扩频无线通信技术概述及其应用

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扩频无线通信技术概述及其应用

摘要：本文主要介绍扩频无线通信技术的基本工作原理及简单介绍其在实际环境中的应用。

关键词：无线网络通信；扩展频谱技术；直接序列扩频技术（DSSS）；跳频扩频技术（FHSS）；802.11；HOME RF；BLUETOOTH（蓝牙）
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引言
当今世界，因特网的网络规模正以惊人的速度不断扩大，同时无线网络通信也在突飞猛进的向前发展。大至办公室、餐厅、酒店、会议展览场地等，小至手提电脑、手机、耳塞等都纷纷引入无线网络通信技术构建灵活的无线网络而不受到时空的限制。无线网络通信技术能够使移动用户在移动自己位置的同时无需中断正在进行的网络通信，打破固定线缆连接的地域局限，使网络环境不再因为线缆的存在显得凌乱烦扰，又能节约成本。因此成为当前业界研究的热点问题。
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基本工作原理
无线网络通信利用电磁波在空气中发送和接受数据，而无需线缆介质。目前无线通信最大的难题就是空间传输中的干扰，而扩频技术就是为此而诞生的：

扩展频谱技术(Spread Spectrum)

图1-扩频工作原理图

下图能更直观地了解扩频技术对抗干扰的原理：

图2-扩频技术抗干扰示意图

大部分WLAN产品都使用了扩频技术，其技术是依据FCC(Federal Communications Committee；美国联邦通讯委员会)规定的ISM(Industrial Scientific, and Medical)。频率范围开放在902M~928MHz及2.4G~2.484GHz两个频段，因而并不需要授权使用。扩频技术又包括“跳频技术”(Frequency-Hopping Spread Spectrum； FHSS)、“直接序列”(Direct Sequence Spread Spectrum； DSSS)、跳时（TH）、线性调频等。扩频技术原先是军事通讯领域中使用的宽带无线通信技术。使用扩频技术，能够使数据在无线传输中完整可靠。并且确保同时在不同频段传输的数据不会互相干扰。
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跳频扩频技术（FHSS）
跳频的原理是载频受一个伪随机码的控制随机跳变，躲避干扰，在其工作带宽范围内，将干扰排斥在接收通道以外，其频率按随机规律不断改变频率。接收端的频率也按随机规律变化，并保持与发射端的变化规律一致，以外来达到抗干扰的目的。
跳频的幅度与系统的性能成正比，跳频幅度越大（在工作带宽之内），抗干扰的性能越好，军用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。出于成本的考虑，商用跳频系统跳速都较慢，一般在50跳/秒以下。由于慢跳跳频系统实现简单，因此低速WLAN、Bluetooth（蓝牙）与Home RF常常采用这种技术。
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直接序列扩频技术（DSSS）
所谓直接序列扩频，就是将原来功率较高、频率较窄的载波信号(Data)，经与所谓的PRN序列(Pseudorandom Number Sequence)相异或之后，将原本单个的1或0，以10个以上的chips来代表1或0位，使得变成具有较宽频的低功率频率，然后在收端直接使用相同的扩频码序列对扩展的信号频谱进行解调，还原出原始的信息。DSSS设备采用DQPSK调制方式，使用线性放大器，其抗干扰能力十分卓越，因此其通信范围较FHSS广，速度也较FHSS高，但成本也较高。
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应用
根据以上的两种扩频技术，主流应用可以大致分为Wireless LAN 802.11（FHSS、DSSS）、HOME RF（FHSS）和BLUETOOTH（FHSS）。

Wireless LAN 802.11
802.11是IEEE最初制定的一个无线网络通信标准，通常采用DSSS技术，相对于HOME RF和BLUETOOTH的短距离，802.11传输的距离可达150米。主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，而使用FHSS的802.11技术则主要用于仓库、医院等特定场所。由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，IEEE小组又相继推出了802.11a和802.11b两个新标准。而目前主要应用的是802.11a。
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802.11a
802.11a标准工作在5GHzU-NII频带，物理层速率可达54Mb/s，传输层可达25Mbps。可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口，以及TDD/TDMA的空中接口；支持语音、数据、图像业务；一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。十分适合在办公室、宾馆、咖啡厅、网吧、机场等众多场合应用。

Home RF
Home RF是使用在家庭区域范围内，在用户电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。通常采用FHSS，传输距离为50m,传输速率为11Mb/s, 支持话音和数据，主要为家庭网络或SOHO设计，旨在降低语音数据成本。

BLUETOOTH（蓝牙）
蓝牙技术采用的是FHSS，频道跳跃率为每秒一千六百次，以减少互相干扰的机会。另外因为通讯方式为双向，因此每个频道还使用了分时双工(Time Division DupleXing TDD)的机制，使每秒跳频一千六百次而每次只传送一个封包，工作在，带宽为1Mb/s，标准是Bluetooth 1.1。由于其传输距离限制和其价格低廉的关系，蓝牙定位在支持设备短距离通信（一般是10m之内）的无线电技术。能在近距离内将数字化的设备（包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、数字照相机、数字摄像机等，甚至各种家用电器）之间进行无线信息交换。
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结束语
无线通信技术打破了有线网络的空间限制，能够覆盖有线网络无法到达的领域，能够用传统组网方式成本的零头来实现更高效的网络连接。目前无线通信技术标准还有很多可以发展的空间，可以想象以后无线通信技术应用的市场是多么宽广。