基本介紹
- 中文名：擴展頻譜
- 外文名：Spread Spectrum
- 簡稱：DSSS
- 實質：無線通訊技術
DSSS概述,工作原理,特點,套用缺陷,頻道數減少,頻寬增大,信息量增大,相關比較,固定頻率,跳頻擴頻,直接序列擴頻,正交頻分復用,實現方法,擴頻調製,載波調製,擴展頻譜通信,
DSSS概述
直接序列展頻技術(Direct Sequence Spread Spectrum； DSSS)是利用10個以上的chips來代表原來的「1」或「0」位，使得原來較高功率、較窄的頻率變成具有較寬頻的低功率頻率。而每個bit使用多少個chips稱做Spreading chips，一個較高的Spreading chips可以增加抗噪聲干擾，而一個較低Spreading Ration可以增加用戶的使用人數。 基本上，在DSSS的Spreading Ration是相當少的，例如在幾乎所有2.4GHz的無線區域網路產品所使用的Spreading Ration皆少於20。而在IEEE802.11的標準內，其Spreading Ration大約在100左右。
Direct Sequence Spread Spectrum直接序列擴頻，用高速率的偽噪聲碼序列與信息碼序列模二加（波形相乘）後的複合碼序列去控制載波的相位而獲得直接序列擴頻信號，即將原來較高功率、較窄的頻率變成具有較寬頻的低功率頻率，以在無線通信領域獲得令人滿意的抗噪聲。
DSSS通信時的幀格式為：SFD欄位的比特模式為11110011 1010 0000，Signal欄位表示數據速率,步長為100Kb/s,比FHSS精確5倍，例如Signal欄位=00001010時，10*100Kb/s=1Mb/s，signal 欄位=00010100時，20*100Kb/s=2Mb/s.service欄位還未使用。length 欄位指MPDU的長度，單位為us。
DSSS序列
DSSS序列直接序列擴頻通過利用高速率的擴頻序列在發射端擴展信號的頻譜，而在接收端用相同的擴頻碼序列進行解擴，把展開的擴頻信號還原成原來的信號。直接序列擴頻技術在軍事通信和機密工業中得到了廣泛的套用，甚至普及到一些民用的高端產品，例如信號基站、無線電視、蜂窩手機、監控寶護神、嬰兒監視器等，是一種可靠安全的工業套用方案。
工作原理
直接序列擴頻（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）技術是一種常用的擴頻通信物理層技術。通信時，傳送端利用高速率的擴頻序列與傳送信號序列進行模2加後生成的複合序列去調製載波，從而擴展信號頻譜。接收端在收到發射信號後，首先進行同步，然後利用與傳送端相同的擴頻序列對信號進行解擴，從而恢復出數據。圖1是DSSS通信系統的系統框圖。
圖1 DSSS通信系統的系統框圖在發射機端，待傳輸的數據信號與偽隨機碼（擴頻碼）波形相乘（或與偽隨機碼序列模2加），形成的複合碼對載波進行調製，然後由天線發射出去。在收信機端，要產生一個和發信機中的偽隨機碼同步的本地參考偽隨機碼，對接收信號進行相關處理，這一相關處理過程通常稱為解擴。解擴後的信號送到解調器解調，恢復出傳送的信息。
由於窄帶噪聲和多徑干擾與本地參考擴頻信號不相關，在進行相關處理時被削弱，實際上干擾信號和本地參考擴頻信號相關處理後，其頻帶被擴展，也就是干擾信號的能量被擴展到整個傳輸頻帶之內，降低了干擾信號的電平（單位頻率內的能量或功率），如圖2（a）所示。由於有用信號和本地參考擴頻信號有良好的相關性，在通過相關處理後被壓縮到頻寬為Bb=2Rb的頻帶內，因為相關器後的中頻濾波器通頻帶很窄，通常為Bb=2Rb，所以中頻濾波器只輸出被基帶信號調製的中頻信號和落在濾波器通頻帶內的那部分干擾信號和噪聲，而絕大部分的干擾信號和噪聲的能量（功率）被中頻濾波器濾除，這樣就大大改善了系統的輸出信噪比，如圖2（c）所示。以解擴前後信號功率譜密度示意圖來說明這一問題。
圖2 直接序列擴頻通信系統示意特點
無線區域網路在性能和能力上的差異，主要是取決於所採用的是FHSS還是DSSS來實現、以及所採用的調變方式。若以現有的產品參數詳加比較，可以看出DSSS技術在需要最佳可靠性的套用中具有較佳的優勢，而 FHSS技術在需要低成本的套用中較占優勢。我們在選擇無線產品時，需要注意的是廠商在DSSS和FHSS展頻技術的選擇，必須要審慎端視產品在市場的定位而定，因為它可以解決無線區域網路的傳輸能力及特性，包括：抗干擾能力、使用距離範圍、頻寬大小、及傳輸資料的大小。
一般而言，DSSS由於採用全頻帶傳送資料，速度較快，未來可開發出更高傳輸頻率的潛力也較大。DSSS技術適用於固定環境中、或對傳輸品質要求較高的套用，因此，無線廠房、無線醫院、網路社區、分校連網等套用，大都採用DSSS無線技術產品。FHSS則大都使用於需快速移動的端點，如行動電話在無線傳輸技術部分即是採用FHSS技術；且因FHSS傳輸範圍較小，所以往往在相同的傳輸環境下，所需要的FHSS技術設備要比DSSS技術設備多，在整體價格上，可能也會比較高。以企業需求來說，高速移動端點套用較少，而大多較注重傳輸速率、及傳輸的穩定性，所以未來無線網路產品發展應會以 DSSS技術為主流。
用戶選購無線區域網路時需要特別注意下列的特性，以決定自己合適的產品，包括：涵蓋範圍、傳輸率、受Multipath影響程度、提供資料整合程度、和有線的基礎設施之間的互操性、和其它無線的基礎設施之間的互操性、抗干擾程度、保密能力、電流消耗情況等等。
套用缺陷
直接序列擴頻在實際套用中往往會遇到以下幾個問題：
頻道數減少
當採用跳頻/擴頻體制時，為獲得足夠大的處理增益，系統占用頻寬太大，這就減少了可供跳頻的信道數。
頻寬增大
系統頻寬太大，進入接收機前端的干擾信號增多。
信息量增大
要得到有效的抗多徑和利用多徑的能力，擴頻碼片必須足夠窄，信息比特必須足夠寬，而後者又限制了信息傳輸速率的提高。
為了解決系統占用頻帶過寬、外部干擾增多和傳輸速率受限的矛盾，當前各國大多採用多進制擴頻技術，相對有效的解決這些問題。
相關比較
與其他無線傳播方式的比較
不同的無線傳播方式有不同的特性。這些特性決定了在不同距離上傳輸不同數據量的能力。以下提及的傳輸方式已被運用到各種無線技術中。其具體與DSSS的區別如下
無線傳播方式頻率比較固定頻率
在一個特定的頻段範圍（通常非常窄）內傳播信號的方式。通過此方式傳輸的信號通常要求高功率的信號發射器並且獲得使用許可。如果遇到較強的干擾，信道內或者附近的固定頻率發射器將受到影響。對於許可證的要求就是為了減少相鄰的系統在使用相同的信道時產生的干擾。
跳頻擴頻
使用被發射器和接收器都知曉的偽隨機序列，在很多頻率信道內快速跳變以發射無線電信號。FHSS有較強的抗干擾能力，一旦信號在某信道中受阻，它將迅速再下一跳中重新傳送信號。
直接序列擴頻
在設備的特定的發射頻率內以廣播形式發射信號。用戶數據在空間傳送之前，先附加“擴頻碼”，實現擴頻傳輸。接收器在解調製的過程中將干擾剔除。在去除擴頻碼、提取有效信號時，噪聲信號同時剔除。
正交頻分復用
同時在多個子載波頻率上以廣播形式發射信號。每個子載波的頻寬都很窄，可以承載高速數據信號。OFDM適用於嚴酷的信道條件。由於OFDM具有較高的複雜度，有很多方式來抗干擾。對窄帶干擾的抗干擾能力也不錯，因為大量的正交的子載波和與DSSS相似的信道編碼機制。
實現方法
直接序列擴頻信號的調製分為擴頻調製和載波調製兩部分。
擴頻調製
擴頻調製為信息碼和擴展碼模2相加，這裡為了簡單，採用m序列作為擴展碼調製信息碼，信息碼用全0代替進行擴頻調製。當信息碼為全0時，擴頻調製信號即原來的m碼序列。擴展碼的設計碼速率為4MHz，擴頻調製產生的擴頻調製信號即m碼序列存為ds.wfm。要注意的是，實際擴頻調製時，由於信息碼和擴展碼速率不同，需要對信息碼波形進行水平擴展，擴展的倍數約等於擴展碼速率與信息碼速率的比值。例如，寶護神嬰兒監視器實際調製碼分多址信號時，信息碼速率為20KHz，擴展碼速率為4MHz，則ds.wfm=expand（“infor.wfm”，constant）“GOLD .wfm”，constant約為200。
載波調製
載波調製為擴頻調製信號與載波相乘，即dsspread.wfm×carrier.wfm，產生的載波調製信號存為ds-out.wfm。要注意的是擴頻調製信號對載波進行反相鍵控時，要求擴頻調製信號必須為1、-1兩種狀態，另外，由於擴頻調製信號的碼速率和載波頻率不同，載波調製時需要對擴頻調製信號進行水平擴展（expand），擴展的倍數約等於載波頻率與擴頻調製信號速率的比值。例如載波信號的頻率為70MHz，擴頻調製信號的速率為4MHz，則ds-spread.wfm=expand（“ds.wfm”，13），水平擴展倍數為13。
擴展頻譜通信
擴展頻譜通信，可簡單表述如下：“擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻頻寬度遠大於所傳信息必需的最小頻寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列用編碼及調製的方法來實現的，該碼序列與所傳信息數據無關；在接收端則用同樣的碼進行相關同步接收、解擴並恢復所傳送的信息數據”。
