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将扩频技术用干无线局域网中,必将大大提高系统性能,满足各种情况下对系统提出的要求。
图1-1无线局域网的组成
无线局域网卡的组成如图1-1所示。
它由微波发射/接收机、中频单元、网络控制单元(NlC)和微机(PC)组成。
微波发射/接收机的频段为ISM(Industrial,Seie,ltificaodMedieal)波段、大多采用2.4GHz波段,也有900MHz、SGHz、18GHz等波段,它完成微波信号的发射、接收和混频功能。
即将中频信号经混频、功放后发送出去,接收微波信号经混频后变为中频信号。
中频单元完成扩频调制和解扩解调功能。
网络控制单元完成中频单元和微机的接口功能。
无线局域网是无线电通信技术、计算机通信和网络技术、微电子技术以及其他技术相结合的产物,它涉及的领域非常广泛,应用前景十分广阔[1]。
1.1无线局域网技术
在当今信息时代,计算机的发展经历了三次浪潮:
室内计算机,台式计算机,移动计算机。
随着便携式计算机、掌上个人数字处理等移动终端的广泛使用,无线或移动数据网络正在占领计算机网络市场。
目前全世界的无线局域网已占局域网市场的17%,这个比例将会进一步扩大,而且当前的数字移动通信系统和第三代移动通信——个人通信都支持无线数据通信。
无线数据通信包括蜂窝移动通信、扩频通信技术、微波通信、移动卫星通信、VSAT及红外通信技术等。
根据数据业务区域的大小,它可以分为无线广域网(WWAN)和无线局域网(WLAN),在此只讨论无线局域网技术。
无线局域网是一种局限于在办公室内、建筑物中或校园里使用的无线计算机网络,网络内的PC及终端可以共享网内的资源与外部设备。
图1-2无线局域网中的发射机部分
其优势在于不需要敷设电缆或光缆就可以访问现有的计算机网络,尤其适用于不能或难以使用传统走线方式的地方(如古迹、超净室等建筑物)或工作人员流动大的场合,如证券交易所、医院等[2、3]。
1.2体系结构
无线发射机结构如图1-2所示。
分组组装/拆装器(PAD)单元首先将待发送数
据以标准格式打包,由于在许多无线信道中有较大的误比特率(BER),故组分得很小,通常只有几百比特。
为了便于处理传输问题逻辑链路控制(LLC),引入了差错检测码和序列号,媒体访问控制(MAC)子层则负责无线信道的多路访问。
不象以太网中采用CSMA/CD那样,无线局域网采用的是一种时分多址的方法。
无线局域网在美国使用的是ISM频段(902~928MHz,2.400~2.4835GHz和5.725~5.850GHz),而目前IEEE802.11标准(1Mb/s和2Mb/s的数据率)则采用2.4GHz的ISM频段。
日本划定以2.471~2.497GHz为无线LAN频段。
1.3无线局域网的调制方式
目前Intranet无线局域网采用的传输媒体主要有无线电波与红外线2种。
采用无线电波为传输媒体的Intranet无线局域网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,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。
这样虽然牺牲了频带带宽,但却提高了通信系统的抗干扰能力和安全性。
采用扩展频谱方式的Intranet无线局域网一般选择ISM频段,许多工业、科研和医疗设备辐射的能量集中于该频段。
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。
窄带调制方式占用频带少,频带利用率高。
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。
目前广泛使用的家电遥控器基本都是采用的红外传输技术,作为Intranet无线局域网的传输方式,红外线传输的最大优点是不受无线电干扰,且红外线的使用不受国家无线电管理委员会限制,但是红外线对非透明物体的穿透性差,这导致传输距离受到限制。
2.扩频通信技术
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.
2.1扩频技术的理论基础
2..1.1仙农公式
信息论中关于信息容量的仙农(Shannon)公式为[4]:
C=WLog2(1十P/N)(2-1)
式中:
C—信道容量(用传输速率度量),W—信号频带宽度,P—信号功率,N—白噪声功率。
式(2-1)说明,在给定的传输速率C不变的条件下,频带宽度W和信噪比P/N是可以互换的。
即可通过增加频带宽度的方法,在较低的信噪比P/N(S/N)情况下,传输信息。
扩展频谱换取信噪比要求的降低,正是扩频通信的重要特点,由此为扩频通信的应用奠定了基础。
2.1.2 柯捷尔尼可夫公式
柯捷尔尼可夫关于信息传输差错概率的公式[5]
Powj≈f(E/N)(2-2)
式中:
Powj—差错概率,E—信号能量,N0—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=WN0(W为信号频带宽度),信息带宽ΔF=l/T,则式(2-2)可化为:
Powj≈f(TW·
P/N)=f(P/N·
W/ΔF)(2-3)
式(2-3)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(2-3)与式(2-1)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。
这就是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。
2.2扩频技术的工作原理
扩频通信的一般工作原理如图2-1所示[6]。
在发端输入的信息先经信息调制形成数字信号,然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。
展宽后的信号再调制到射频发送出去。
在接收端收到的宽带射频信号,变频至中频,然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。
再经信息解调、恢复成原始信息输出。
由此可见,—般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。
一次调制为信息调制,二次调制为扩频调制,三次调制为射频调制,以及相应的信息解调、解扩和射频解调。
与一般通信系统比较,扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。
图2-1扩频通信的工作原理
2.3扩频技术的主要工作方式
目前,扩频通信技术的扩频方式主要有:
直接序列扩频(DS)、跳频(FH)、跳时(TH)、线性调频(CHIRP),此外,还有这些扩频方式的各种组合方式,如FH/DS、TH/DS、FH/TH等。
各种扩频方式都有自己的特点和共性,在无线通信中不同程
度
图2-2直接序列扩频原理图
的在采用,但最主要的是直接序列扩频和跳频扩频技术[7、8]。
2.3.1直接序列(DS)扩频方式
直接扩频技术使用伪随机码(PNcode)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(即切谱CHIP宽度)很小。
直扩系统的接收一般采用相关接收,分两步,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,把信号恢复成窄带信号,然后在解调,恢复原始的信号序列。
参考上图2-2。
直序扩频技术的优点在于:
(1)抗干扰能力强。
扩频解调器实际上是一个相关器,扩频信号通过相关器后能有效的恢复,干扰信号(包括瞄准性干扰和宽带干扰)由于与本地PN码不相关而被相关器抑制掉。
(2)抗多径干扰能力强。
由于扩频系统中采用的PN码具有很好的自相关性,互相关性很弱,通过使用RAKE接收机技术,不同路径传输来的信号能容易地被分离开,并可在时问和相位上重新对齐,形成儿路信号功率的叠加,从而改善了接受系统的性能,增加了系统的可靠性。
(3)安全性、隐蔽性好。
发信端PN码对用户信息进行扩频,从天线发射后信号能量被很快地衰减到噪声电平下面。
常规接收机接收不到这种信号,只有PN码相同的扩频接收机才能在相关检测后接收到发出的信号。
而且PN码可以根据需要随时变换。
正因为有此特点,使用扩频通信机不必申请专用频率。
(4)可以同频工作。
由于采用相关解调,只要每部通信机的扩频码(PN)不同,儿部通信机就可以使用同一载频而不会有相互干扰,只是多增加一点背景噪声而已。
(5)便于实现多址通信。
由于不同的扩频码是正交或接近正交的,彼此相互影响很小,所以可以把不同的扩频码作为用户的地址码,则很容易实现码分多址(CDMA)通信。
2.3.2跳频(FH)技术
图2-3调频系统原理图
它是扩频技术中另一工作方式,和直接序列扩频技术完全不同(见图2-3)[9]。
跳频的载波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码的随机规律不断的改变频率。
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的扩频,而不是对被传信息进行扩谱,不会得到直接序列扩频的处理增益。
跳频相当于瞬时窄带通信系统,基本上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,当定频干扰占一部分时不会对语音通信造成很大的影响.跳频的核心技术是跳速的高低,越高则抗干扰性能越好,但代价高。
2.3.3混合扩频方式
目前,混合扩频主要有:
直扩/跳频(DS/FH)扩展频谱系统,直扩/跳时(DS/TH),直扩/跳频/跳时(DS/FH/TH),跳频/跳时(FH/TH)等等,这些混合起来的扩频技术,在一般情况下,系统相对比较复杂实现起来比较困难,但它的优点是可想而知的,因为它将各种扩频技术的优点汇聚在一起,克服了他们的缺点。
3.两种常用扩频技术的特点分析
3.1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。
3.2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。
3.3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。
3.4与窄带系统的电磁兼容性
直接扩频系统是二个宽带系统,虽然与窄带系统电磁兼容,但不能与其建立通信。
另外,对模拟信源(如话音)需作预先处理(如语音编码)后,才可按入直扩系统。
而跳频系统为瞬时窄带系统,能与现有的窄带系统兼容,即当跳频系统处于某一固定载频时,可与现有的定频窄带系统建立通信。
例外,跳频系统对模拟信源和数字信源都适用。
3.5远近效应
在直扩系统的接收机存在明显的远近效应。
远近效应是指大功率的信号(近处的电台)抑制小功率信号(远端的电台)的现象。
对此,需要在系统中采用自动功率控制以保证远端和近端电台到达接收机的有用信号是同等功率的。
当然这也增加了系统在移动通信环境中应用的复杂。
但对于跳频通信系统而言,因为当大功率信号只在某个频率上产生远近效应,当载波频率跳变至另一个频率时则不再受其影响,所以跳频系统没有明显的远近效应,这点使跳频系统在移动通信中容易得到应用和发展。
3.6信号的隐蔽性
对于直接扩频技术,由于扩频信号在相对较宽的频带上被扩展了,单位频带内的功率很小,信号湮没在噪声里,一般不容易被发现,而想进一步检测信号的参数(如伪随机编码序列)就更加困难,因此说其隐蔽性好。
而跳频系统接收机除跳频器外与普通超外差式接收机没什么区别,它要求接收机出入端的信号噪声功率比是正值,而且要求信号功率远大于噪声功率。
所以在频谱仪上是能明显的看到跳频信号的频谱。
特别是在慢速跳频时,跳频信号容易被对方侦察、识别与截获。
再者,由于直扩频谱信号具有很低的功率谱密度,它对目前使用的各种窄带通信系统的干扰很小。
另外,对于直扩系统来说,处理增益受限于码片(chip)速率和信源的比特率即码片速率的提高和信源比特率的下降都存在困难。
处理增益受限,意味着抗干扰能力受限,多址能力受限。
对于跳频系统来说,产生宽的跳频带宽、快的跳频速率、伪随机性好的图案的跳频器在制作上遇到很多困难,且有些指标是相互制约的。
因此使得跳频系统的各项优点也受到限制。
直扩系统和跳频系统都可以构成各自的码分多址系统来共享频谱资源,适合数字话音和数字传输,以及展开多种通信业务安装简便,易于维护等。
由于每一种扩频技术在实际应用中都有自己的优点和缺点,为了取长补短,在无线扩频通信系统中经常采用混合扩频方式,混合扩频方式兼具各种扩频技术的优点,克服了它们的局限性,但一般来说线路复杂,实现困难。
4扩频技术在无线局域网中的应用
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。
4.1直接序列扩频
图4-1直扩系统组成框图
如4-1所述,直接序列扩频(DirectSe-quenceSpreadSpectrum)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。
它是一种数字调制方法,其原理如图4-2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[10]。
4.2跳频扩频
图4-2直接序列扩频原理图
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4-3为跳频系统的组成。
发射端信息码序列与扩频码序列组合以后按照不同的码
图4-3跳频扩频系统(FH)原理图
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4-4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。
4.3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
图4-4时-频域上的调频序列
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[11]。
4.4脉冲线性扩频(简称切普扩频)
脉冲线性扩频(简称切普扩频)是指发射的射频脉冲信号,在一个周期内,其载频的频率在较宽的频带内作线性变化,使得信号的带宽被展宽了的一种扩频调制技术。
它利用一系列短促的、可同步的扫描频率chips(线性调频波)作为载体,每个线性调频波一般持续100μs,它代表了最基本的通信符号时间(UST)。
这些chips覆盖了100~400kHz的频带,并总是以200~400kHz的频率开始,继而以100~200kHz的频率结束。
5Internet无线局域网扩频技术的特点
扩展频谱技术具有抗干扰性强、信息保密性好、易于实现码分多址和抗多径干扰四个特点,下面主要论述它的抗干扰性。
扩频通信系统扩展的频谱越宽,处理增益越高,抗干扰能力就越强。
另外,由于接收端采用扩频码序列进行相关检测,空中即使有同类信号进行干扰,如果不能检测出有用信号的码序列,干扰也起不了太大作用,因此抗干扰性能强是扩频通信的最突出的优点。
5.1抗干扰性强
5.1.1扩频本身的抗干扰能力
扩频本身具有一定的抗干扰能力,用“扩频处理增益Gp”来表示,即Gp=W/F;
其中,W是扩频信号带宽,F是信息带宽。
它表示了扩频系统信噪比改善的程度,Gp越大,则抗干扰能力越强,其代价是带宽的增加。
受器件水平、捕获同步和宽带均衡等实际条件的限制,其带宽不能无限制地增加。
提高增益的方法有以下几种[12]:
(1)混合扩频系统。
在直接序列扩频的基础上增加了载波频率跳变的功能组成直扩/跳频(DS/FH)混合扩频技术,综合了DS和FH两种扩频方式的优点,能更有效地对抗干扰。
由于DS/FH系统的处理增益是两种处理增益(dB)之和,可以采用相对简单的技术实现高的处理增益。
通过理论分析和仿真研究表明,在干扰和噪声低于直扩信号的噪声容限时,混合系统的误码性能优于纯跳频系统;
在干扰和噪声高于直扩的噪声容限时,纯跳频系统的误码性能优于混合系统。
(2)高效扩频技术。
即利用编码扩频理论和正交多载波理论,实现高效扩频。
高效编码扩频是一种(N,k)编码的直序扩频,把k位信息码由长为N的伪随机码来代替。
k位信息码有2k个状态,则需2k条长为N的伪随机码来代表k位信息码的2k个状态,其扩频带宽为传输数据速率的N/k倍。
(3)混沌扩频技术。
混沌序列的类随机性十分适合于通信中的伪噪声调制,利用混沌序列对初始值的敏感性,可以获得数量众多、非相关、类随机而确定可再生的信号。
混沌扩频序列的相关特性与随机序列非常相似,相同初始值演化出的混沌信号自相关函数近似,不同初始值演化出的混沌信号互相关函数近似为零。
利用混沌序列产生的跳频码具有分布均匀、跳频间隔宽、复杂度高等优点,提出采用一种对m序列扰动后的加扰混沌序列进行密码变换得到的伪随机序列———密码准混沌序列,是跳频通信的优选跳频码产生序列。
5.1.2扩频通信中的干扰抵消技术
(1)时域自适应滤波。
时域预测/估计滤波,其基本原理是窄带干扰的时间相关性很强,可以精确预测,而宽带扩频信号的时间相关性很弱,难以预测,因而可以预测窄带干扰,然后在接收信号中将预测到的干扰减去,得到无窄带干扰的信号。
其基本框图如图6所示。
滤波器权值由LMS、RLS等自适应算法进行更新。
1990年Vijayan和Poor将近似条件均值ACM(ApproximateConditionalMean)滤波的非线性函数用于自适应LMS横向滤波器,得到自适应非线性LMS滤波结构[13],RuschLA和WuWR等对抽头更新算法作了非线性修正[14~16],进化算法和神经网络算法也被引入了滤波器中[17],用于改善非线性滤波器系统的稳定性。
HMM-KF算法[18]是一种改进的方案。
(2)变换域自适应干扰抑制。
采用离散傅立叶变换(DFT),离散余弦变换(DCT),重叠变换(LT),子带变换(ST),小波包变换(WPT),快速傅立叶变换,正交镜像滤波器(quandrturemirrorfilter,QMF),自适应时频去噪器(ATF)等变换域干扰抑制技术,在时域复杂的滤波过程就可以在变换域通过简单的相乘来完成,而且变换域处理的速度更快[19]。
5.2信息保密性好
由于扩频信号在很宽的频带上被扩展了,单位频带内的功率就很小,即信号的功率谱密度很低,所以应用扩频码序列扩展频谱的直接序列扩频系统,可在信道噪声和热噪声的背景下,在很低的信号功率谱密度上进行通信。
信号被湮没在噪声里,很不容易被发现,想进一步检测出信号的参数就更加困难了。
5.3易于实现码分多址
由于扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制,可充分利用各种不同码型扩频序列之间优良的自相关特性和互相关特性,在接收端利用相关检测技术进行解扩,则在分配给不同用户不同码型的情况下,系统可以区分不同用户的信号,这样在同一频带上许多用户可以同时通话而互不干扰[20]。
5.4抗多径干扰
在无线电通信的各个频段,短波、超短波、微波和光波中存在大量的多径干扰。
一般方法是采
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