chǎn)品的不斷成熟和投入商用，必將把正處于低谷的通信行業(yè)再次推向一個(gè)高峰。

參考文獻(xiàn)：Gil Held 《Data Over Wireless Networks: Bluetooth™、WAP&Wireless LANs》
人民郵電出版社 2001
劉曉輝、楊建《IEEE802家族挨個(gè)數(shù)》 《新潮電子》2002年第11期

作者簡(jiǎn)介：王渭，現(xiàn)就讀于中國礦業(yè)大學(xué)信息工程99-8班，電子工程與信息技術(shù)專業(yè)，學(xué)士。熟悉現(xiàn)代電子技術(shù)、數(shù)碼產(chǎn)品和現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)。