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不同的調變散頻技術初探
基礎散頻技術介紹(下)

【作者: Kuo-Chang Chan】   2002年12月05日 星期四

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不同的散頻技術是以插入系統中通訊頻道虛擬隨機碼(PRN)的位置來區分。請參考(圖一)。


《圖一 不同散頻技術依PRN區分》
《圖一 不同散頻技術依PRN區分》

如果PRN在資料層插入,那我們就擁有直接序列散頻(DSSS)。(在實際應用上,虛擬隨機數列與真正的信號混合或相乘,也就是原始的資料透過PRN加以編碼),如果PRN是在載波頻率層級加入,那麼我們所擁有的就是散頻的跳頻形式(FHSS),在L0級加入的話,FHSS PRN碼會迫使載波改變或者是依照虛擬隨機碼跳躍,如果PRN用來作為傳送信號的開啟與關閉控制,那麼我們就取得一個時間跳動散頻技術(THSS),其他還有所謂的chrip技術,會依線性的方式在不同時間掃過載波的頻率。基本上我們也可以混合以上所提的技術來形成一個混合式的散頻技術,例如DSSS + FHSS, DSSS與FHSSS為目前最常用的兩種散頻技術。


直接序列散頻(DSSS)

在這項技術中,PRN直接加到進入載波調變電路的資料上,因此調變電路會看到更大的位元率,與PRN數列的數率相同,將RF載波以這樣的編碼序列調變所得到的結果會產生一個直接序列調變散頻的頻譜((sin x)/x)2,並以載波頻率為中心。


這個頻譜的主要波瓣(main lobe)頻寬會是調變碼脈衝頻率的兩倍,而邊波瓣(sidelobes)會擁有相等於編碼時脈頻率的頻寬,底下為最常見的直接序列調變散頻信號,直接序列調變在頻譜形狀上會因真正使用的載波與資料調變方式而有所不同,以下為二進制相位偏移編碼(BPSK, Binary phase shift keyed)信號,是目前直接序列系統中最常用的調變形式。(圖二)、(圖三)



《圖二 DSSS編碼示意圖》
《圖二 DSSS編碼示意圖》
《圖三 直接序列(DS)散頻信號的頻譜分析儀照片》
《圖三 直接序列(DS)散頻信號的頻譜分析儀照片》

所加入PRN的速度(或稱為chip rate)可以在1bps或數百個Mbps之間變動。


IEEE 802.11標準在不需證照的2.4GHz ISM頻道上,定義了一個DSSS RF信號的實體層(PHY),使用了一個11-bit Baker數列來將信號在發信前加以散頻,這個序列碼擁有10.4dB的處理增益,符合FCC 15.247與ETS300-328的最低要求,接著這個11Mbps的基頻帶信號流與2.4GHz ISM頻帶的載波頻率調變,並在5MHz的可用頻道上擁有11個通訊頻道,使用:


差動式二進制相位偏移編碼(DBPSK)以1Mbps為資料率,或者是2Mbps資料率的差動式相位偏移編碼(DQPSK)。


由於信號頻率為11Mbps,因此主波瓣頻寬為22MHz,ISM 2.4GHz DSSS中使用了11個通信頻道,但是它們的5MHz間隔會造成大量的重疊,所有的IEEE 802.11 DSSS標準產品都採用相同的PN碼,由於並沒有像Barker PRN這樣的碼可以使用,因此DSSS網路並無法使用CDMA,當在近距離有多個接入點(AP, Access Points)時,我們建議頻率的分隔最少必須為25MHz,因此2.4GHz ISM頻道只採用了三個無重疊的通訊頻道,也就是在相同的區域內只允許三個網路運行。(圖三)



《圖四 FHSS編號示意圖》
《圖四 FHSS編號示意圖》

跳頻散頻法(FHSS)

這個方法就像它的名稱一樣,它會讓載波在寬頻範圍內某個頻率跳到某個頻率,依PRN定義的數列而定,而跳躍的速度則依原始信號的資料率而定,可以分為快速頻率跳躍(FFHSS, Fast Frequency Hopping)與低速頻率跳躍(LFHSS, Low Frequency Hopping),其中最常用的低頻跳躍可以讓數個連續的資料位元流以相同的頻率調變,而FFHSS則在每個資料位元中會進行數次的跳躍。


由採用頻率跳躍信號所發送的頻譜與直接序列系統差異相當大,不同於((sin x)/x)2形式的波封,頻率跳躍的輸出在整個所使用的頻帶中會以平緩的形式出現,頻率跳躍信號的頻寬基本上為頻率槽(frequency slot)數目的N倍,其中N為每一個跳躍頻道的頻寬。(圖四)、(圖五)



《圖四 FHSS編號示意圖》
《圖四 FHSS編號示意圖》
《圖五》
《圖五》

在不需授權2.4GHz ISM頻道所定義的IEEE 802.11標準中,實體層的描述如下:資料首先透過2-GFSK與4-GFSK在分別為1Mbps或2Mbps的資料率調變,兩種調變方式都會產生1Mbps的信號率,而載波頻率(2.4GHz ISM頻帶,79個間隔為1MHz的可用頻道)會依PRN數列從一個頻道跳到另一個頻道,造成形成三組各26個模式的78種不同跳躍模式,FCC與ETS的規定要求最低每秒2.5個跳躍率,大約為低於400ms的通道間隔時間(channel dwell time)。


如果我們謹慎地選擇跳躍模式,那麼就可以在使用同一通訊頻道將數個連接點以較接近的方式安排而不會造成干擾,在干擾情況嚴重到無法通訊前,基本上可以達到13個FHSS網路,這個預估值是以同一時間兩個網路選擇相同通道(79個中的一個)所可能發生的碰撞機率來推算。(圖五)


《圖五》
《圖五》

而DSSS的聚頻方式理論上也相當簡單,我們只要將收到的散頻信號與事先儲存在接收端的PRN數列相乘即可,這個相乘的動作同時也稱為解調變。假設:


〈公式:


PRNt為傳送端用來將信號散頻的PRN的數列


PRNr為接收端用來聚頻信號PRN數列


J代表干擾,也就是在傳送路徑上所加入的雜訊或窄頻射頻信號


Dt為傳送端輸入的資料流


Dr為接收端輸出的資料流


Tx為傳送端的散頻信號


Rx為接收端的散頻信號


因此, Tx = Dt*PRNt (散頻運作)


Rx = Tx + J = Dt*PRNt + J〉


將所接收到信號以接收端的虛擬隨機數列相乘,我們可以得到Rx*PRNr,再將變數代換


〈Rx*PRNr = (Dt*PRNt + J)*PRNr = Dt*PRNt*PRNr + J*PRNr


Rx*PRNr = (Dt*PRNt + J)*PRNr = Dt*PRNt*PRNr + J*PRNr〉


我們擁有兩種狀況,首先如果接收端與傳送端擁有相同的數列碼(PRNt = PRNr),那麼上面的方程式就會成為:〈公式:Rx*PRNr = Dt*PRNr*PRNr + J*PRNr.〉


所得到的積PRNr*PRNr(自相關函數)在兩個序列碼對準,也就是同步時會最大,而J*PRNr則為加到J上的散頻表示式,它的能量會快速地降低,Rx*PRNx因此可以透過忽略J*PRNr簡化並將相乘的因數設定為1:〈公式:Rx*PRNr = Dt = Dr.〉


因此,會在接收端收到所傳送的資料同時能夠消除干擾。


第二種狀況為:接收端與傳送端擁有不同的序列碼,也就是PRNt與PRNr不同,而PRNt*PRNr則為一對不同數列的交互相關函數,如果仔細地選擇(長PRN、正交碼等等),那麼所得到的乘積結果將會非常地小,也就是Rx*PRNr大約趨近於0,也並不會在接收器的輸出端出現任何較大的信號,要達成實際可用的去相關功能事實上非常複雜,在此我們只提供作法的名稱,分別為主動式相關器(active correlator)與對稱式濾波器(matched filter)。


結論

一個完整的散頻通訊連結需要各種先進與最新的技術與規格,包括RF天線、功率強大且高效率的PA、低雜訊、高度線性化的LNA、精簡的收發器、高解析度ADC與DAC,以及快速運作的低功率數位信號處理器(DSP)等,雖然在商場上設計者與製造商位於互相競爭的情況,但同時它們也努力合作以實現散頻系統。


其中最困難的部份為接收器的路徑,特別是在DSSS的聚頻上,由於接收端必須要能夠辨視訊息並且即時與它同步,這個辨視的動作同時也稱為相關(correlation),由於這個動作以數位形式發生,因此可以看作是複雜的數學運算,其中包含快速、高度並行的二進位加法與乘法,而目前接收端設計最困難的為同步的部份,與其他散頻通訊比較起來,業界已經投入了更多的時間、努力、研究以及經費來開發並改進同步的技術。


基本上有幾個方法可以來解決同步的問題,其中大多數都需要加上多個離散元件才能完成,因此最有可能的最大突破來自DSP以及特定應用積體電路(ASICs),DSP提供了高速的數學運算功能,可以用來在將信號切割成小部份後加以分析、同步與解相關,而ASIC晶片則可以透過VLSI技術來降低成本,並建立適合各種形式應用的通用架構電路方塊。


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