擴(kuò)展頻譜保證了無線通信的安全

擴(kuò)頻看似是浪費(fèi)帶寬，但它增加了頻道容量,保護(hù)了數(shù)據(jù)安全，并能免除信號(hào)的擁堵與衰減。

提示

1.跳頻擴(kuò)頻法是從一個(gè)子頻道轉(zhuǎn)到另一個(gè)子頻道，從而改變發(fā)射頻率。它能解決遠(yuǎn)近干擾問題。

2.直接序列擴(kuò)頻是將一個(gè)消息的每個(gè)信號(hào)位都乘以一個(gè)位序列，再做發(fā)射。結(jié)果信號(hào)被分布在較寬的頻段上。

3.DSSS中的PN碼與FHSS中的跳頻序列都能防止被竊聽，不過一個(gè)序列必須滿足更嚴(yán)格的要求，才能用做DSSS的PN碼。

4.對(duì)DSSS系統(tǒng)性能而言，PN碼的選擇是關(guān)鍵，它必須有高的處理增益、最低自相關(guān)以及最低互相關(guān)。

5.每種異步數(shù)字通信都要求接收機(jī)與發(fā)射機(jī)同步。擴(kuò)頻系統(tǒng)必須為DSSS同步PN碼，為FHSS同步跳頻模式。

無線通信起源于1915年，當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了跨越美國(guó)大陸的第一次無線語(yǔ)音傳輸，之后得到快速發(fā)展，1920年出現(xiàn)了首個(gè)商業(yè)無線電廣播，1921年第一次使用警車無線調(diào)度，而1935年則實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)全球性電話呼叫。無線技術(shù)的商業(yè)化帶來了全球性的無線電大爆炸，但早期由于缺乏對(duì)頻段的使用限制，無線電頻道嘈雜不堪，流量亦無法管理。

這種對(duì)通信質(zhì)量的負(fù)面作用，促成了通過發(fā)放頻段許可證來管制流量的方法。不過，即使有了法規(guī)，仍然需要更多的技術(shù)進(jìn)步來抑制干擾。

此外，可能并非每個(gè)頻段都實(shí)現(xiàn)了許可，因?yàn)閷?duì)于短距離應(yīng)用來說，頻段的重新利用也很重要。例如，當(dāng)某個(gè)頻道被用于某建筑內(nèi)的通信時(shí)，就不應(yīng)禁止用于某個(gè)不同的物理位置，否則這種限制會(huì)導(dǎo)致頻譜的低效使用，因?yàn)檫@類系統(tǒng)永遠(yuǎn)不會(huì)產(chǎn)生相互干擾。但是，由于一個(gè)免許可頻帶內(nèi)可以有任意數(shù)量的用戶，因此增強(qiáng)抗干擾能力就顯得尤為重要。

擴(kuò)頻技術(shù)就是這類改進(jìn)技術(shù)中的一種。擴(kuò)頻概念出現(xiàn)于40年代初，在80年代得到普及，因?yàn)檐婈?duì)將其用于數(shù)據(jù)安全保密，并且它天生具有對(duì)信號(hào)擁堵的抑制能力。

擴(kuò)頻是一種傳輸方法，此時(shí)信號(hào)占用的帶寬超過了發(fā)送信息所需要的最小帶寬。采用擴(kuò)頻技術(shù)時(shí)，一個(gè)窄帶頻率(fm)內(nèi)包含的信息被轉(zhuǎn)換(或擴(kuò)展)到一個(gè)較寬的頻帶(fs)，然后再做傳輸(圖1)。這種轉(zhuǎn)換不會(huì)顯著地增加需要的總功率，因?yàn)閭鬏數(shù)臅r(shí)長(zhǎng)保持不變，改變的只是頻率。

雖然擴(kuò)頻看似會(huì)“ 浪費(fèi)”帶寬，但它實(shí)際上是增加了頻道的容量。Shannon-Hartley理論給出了頻道容量與頻道帶寬之間的關(guān)系式式(1)：

式中，C是頻道容量，或可以同時(shí)使用頻道的最大用戶數(shù)；B是頻道帶寬；而S/N是信噪比。

合理的假設(shè)是，(式1)中頻道容量與帶寬的比率與所需要的系統(tǒng)信噪比成正比式(2)：

但其關(guān)系卻是非線性的。

對(duì)于一個(gè)有固定信噪比需求的系統(tǒng)，增加頻道容量的唯一方式是提高頻道帶寬。因此，增加潛在用戶的數(shù)量就可以補(bǔ)償帶寬的浪費(fèi)。將一個(gè)信號(hào)分配到較大頻帶上還有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)抗干擾。干擾機(jī)也是無線發(fā)射機(jī)，它會(huì)向某個(gè)特定頻道持續(xù)發(fā)射大功率信號(hào)。收到這個(gè)功率信號(hào)的其它設(shè)備的噪聲水平提高，從而無法使用這個(gè)頻道。如果頻道中有通信，整個(gè)消息信號(hào)就會(huì)丟失。而采用了擴(kuò)頻技術(shù)后，只有一小部分信號(hào)丟失。

(2)抗衰減。在無線系統(tǒng)中，每次傳輸?shù)男盘?hào)不可能都走相同路徑。在信號(hào)真正到達(dá)接收機(jī)以前，它會(huì)面臨多次反射(或折射)。

這些反射會(huì)產(chǎn)生多個(gè)波陣面，它們相互間會(huì)產(chǎn)生有益或有害的干擾。干擾會(huì)在所接收信號(hào)中產(chǎn)生失真或降低信號(hào)強(qiáng)度(衰減)。如果衰減足夠大，

接收信號(hào)強(qiáng)度(RSS)水平降到了所需最低閾值以下，則接收機(jī)就不能成功地譯碼信號(hào)。

由于衰減取決于系統(tǒng)的實(shí)際環(huán)境，其模型為一種隨機(jī)現(xiàn)象。但衰減已被認(rèn)為僅對(duì)特定頻率有主要影響。因此，擴(kuò)頻就提供了一種抑制衰減的措施， 因?yàn)樗p只影響到一小部分信號(hào)。

FHSS工作原理

跳頻擴(kuò)頻方法是以固定的時(shí)間間隔，從一個(gè)子頻道跳到另一個(gè)子頻道，從而改變發(fā)射頻率(圖2)。如從時(shí)間平均角度看，F(xiàn)HSS需要高得多的帶寬，不過其即時(shí)帶寬等同于原消息信號(hào)的帶寬。