无线扩频技术比较

扩展频谱通信最早始于军事通信,直到80年代末,美国FCC规划出了ISM频段,并且可以由采用扩频通信机制的商用通信使用。由于扩频通信在提高信号接收质量,抗干扰,保密性,增加系统容量方面都有突出的优点。扩频通信迅速地在民用,商用通信领域普及来。近年来在国内,扩频通信技术如雨后春笋般发展起来,已经广泛应用在室内局域网互连,室外远程城域网互连等领域。众多的国际无线扩频厂商纷纷加入了国内市场的竞争。如:PCOMCylink)ioWaveBreezecomSRHarrisWirelessGlenayre等。如今,扩频微波产品已经广泛应用于中国的电信,移动,金融,证卷,税务,电力,公安,水利,交通,油田,卫生,广电等部门,并已安装了上万套的扩频微波设备。 

常规无线通信,其载波频谱宽度集中在其载频附近的窄带带宽内。而扩频通信采用专门的调制技术,即将调制后的信息扩展到很宽的频带上去。常用的商用扩展频谱技术分为两种:即直接序列扩频技术和跳频技术。需要注意的是,即使采用同样扩频技术,各种产品实现的方法也是不相同的。一些用户的扩频设备很实现了通信连网的目的,而另外一些扩频设备在应用中则不断出现问题或实际性能明显低于期望和产品指标。因此使广大用户对扩频通信技术产生了不同的认识。PCOMioWaveGlenayre公司均采用直序扩频技术,Breezecom公司采用跳频技术,用户可以根据实际应用需要,选用不同的扩频技术,更好的达到应用目标。 

直扩系统

直扩技术使用伪随机码(PN CODE)对信息比特进行模2加得到扩频序列,然后将扩频序列调制载波发射到空中,此时系统占用功率谱密度也大大降低。PN码由伪随机序列发生器产生,其码速比原始信息码速高的多,每一PN码的长度(即切普CHIP宽度)很小。  

直扩系统的接收一般采用相关接收,分为两步,即解扩和解调。在接收端,接收信号经过放大混频后,用于发射端相同且同步的伪随机码对中频信号进行相关解扩,把扩频信号恢复成窄带信号,然后再解调,恢复原始信息序列。对于干扰和噪音,由于与伪随机码不相关,接收机的相关解扩相当于一次扩频,将干扰和噪音进行频谱扩展,降低了进入频带内的干扰功率,同时使得解调器的输入信噪比和载干比提高,提高了系统的抗干扰能力。另外,采用不同PN码即不相关的接收机很难发现和解出扩频序列中的信息,由于不同构造的PN码之间相关性很低,码分多址CDMA就是采用同样原理区别不同的用户。 

对于直扩系统最好是先解扩再解调,因为无线信号在空间传输中会有很大的信号衰减。未解扩前的信噪比很低,甚至信号淹没在噪声中。一般解调器很难在很低的信噪比下正常解调,导致高误码。 

但在室内通信条件下,由于信号有较高的强度,可以先解调后解扩。当信号达到一定电平时,简单的解调器已经能够正常的工作,可以先将信号解调为一个数据流(未解扩),然后用普通的集成电路进行数字相关信号解扩。采用直扩的无线局域网卡一般采用这种方法,射频单元的处理大为简化,体积可以缩小很多,并且成本明显下降。

 在性能上,先解扩再解调明显优于先解调后解扩。先解扩可以通过解扩过程获得扩频增益(扩展的频谱带宽与原始信息的带宽之比),提高接收信号信噪比。室外远程(23公里以上的)扩频通信必须采用这种方式,以保证通信质量和可靠性。 

直扩系统的同步 

直扩系统采用先解扩时,首先只有在完成伪随机码(PN码)的同步后才可能用同一码序列对扩频信号进行相关解扩。接收机本地PN码的速率和相位要与接收到的高速扩频序列保持一致。即使发射和接收端的相位差大于一个CHIP码片时,它们的相关性就不存在。解扩的第一步就是要在接收信号中捕获到一个与本地PN码一致的相位状态。 

扩频序列中的相位捕获一般采用匹配滤波器或相位搜索电路实现,接收机在搜索同步过程中,通过改变本地PN码的时钟速率,使接收信号中的PN码相位和本地PN码相位在相关器内相对滑动。滑动过程中,当相关峰值超过捕获门限,标志完成同步捕获,此时收发双方的PN码的相位误差已经小于一个切普码宽(Tc)。捕获进入跟踪状态,相位差进一步缩小,相关性增大,获得高的解扩信号信噪比,满足以后的解调门限的要求。 

直扩技术中还有一种更高级的接收技术,叫RAKE接收技术。RAKE接收技术可以实现多径分集。由于大气状况,地理位置等各种组合因素影响,信号在空间的传输与只有直射波有很大不同,信号经过多条路经(直射,反射,折射,大气波导)经过不同时延到达接收端,各个信号到达的时间不同,相位不一致,造成最终信号的幅度相互抵消,引起信号大幅度衰落。 

先解扩后解调的直扩系统具备了抗多径的能力,在时间上将主通道(最大峰值)上的相关峰分离出来。从而降低多径干扰。而RAKE接收技术实现多径分集技术,可以将接收的各个多径信号组合起来,获得加权增益,转化为合成的信号,达到更高的抗衰落性能。但由于 RAKE技术的接收加权合并实现复杂而且昂贵,目前只有美国少数几家公司在其扩频系统中实现了这一技术。  

直扩中的“假扩频”

假扩频”即软扩频,对于无线局域网,要在室内近距离范围内达到速率每秒数兆比特时,若采用一般的直序扩频技术,则系统扩展的频谱带宽甚至会超过开放ISM频段规定的频率范围。与“真扩频”方法不同,软扩频实际是采用编码的方法完成频率的扩展。软扩频是一种(NK)编码,K为信息码由N位长的伪随机序列来表示。用几位信息元对应一条伪随机码,扩展的倍数不大,而且不一定是整数。而对比“真扩频”,每一位信息码都与多个整数位的PN码相模2加。在室内距离通信的条件下,软扩频既满足开放频段的系统要求,也能达到很高的速率,成本也低。 

 跳频技术 

跳频技术与直序扩频技术完全不同,是另一种意义上的扩频。跳频的载频受一个伪随机码的控制,在其工作带宽范围内,其频率合成器按PN码的随机规律不断改变频率。在接收端,接收机频率合成器受伪随机码控制,并保持与发射端变化规律相同。  

跳频是载波频率在一定范围内不断跳变意义上扩频,而不是对被传送信息进行扩谱,不会得到直序扩频的处理增益。跳频相当于瞬时的窄带通信系统,基本等同于常规通信系统,由于不能抗多径,同时发射效率低,同样发射功率的跳频系统在有效传输距离上小于直扩系统。跳频的优点是抗干扰,定频干扰只会干扰部分频点。用于语音信息的传输,当定频干扰只占一部分时不会对语音通信造成很大的影响。 

跳速的高低直接反映跳频系统的性能,跳速越高抗干扰的性能越好,军事上的跳频系统可以达到每秒上万跳。实际上移动通信GSM系统也是跳频系统,其规定的跳速为每秒217跳。出于成本的考虑,商用跳频系统跳速都很慢,一般在50/秒以下。由于慢跳跳频系统可以简单的实现,因此低速无线局域网产品常常采用这种技术。  

不同扩频系统性能 

以上描述了各种不同扩频通信系统的原理和性能,扩频通信设备的实现方法和难易程度,直接决定了其最终性能和成本。一般讲慢跳跳频系统的实现最简单,成本最低,但性能最差。采用软扩频的编码技术可以达到高速率,但限制到室内近距离范围内应用。先解调后解扩的直扩系统,可以采用集成电路直接对扩频序列进行数字处理,但前提是有足够高的信号强度。 

扩频系统中性能最好的是直接序列扩频中的先解扩再解调的技术,这种扩频系统对扩频信号先相关,再相关解调,需要完成伪随机码的同步和载波恢复,大大增加了系统的复杂程度。例如,一个速率64K的直扩系统,其伪随机码的速率要超过5Mbit/s左右,其实现方法比之于3M速率的跳频系统还要复杂的多。因此,高性能的直序扩频系统的成本很高。 

信道特性对扩频系统的影响 

信道特性对无线信号的传输至关重要,信号通过不同的信道发生不同的失真和畸变。通信系统的收发设备必须依据信道特征来设计,采用不同技术的无线扩频系统应用定位也不相同。 

在无线通信中由于气候,环境,距离等各种因素的影响,接收到的信号幅度和相位是随机起伏变化的,主要需要考虑的是慢衰落,快衰落,平衰落,频率选择性衰落。室内信道的时间衰落特性是慢衰落的,同时时延扩展因素小,因而较为简单的达到通信速率Mbps数量级以上。而室外无线传输信道的特征有很大不同。必须考虑各种快衰落,深度平衰落,长扩展时延等因素。通信速率高(占用带宽大)时还要考虑频率选择性衰落等各种不确定因素。另外其接收灵敏度必须保障在信号衰减上百dB情况下的信号拾取。 

为保证通信质量和通信可靠性(用可用度表示)。常规微波频段通信系统为了保证足够的性能指标(误码指标)一般会预先在链路设计上予留30~50dB的链路裕度(或称衰落储备)。然而对于多径传输和深度衰落等原因造成的误码,除了采用快速自动增益控制AGC等手段之外。必须采用抗多径衰落的技术。正如前文所叙,采用直扩技术中高性能的实现手段(先解扩再解调)可以很好抵消多径衰落的不利影响。更好的RAKE接收技术甚至可以实现多径分集接收,进而抵消室外无线衰落信道系统中的性能严重恶化。另外由于直扩技术的频谱很宽,部分频带的选择性衰落不会影响整体接收。 

一般不要将室内扩频设备用于室外,例如,即使利用高的铁塔和好的传输路线空间,无线局域网扩频产品实际上并不能解决由于信道特性引起的通信质量迅速下降。一般无线局域网扩频设备使用高增益天线在传输距离超过34公里后,误码率仍旧会迅速上升,并且随气候和环境的变化可用度很低。此时采用加入功率放大器等增加发射功率的措施是不现实的,考虑到深衰落和设备的非线形失真,误码率会出现平展,同时由于匹配非线形产生的寄生辐射甚至可能会影响常规微波频段的其他设备正常通信。

无线电管理因素和开放频段

资源的有效利用

各个国家对室外通信系统都有严格的无线电管理制度。开放的ISM频段同样是宝贵的频谱资源。例如商用扩频系统中,慢跳跳频最易实现,但是从频率资源占用角度,它实际上会占用整个开放频段的频率资源。跳频系统从功率谱图形上看是扫描性的占用所有开放频段,因此慢跳系统是最廉价的,但却会对整个地区的频率资源造成破坏影响。另外,跳频图案实际上不能隔离信道,即一个跳频系统肯定会与另一条跳频系统冲突。从已有资料上看,即使只有两个跳频线路,总的吞吐量也会下降20%35%。对于网络应用,可以靠重传实现,但对于透明信道来说,引起的误码率(一般会下降到10E-4以下)通常是不能允许的。如果考虑到各个跳频系统之间不存在同步机制(各个跳跃的频度和时间),跳频系统的容量会显著下降。相比之下,直序扩频技术对容量的使用则更为有效,直序技术功率频谱密度很低,不相关的接收机根本无法发现,同时直序扩频有很高的C/I性能。频谱重新利用率接近于最优。第三代移动通信采用的就是基于直序扩频技术的码分多址CDMA

无线扩频通信的其它相关问题

即使同一种扩频技术,也可以有多种方法实现。如选择扩频增益的大小,双工方式,接收灵敏度等各个方面。选择高扩频增益会提高抗干扰,抗衰落能力,但占用带宽大;降低扩频增益可以减少系统带宽,容易提高系统接收灵敏度,实现简单;高接收灵敏度,原则上可以增大传输距离,保证足够的链路裕度;而高扩频带宽,虽然容易导致灵敏度降低,但由于其抗多径,抗衰落的能力高,却可以减少链路裕度储备。

扩频通信的双工方式也主要是频分双工FDD,如:(ioWave),时分双工TDD,如:(P-COM)。频分双工在极限情况下可以传输更远,TDD距离则有双工协议的限制。但频分双工在改变信道时须更换双工器,时分双工可以更灵活地管理和调整频率使用。但只限在E1以下的低速率适用,因当数据速率达到E1时,TDD模式几乎占用整个扩频频段的带宽,即信道只有一个。

频分双工由于接收频带比时分双工的接收机通频频带窄一倍,因此可以容易实现较高的接收灵敏度。但同步TDD在对使用不同伪随机码的多个系统中可以更容易实现相位校准,多个用户码分的正交性,大大增加扩频系统的容量。但同样在高速E1或更高速率的链路中,由于受到信道数的限制,在一个点汇集多条线路时TDD模式只能靠天线角度和极化方式来提高信道隔离度。而频分产品则可利用不同的模块来大大提高组网能力。

扩频通信的应用和可靠性

由于扩频通信在可靠性和抗干扰性等方面具备了常规有线通信无法提供的优势,因此扩频通信成为有关键事务通信需求的商业及工业机构组成专网的重要手段。近年来,随着数据通信的迅速发展,比之于采用常规的有线基带MODEM,扩频通信提供了更高的速率和更远的通信距离。因此电信机构和新兴的ISP也大量采用高速扩频通信技术实现数据网络接入服务。

无线通信是一门奥妙而精微的科学,不同扩频技术实现本质上有很大差别。随着无线MODEM,无线路由器,无线局域网等不同应用扩频产品出现,只要仔细分析其实现原理和应用定位,我们就能够更加有效的选择合适的技术,最终确保扩频线路的高性能和高稳定性。否则既会导致通信可靠性的严重降低和实际吞吐量的成倍减少,甚至对有限而宝贵的频率资源造成损害。

 

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