擴(kuò)展頻譜保證了無(wú)線通信的安全 - 全文

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(wèn)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(tīng)，不過(guò)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(wú)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(wú)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(wú)線電廣播，1921年第一次使用警車無(wú)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(wú)線技術(shù)的商業(yè)化帶來(lái)了全球性的無(wú)線電大爆炸，但早期由于缺乏對(duì)頻段的使用限制，無(wú)線電頻道嘈雜不堪，流量亦無(wú)法管理。

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

擴(kuò)頻的實(shí)現(xiàn)方法有兩種： 跳頻擴(kuò)頻(FHSS) ， 以及直接序列擴(kuò)頻(DSSS)。很多無(wú)線通信協(xié)議都在物理層上采用了擴(kuò)頻技術(shù)，例如藍(lán)牙。
為什么要擴(kuò)頻？

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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)其即時(shí)帶寬等同于原消息信號(hào)的帶寬。

在子頻道之間的跳躍是按照預(yù)定的序列。因此，每臺(tái)接收機(jī)都必須知道相應(yīng)發(fā)射機(jī)所使用的跳頻序列，這樣才能保持同步。這個(gè)序列可防止竊聽(tīng)，因?yàn)椴恢捞l序列，接收機(jī)就無(wú)法成功地譯碼出消息信號(hào)。

FHSS 可抑制“ 遠(yuǎn)近干擾” 問(wèn)題，這是發(fā)射機(jī)靠近目標(biāo)接收機(jī)時(shí)所造成的干擾。不采用FHSS時(shí)，附近的外來(lái)發(fā)射機(jī)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的功率電平，在接收機(jī)上表現(xiàn)為高電平的噪聲， 如果恰在該頻道內(nèi)通信， 則會(huì)使接收機(jī)致盲， 通信中斷。有了FHSS，接收帶寬更大了。因此，即使是在最差的情況下，也只能阻擋掉一部分跳頻，迫使系統(tǒng)工作在次優(yōu)的情況下。
DSSS工作原理

直接序列擴(kuò)頻是將一個(gè)消息信號(hào)的每一位都乘以一個(gè)碼序列， 然后再發(fā)射。這樣，信號(hào)就分布在一個(gè)較寬的頻率范圍上，因?yàn)榇a片序列(亦稱偽噪聲碼，PN碼)包含了多個(gè)頻率成分。這里用的乘法是一種邏輯XOR運(yùn)算，它將每個(gè)位分割成k個(gè)碼片，k是PN碼的長(zhǎng)度(圖3)。

由于PN碼為每個(gè)傳輸位都增加了一個(gè)冗余位模式，因此擴(kuò)頻直接影響到了系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)速率。對(duì)于RP的物理信號(hào)速率，有效數(shù)據(jù)速率RE將按式(3)給出：

由于提高了信號(hào)的抗干擾能力，從而補(bǔ)償了下降的數(shù)據(jù)速率。如果模式中一個(gè)或多個(gè)位在傳輸中損壞，也可以用適當(dāng)?shù)募m錯(cuò)方法，通過(guò)冗余位的處理而恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。

采用PN碼后，DSSS接收機(jī)能“調(diào)準(zhǔn)”(tune in)到相關(guān)的發(fā)射機(jī)，而將其它信號(hào)看作噪聲。這種選擇性衰減提高了信號(hào)的抗干擾能力，降低了所需的最低信噪比。

FHSS 是在某個(gè)特定時(shí)間， 將發(fā)射能量聚集在一個(gè)子頻帶內(nèi)，而DSSS 的能量分布則是均勻的。DSSS系統(tǒng)會(huì)在一組頻率上同時(shí)發(fā)射。因此，其工作范圍覆蓋了較寬的頻段。這種均勻性使得遠(yuǎn)近問(wèn)題對(duì)DSSS更為關(guān)鍵。

DSSS中的PN碼提供了防竊聽(tīng)的安全性，這類似于FHSS的跳頻，但在DSSS中，一個(gè)序列必須滿足更嚴(yán)格的要求，才能用作一個(gè)PN碼。

基于DSSS的系統(tǒng)在發(fā)射機(jī)端使用PN碼序列，將窄帶的信息承載信號(hào)擴(kuò)充為一個(gè)寬帶信號(hào)。在發(fā)射期間，各種噪聲和干擾都會(huì)影響到帶寬。要正常通信，相應(yīng)的接收機(jī)就必須僅恢復(fù)那些所需要的編碼信息，而排除掉所有其它信號(hào)。因此，每臺(tái)接收機(jī)都要使用一個(gè)相關(guān)器(correlator)，這是一種特殊類型的匹配濾波器，它只響應(yīng)于用某種PN碼編碼的信號(hào)(圖4)。圖中顯示的DSSS接收機(jī)解釋了與PN碼相關(guān)的概念。

糾錯(cuò)

要了解PN碼在糾錯(cuò)中的角色，考慮這樣一種情況，接收到的序列和PN碼之間只有一個(gè)碼片不同。由于失配的程度低，相關(guān)器的輸出將不會(huì)達(dá)到峰值，但也不會(huì)是最小值。給相關(guān)器輸出施加一個(gè)適當(dāng)?shù)臉O限閾值，接收機(jī)就會(huì)獲得關(guān)于失配的大致程度。據(jù)此，接收機(jī)可以做出智能判斷，即收到的序列是否對(duì)應(yīng)于所需要的PN碼。于是，PN碼就提供了對(duì)碼片損壞的糾錯(cuò)功能。

PN碼的特性

對(duì)于一個(gè)DSSS系統(tǒng)性能來(lái)說(shuō)，PN碼的選擇是關(guān)鍵。PN碼必須具備某些需要的特性，包括高處理增益、最低自相關(guān)，以及最低互相關(guān)。

高處理增益。處理增益是一個(gè)理論上的系統(tǒng)增益，它反映出了擴(kuò)頻在頻道容量與抑制干擾方面的相對(duì)優(yōu)勢(shì)。按式(4)的數(shù)學(xué)表達(dá)，它是跳頻頻率(fc)與輸入信號(hào)頻率(f4)之比：

因此，如果一個(gè)10kHz信號(hào)被分布在一個(gè)100kHz頻帶上，則相應(yīng)的處理增益為10。
通常，PN碼應(yīng)為系統(tǒng)增加一個(gè)高的處理增益，原因有二。首先是抑制噪聲：較高的處理增益意味著輸入信號(hào)被分布在一個(gè)較寬的頻帶上，它需要采用更長(zhǎng)的PN碼。這類系統(tǒng)對(duì)噪聲有更高的容忍性。第二個(gè)原因是系統(tǒng)容量。根據(jù)Shannon-Harley定律(式(1))，頻道容量與頻道帶寬成正比。較高處理增益的系統(tǒng)也有更大的容量，因?yàn)檫@類系統(tǒng)的傳輸需要更高的帶寬。

最低自相關(guān)。自相關(guān)是一個(gè)信號(hào)與其時(shí)移版信號(hào)的相似程度。式(5)以數(shù)學(xué)方式表示了這個(gè)概念：

其中， PN(n)是偽噪聲序列，RAUTO是序列PN(n)的自相關(guān)，n是PN碼的長(zhǎng)度，而τ是PN(n)時(shí)移的延時(shí)因數(shù)。

信號(hào)的時(shí)移是非線性的；自相關(guān)的計(jì)算采用循環(huán)時(shí)移方法。自相關(guān)是延時(shí)(τ)的一個(gè)函數(shù)。

要正確地譯碼，收到的信號(hào)應(yīng)該與PN碼保持相位同步。接收機(jī)是依據(jù)相關(guān)器的輸出來(lái)維持同步。自相關(guān)應(yīng)有一個(gè)高的峰值最大值(圖5)，才能有完美的同步；就是說(shuō)，τ=0、N、2N等等。否則，接收機(jī)就有很大的概率錯(cuò)誤地鎖相到收到的序列上。如兩個(gè)波形要有最小的失配，則自相關(guān)應(yīng)為最低。

最低自相關(guān)亦增強(qiáng)了對(duì)多徑干擾的抑制能力。一旦接收機(jī)被鎖相到接收信號(hào)上，它就不會(huì)主動(dòng)地去響應(yīng)所最低互相關(guān)。

互相關(guān)類似于自相關(guān)，但量度的是兩個(gè)獨(dú)立信號(hào)之間的相似性，數(shù)據(jù)表達(dá)式見(jiàn)式(6)：

其中， PNi(n)是一個(gè)偽噪聲序列；PNj(n)是另一個(gè)偽噪聲序列，且與PNi(n)完全獨(dú)立；RCROSS是序列PNi(n)與PNj(n)的互相關(guān)；n是PN碼的長(zhǎng)度，而τ是延時(shí)因數(shù)。

互相關(guān)亦稱為滑動(dòng)點(diǎn)積(sliding-dot product)。如果兩個(gè)PN序列之間的互相關(guān)高，則接收機(jī)將無(wú)法區(qū)分出它們的譯碼信號(hào)，因?yàn)橄嚓P(guān)器對(duì)兩個(gè)信號(hào)都有足夠高的輸出。這樣，接收機(jī)就可能失去“選擇性衰減”能力，從而使干擾作用占據(jù)上風(fēng)。為盡量減少其它DSSS源的干擾，理想情況下，不同的PN碼應(yīng)是正交的，即，它們應(yīng)該表現(xiàn)為零互相關(guān)。

因?yàn)镻N碼不會(huì)真正正交，因此要選擇最小可能的互相關(guān)，以減少其作用。

PN碼的選擇

通常， 較好的方法是選擇能提供高處理增益的PN碼，但較高增益也需要更大的帶寬。較高增益還有另一個(gè)缺點(diǎn)，那就是一般需要長(zhǎng)的PN碼，這會(huì)直接影響系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)速率。另外，要確定一個(gè)長(zhǎng)序列的PN碼資格，也相對(duì)困難些，因?yàn)檫@些特性的評(píng)估有著更高的處理開(kāi)銷。由于這些因素，選擇一個(gè)合適的PN碼是一個(gè)冗長(zhǎng)乏味的工作。

為簡(jiǎn)化這個(gè)過(guò)程，可選擇一些標(biāo)準(zhǔn)碼作為候選的PN碼，例如黃金碼(Gold code)、m序列，以及威爾士碼(Walsh code)。這些碼都已具備了需要的特性，例如，m序列有低的自相關(guān)，而黃金碼則有低的互相關(guān)特性。

選擇PN碼的一種常見(jiàn)方法是：從這些標(biāo)準(zhǔn)碼中選擇出一些序列，并根據(jù)需要的特性，對(duì)它們做分別評(píng)估(一般只做自相關(guān)和互相關(guān))。按照評(píng)估結(jié)果與應(yīng)用需求，對(duì)這些序列打分排名，然后用排名來(lái)決定某個(gè)序列是否適合用做PN碼。

一旦選定了合適的擴(kuò)頻方法以及擴(kuò)頻序列，下一個(gè)重要步驟就是在發(fā)射機(jī)及相應(yīng)接收機(jī)之間建立同步。每個(gè)異步數(shù)字通信都要求接收機(jī)采用一種與發(fā)射機(jī)同步的機(jī)制；否則，接收機(jī)就不可能譯碼收到的信號(hào)。兩種擴(kuò)頻方法本質(zhì)上都是異步的，因此擴(kuò)頻系統(tǒng)必須對(duì)DSSS同步PN碼，而對(duì)FHSS則是同步跳頻模式。

同步的建立分兩個(gè)階段：采樣與跟蹤。在采樣階段，接收機(jī)對(duì)收到信號(hào)做檢測(cè)，看它是否來(lái)自需要的源。在跟蹤階段，接收機(jī)做精細(xì)同步，采用某種鎖定機(jī)制，跟蹤所接收信號(hào)的相位、頻率(或兩者同時(shí)跟蹤)。

DSSS的同步

采用DSSS時(shí)，如果相關(guān)器輸出小于一個(gè)最低閾值，則它會(huì)將收到的序列當(dāng)作背景噪聲而丟棄。由于一個(gè)PN碼的自相關(guān)為最小，因此，如果收到的序列與本地生成PN碼之間沒(méi)有相位同步，則相關(guān)器輸出非常低(理想狀態(tài)為0)。如未采取具體的同步措施，接收機(jī)就不可能可靠地譯碼收到的信號(hào)。

由于PN碼實(shí)現(xiàn)了DSSS中的信號(hào)擴(kuò)展，發(fā)射機(jī)的載波頻率保持不變，因此不需要發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的頻率同步。

DSSS的采樣

為獲得完美同步，接收到序列與本地生成序列之間有一個(gè)峰值最大相關(guān)度。接收機(jī)采用“串行”或“并行”搜索方法，就可以找到一個(gè)相關(guān)度超出某個(gè)預(yù)設(shè)閾值的相位。

用串行搜索時(shí)，一個(gè)監(jiān)控電路會(huì)不斷檢查相關(guān)器的輸出。如果輸出未達(dá)到某個(gè)閾值，則搜索控制塊便移動(dòng)所生成PN碼的相位(圖6)。這個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)，直到相關(guān)器輸出達(dá)到閾值時(shí)，采樣結(jié)束。這一結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)反饋回路，被稱為滑動(dòng)相關(guān)器。

串行搜索可能有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是采樣時(shí)間長(zhǎng)。因此，有些設(shè)計(jì)會(huì)使用并行搜索。

并行搜索策略與串行搜索基本相同，但縮短了采樣時(shí)間，因?yàn)樗芡瑫r(shí)做多個(gè)相位比較，不過(guò)付出的代價(jià)是提高了對(duì)硬件資源的要求，增加了復(fù)雜性。當(dāng)相關(guān)器數(shù)量等于PN碼中的碼片數(shù)量時(shí)，采用并行策略的采樣時(shí)間最短。

采樣過(guò)程只能實(shí)現(xiàn)一種粗略的同步。這一階段結(jié)束時(shí)獲得的同步程度在±TC/2 內(nèi)，其中TC是碼片持續(xù)時(shí)間。

DSSS的跟蹤

一旦采樣完成， 接收機(jī)就開(kāi)始跟蹤所收到序列的相位，以實(shí)現(xiàn)精細(xì)同步。通常采用的是延遲鎖相環(huán)(DLL)(圖7)。DLL產(chǎn)生PN碼的三個(gè)相位(或三個(gè)版本)，分別是：延時(shí)相位、提前相位和精確相位，并對(duì)采用延時(shí)PN碼的相關(guān)器輸出與采用提前P N碼的相關(guān)器輸出做持續(xù)比較。這種比較提供了對(duì)所收到信號(hào)相移方向的一種量度。通過(guò)這個(gè)量度值，就可以動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)精確版PN碼的相位。

精確相位的PN碼在整個(gè)接收過(guò)程中都保持精準(zhǔn)。這個(gè)版本的PN碼被用于對(duì)所接收信號(hào)的實(shí)際解擴(kuò)(圖7)。

FHSS的同步

采用FHSS時(shí)，由于發(fā)射機(jī)在不斷地改變中心頻率，接收機(jī)與相應(yīng)發(fā)射機(jī)應(yīng)處于相同的頻道內(nèi)。另外還有一個(gè)關(guān)鍵要求，即發(fā)射機(jī)與接收機(jī)兩者在某個(gè)頻道內(nèi)花費(fèi)的時(shí)間要完全相同；否則，接收機(jī)可能過(guò)早地跳到另一個(gè)頻道，而失去與發(fā)射機(jī)的同步。

FHSS的采樣

跳頻系統(tǒng)中的采樣就是頻率同步，其目的是使接收機(jī)與發(fā)射機(jī)處于相同頻道內(nèi)。最簡(jiǎn)單的方法是一個(gè)專門的采樣頻道，其中，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)都必須只在專門頻道中發(fā)起通信，并等待采樣的完成。如果由于噪聲緣故，專門頻道堵塞，則不會(huì)產(chǎn)生通信。

另一種方案是在上電時(shí)開(kāi)始跳頻。發(fā)射機(jī)的跳頻速率應(yīng)快于接收機(jī)，以確保設(shè)備在同一個(gè)頻道上結(jié)束。

FHSS的跟蹤

采樣后， 接收機(jī)應(yīng)能夠跟蹤上發(fā)射機(jī)。發(fā)射機(jī)與接收機(jī)均應(yīng)在同一頻道內(nèi)停留相同時(shí)間，在該周期結(jié)束后再跳轉(zhuǎn)到同一個(gè)新頻道上。FHSS中時(shí)序同步的實(shí)現(xiàn)要比DSSS簡(jiǎn)單，因?yàn)閮蛇呍O(shè)備的跳頻速率是固定的。對(duì)于下一個(gè)頻道的確定，兩邊設(shè)備要有一個(gè)預(yù)裝入的查找表，其中包含可用的頻道號(hào)。

系統(tǒng)性能

DSSS與FHSS的同步過(guò)程都需要某個(gè)延遲量。因此，大多數(shù)協(xié)議都有一個(gè)用于同步脈沖的附加報(bào)頭，這樣就能在實(shí)際傳輸有意義信息的數(shù)據(jù)包以前，先同步好接收機(jī)與發(fā)射機(jī)。