扩频通信在无线局域网中的应用

摘要:本文介绍了无线局域网调制方式及扩频技术的理论基础和工作方式,并对常见的两种扩频技术的性能进行分析比较,进而说明扩频技术是未来无线通信技术中必不可少的一种重要技术。

关键词:无线局域网；扩频通信；信噪比；调制；解调

一、 引言

扩展频谱通信技术又称扩频通信技术，是近年来发展非常迅速的一种通信技术,采用该方式传输通信信号所需频带与传输其中的有用信息占用频带相比要宽得多，它具有抗干扰性强、抗多径衰落性好等一系列优点。

目前,它已经渗透到通信的各个方面,如卫星通信、移动通信、微波通信、无线定位系统、无线区域网、全球个人通信等。扩频技术的应用使无线通信提高了信号的接收质量,抗干扰,保密性和增加系统容量等,所以扩频技术在无线通信方面备受青睐。

二、无线局域网调制方式

无线电波与红外线是目前Intranet无线局域网采用的两种主要传输媒体[。前者按调制方式不同又分为扩展频谱与窄带调制两种方式。在扩展频谱方式中,是以牺牲频带带宽来提高通信系统的抗干扰能力和安全性的,即数据基带信号的频谱被扩展至几十倍后再被搬移至射频发射出去。在窄带调制方式中数据基带信号的频谱不做任何扩展即被搬到射频发射出去。这样采用扩展频谱方式的Intranet无线局域网一般选择公用的ISM频段,采用窄带调制方式的Intranet无线局域网一般选用专用频段,需要经过国家无线电管理部门的许可方能使用。

三、扩频技术的理论基础

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.扩频通信的产生也是通信的需要,主要是出于对无线通信安全性的考虑,于是,产生了以拓宽带宽来为代价的扩频通信技术.它的理论基础主要有:

香农公式和柯捷尔尼可夫公式是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。根据香农(Shannon)定律[11],对于连续信道,若受到加性高斯白噪声干扰,其信道容量的理论公式为:

C=Blog2(1+S/N) (1)

其中,B为信道宽度, S为信号的平均功率, N为白噪声的平均功率(均方值), S/N即为信噪比,信道容量C是指信道可能传输的最大速率(即信道能达到的最大传输能力)。因此,对于给定的信道容量传输容量,则可由较小的信号功率来传送。

根据柯捷尔尼可夫关于信息传输差错概率的公式,

Powj≈f (E/N) (2)

其中,Powj为差错概率, E为信号能量, N为噪声功率谱密度。因为,信号功率P = E/T (T为信

息持续时间),噪声功率N =WN (W为信号频带宽度),信息带宽ΔF = l/T,则式(2)可化为:

Powj≈f (TW1P/N) =f (P/N1W /ΔF) (3)式(3)说明,对于一定带宽ΔF的信息而言,用Gp值较大的宽带信号来传输,可以提高通信抗干扰能力,保证强干扰条件下,通信的安全可靠。亦即

式(3)与式(1)一样,说明信噪比和带宽是可以互换的。总之,用信息带宽的100倍,甚至1000倍以上的宽带信号来传输信息,就是为了提高通信的抗干扰能力,即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。

四、扩频通信的工作方式

无线局域网扩频技术目前已有直接序列扩频、跳频、跳时和线性调频四种基本方式[10]。

（一）直接序列扩频

直接序列扩频(Direct Se-quence Spread Spectrum)是直接利用具有高码率的扩频码序列,在发射端采用各种调制方式扩展信号的频谱,而在接收端用相同的扩频码序列去进行解码,把展宽的扩频信号还原成原始的信息。

所示,具体地说,就是将信源与一定的PN码(伪噪声码)进行模二加。

由信源输出的信号a(t)是码元持续时间为Ta的信息流,伪随机码产生器产生伪随机码c(t),每一伪随机码宽度或切普(chip)宽度为Tc。将信息码a(t)与伪随机码c(t)进行相乘或模二加,产生一速率与伪随机码速率相同的信频序列d(t),然后用信频序列d(t)去调制载波,这样就可以得到已扩频调制的射频信号s(t),即s(t)=a(t)c(t)cos(w0t)。而直扩信号的接收一般采用相关接收,通过解扩和解调两步进行。

（二）跳频扩频

跳频扩频技术(FrequencyHopping)是通过伪随机码的调制,使载波工作的中心频率不断跳跃改变,而噪音和干扰信号的中心频率却不会改变。这样,只要收、发信机之间按照固定的数字算法产生相同的伪随机码,就可以达到同步,排除噪音和其他干扰信号。跳频技术用一定码序列进行选择的多频率频移键控,也就是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，图4为跳频扩频系统(FH)原理图。发射端信息码序列与扩频码序列组合以后按照不同的码字去控制频率合成器,其输出的频率根据码字的改变而改变,从而形成了频率的跳变。从图5我们可以看到横轴为时间,纵轴为频率。这个时间与频率的平面叫做时-频域,它表明了什么时间采用什么频率进行通信,时间不同频率也不同。

（三）跳时扩频

跳时是使发射信号在时间轴上跳变。先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列进行控制。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。由于采用窄得很多的时片去发送信号,相对说来,信号的频谱也就展宽了。在发射端,输入的数据先存储起来,由扩频码发生器的扩频码序列去控制通-断开关,经二相或四相调制后再经射频调制后发射。在接收端,由射频接收机输出的中频信号经本地产生的与发射端相同的扩频码序列控制通-断开关,再经二相或四相解调器,送到数据存储器后再定时后输出数据。只要收、发两端在时间上严格同步进行,就能正确地恢复原始数据。

四、两种常用扩频技术的特点分析

（一）抗定频干扰

由直接序列扩频的机理可知,直扩抗干扰是通过相关解扩取得处理增益来达到抗干扰的目的,它能工作在负的噪声比条件下,但是超过了干扰容限的定频干扰将会导致扩频系统通信中断或性能急剧恶化.而对跳频系统采用躲避的方法抗干扰,强的定频干扰只能干扰跳频系统的一个或几个频率,若跳频系统的频道数很大,则对系统性能的影响是不严重的.因此,在强的定频干扰上,跳频系统比直扩系统优越。

（二）抗衰落

无线通信中的一个重要的问题是:信号的衰落,特别是频率选择性衰落,这是室内环境必须解决的问题。由于直扩系统的射频带宽很宽,小部分频谱衰落不会使信号频谱产生严重畸变,而对跳频系统而言,频率选择性衰落将导致若干个频率受到影响使系统的性能恶化。跳频系统要抗这种选择性衰落就要采用快速跳频的方法,使每一个频率驻留的时间很短,平均衰落就非常低。此外还可以采用一比特信息用M个频率编码传输,也可较好的解决选择性衰落问题,这些都是以提高跳频速率为代价的。

（三）抗多径干扰

多径问题是在移动通信、室内通信等系统中必须解决的问题。多径干扰是由于点波传输过程中遇到的各种反射(如高山、建筑物、墙壁、天花板等)引起的反射或散射。在接收端的直接传播路径和反射信号产生的群反射之间的随机干涉形成的。多径干扰信号的频率选择性衰落和路径差引起的传播延时t,会使信号产生严重的失真和波形展宽,导致码间串扰,不但能引起噪声增加和误码率上升,使通信质量降低,甚至使某些通信系统无法工作。由于直扩系统采用伪随机码的相关解扩,只要多径时延大于一个伪随机码的切片宽度,这种多径就不能对直扩系统形成干扰,直扩系统甚至可以利用这些干扰能量来提高系统性能。而跳频系统则不然,跳频系统要抗多径干扰,则要求每一跳的驻留时间很短,即要求快跳频,在多径信号未来之前接收机已经接收下一跳信号。快速跳频实现起来较困难且代价相对较高,没有直接序列扩频易于实现。

五、结束语

对于无线局域网来说,抗干扰性和保密性的好坏应该是最主要衡量指标。扩频通信抗干扰性和保密性好的特点使其在无线局域网中的应用前景十分广阔,值得进一步深入研究。而直扩通信系统具有更强的抗干扰能力,要对其实施有效的干扰,从目前来看有相当的难度。如果在上述各种有利于系统提高抗干扰能力方法的研究上取得突破并加以利用,那么直扩通信系统将会更加完善,该系统在军用领域的作用将会更加突出,并进一步扩展到民用领域。

参考文献:

[1]朱近康. CDMA通信技术[M].北京:人民邮电出版社,2001.

[2]沈允春.扩谱技术[M].北京:国防工业出版社, 1995.

[3]樊昌信,等.通信原理[M].北京:国防工业出版社,2001.

[4][美]西恩帕.无线局域网设计与实现[M].北京:科学出版社, 2003.

[5]Kun-JieWang,YanYao. New nonlinear algorithms fornar-row band interference suppression in CDMA spread-spec-trum systems [ J]. IEEE Journal on Selected Areas in Comm., 1999, 17(12): 2148-2153.

[6]Cha I,Kassam S A. Interference cancellation using radialbasis function networks[ J]. Signal Processing, 1995, 47(3): 247-268.

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