正確認識擴頻通信系統

名稱:正確認識擴頻通信系統
隨著計算機網路的迅速發展，擴頻通信由於其便於為計算機網路提供物理介面通道而得到日益廣泛的應用。然而有些廠家為一己私利誤導用戶，宣稱：擴頻通信系統在國外是免許可的，台站不用審批，言外之意在國內也不用辦理設台審批手續；即使無線電管理部門進行監測，也難以發現，因為其信號可以在雜訊下傳輸；同時擴頻通信不用審批的原因是系統不怕干擾，所以也就不用無線電管理部門管理。上述的種種說法給我國實施對擴頻台站的審批管理加大了難度，使擴頻通信系統的干擾矛盾日趨增多，造成空中電波秩序的混亂。本文從擴頻通信系統的基本原理出發，針對上述說法提出反對意見，提醒無線電管理部門和廣大用戶要正確認識擴頻通信系統，避免造成不必要的經濟損失和浪費，維護好我國的空中電波秩序。
擴頻台站的審批管理
擴頻生產廠家大都在產品的廣告中宣稱擴頻系統在國外是免許可的，不需要管理，因此誤導用戶在我國私自設立擴頻通信系統電台，造成系統間的相互干擾，給無線電管理工作帶來難度。
眾所周知，擴頻通信系統是將要傳送的信息在比信息帶寬寬十倍甚至數百倍的頻帶上傳送，在接收端通過相關接收進行解擴，將傳輸的信號進行恢復的通信系統。該項技術最早主要應用于軍事通信，防止敵方干擾和竊密，後來開始用於民用。由於其具有一定的抗干擾性能力，故擴頻通信系統的使用頻率選在了自由開放的2.4GHz和5.8GHz頻段。該頻段為工業、科學以及醫療設備的污染頻段。同時在國外對使用該頻段的擴頻通信設備也有嚴格的規定，如對其等效全向輻射功率、發射機功率和擴頻參數等技術指標都有明確的限制；而且規定不能對正常通信造成干擾，而受到干擾后也自己解決，無線電管理部門不予排除。從國外早期的使用情況看，該設備主要採用微功率的方式在辦公樓內進行計算機聯網。由於其發射功率較孝覆蓋範圍小，系統之間產生干擾的可能性很小，所以在國外是免許可的。
擴頻通信設備被引入我國后，由於經濟及其他方面的種種原因，其通信距離大大增加，甚至接近於常規的微波通信系統。隨著距離的增大，其等效全向輻射功率也大大超過國家無委規定的技術指標。由於擴頻通信系統可以使用的頻段較窄，通信方式採用時分雙工體制、頻分雙工體制共用，從而使系統間產生干擾的可能性加大，而且直接序列擴頻系統最致命的弱點——遠近效應引起的干擾問題難以協調，管理難度加大。而跳頻通信佔滿了整個頻段與直接序列擴頻的干擾也是日益嚴重，一開始跳頻干擾直接序列擴頻，隨著擴頻用戶的增加，跳頻也就無處可跳了，造成通信系統的癱瘓。加上用戶私自設台造成系統間發生干擾的事件時有發生，一方面給設台用戶造成了直接或間接的經濟損失，另一方面擾亂了無線電通信秩序。綜上所述由於國內外擴頻通信系統使用方法的不同，根據我國的實際情況在我國對擴頻通信系統實行審批管理是非常必要的。
擴頻通信系統的監測及其抗干擾性
按擴頻方式的不同，可以將擴頻通信系統分為：直接序列擴頻（DS）、跳頻擴頻（FH）、跳時擴頻（TH）和線性調頻（chirp Modulation）四種基本方式。其中目前比較常用的有DS和FH兩種。本節主要討論這兩種擴頻通信系統的監測及抗干擾問題。
直接序列擴頻通信系統（DS）
直接序列擴頻通信基本原理是將要發送的信息用偽隨機碼序列擴展到很寬的頻帶上發射出去，在接收端用與發射端相同的偽隨機序列碼對接收到的擴頻信號進行相關處理，恢復出原來的傳輸信息，從而達到通信的目的。其系統組成見圖1。
先討論對擴頻通信系統的監測問題：關於擴頻通信系統可以在雜訊下傳輸的理論基礎是shannon定理。shannon定理指出在高斯白雜訊干擾的條件下通信系統的極限傳輸速率為：
C=Blog2(1+S/N) bit/s（1）
這裡C為通道容量，B為信號帶寬，S為信號平均功率，N為雜訊功率。
從上式可以看出，在保持通道容量不變的前提下，通過增加帶寬來降低對傳輸系統S/N的要求，由此公式可以看出當S/N＜1時，上式仍然可以成立。因此提出信號可以在雜訊下傳輸。據此並提出了無線電管理部門不能監測到擴頻信號的說法。實際上現有的擴頻通信設備都有一個主要技術指標即對應於一定誤碼率的接收系統的靈敏度。如果接收信號電平小於此值，該通信系統將不能正常工作。而此接收系統的靈敏度電平一般在-85~ -100dBm之間。這個電平值是完全在無線電管理部門的儀器儀錶監測的範圍內。如採用21dBi增益天線，40dB增益低雜訊放大器，HP系列頻率分析儀，系統的接收靈敏度可達到-140dB左右，完全可以監測到擴頻信號。因此說無線電管理部門監測不到擴頻通信信號的說法是完全錯誤的。事實上各級無線電管理部門已經通過對擴頻信號進行監測的方法查找了不少非法設立的擴頻通信系統。
關於擴頻通信系統不怕干擾的問題：由直接序列擴頻通信系統的原理可知，當無線電干擾信號進入接收機后，在解擴單元被接收機的偽隨機碼展寬，頻率展寬的過程在頻域表達式表示為卷積。進行卷積的結果是將干擾信號的帶寬展寬為干擾信號加上PN碼的帶寬，從而導致干擾信號功率譜密度的降低，經過窄帶濾波器後進入接收機的解擴單元進行*。由於干擾信號被卷積（擴頻）后相對較寬，被窄帶濾波器濾波，因此只有一小部分干擾信號的能量進入接收機形成干擾；而有用信號由於發送端的擴頻碼和接收端的解擴碼的相關則恢復成擴頻前的窄帶信號，通過窄帶濾波器時有用信號的能量沒有損失，因此提高了系統的抗干擾性能。擴頻通信系統的抗干擾能力可以用干擾容限來衡量，見公式(2)。
M=Gp-[Lsys+S/N]（2）
這裡M為干擾容限，GP為擴頻系統的增益，Gp=B射頻/B信息，Lsys為設備的惡化量，（S/N）為解調前要求的對應於一定誤碼率的S/N。一旦C/I小於此值，系統將受到干擾。從已經查處的擴頻通信系統干擾實例來看，擴頻通信系統的抗干擾能力是有一定限度的。
對於干擾問題人們還有一個錯誤的認識：寬頻信號對於擴頻系統的干擾比窄帶信號更嚴重。這個認識在干擾功率相同的情況下是錯誤的。因為在相同的功率前提下，帶寬信號與PN碼的卷積比窄帶信號與PN碼的卷積帶寬要寬，導致相對功率譜密度較低。因此通過接收機濾波器后的干擾信號較小，因此寬頻信號干擾效果不如窄帶干擾效果明顯。事實上直接序列擴頻通信系統最怕的干擾是瞄射式干擾，即干擾頻率與擴頻通信系統採用的射頻頻率相同。
跳頻通信系統
跳頻通信系統是用偽隨機碼（PN碼）序列構成跳頻指令來控制頻率合成器，使其輸出頻率在通道內隨機變化，在接收端用與發端相同的本地偽隨機碼構成的跳頻指令去控制本地頻率合成器，使其輸出的跳頻信號能在混頻器中與接收到的跳頻信號差頻出一個固定的中頻信號來，經中放及帶通濾波器送到數字*器輸出端恢復出原信息。
跳頻通信系統中，系統的抗干擾性與系統的跳頻頻道數有關，而跳頻頻道數又與跳頻信號可用帶寬和跳頻間隔有關，跳頻間隔與所傳輸的信號速率與調製方式有關。
N=BRF/ΔF（3）
這裡N為跳頻頻道數，BRF為跳頻信號可用帶寬，ΔF為跳頻間隔，為傳輸基帶信號的「切普」帶寬。其組成見圖2。
對跳頻通信系統進行無線電監測，如果頻譜儀的掃描時間小於跳頻信號的駐留時間，則可以完整的顯示跳頻頻譜。但如果跳頻速度較快，則可採用掃描累加方式監測跳頻通信所佔的頻譜。由此可見對跳頻通信實施監測是完全可以實現的。
擴頻信號的干擾容限同直接序列擴頻通信系統一樣，其干擾容限為
MFH=Gp -(Lsys+S/N) (4)
MFH為擴頻通信系統的干擾容限，Gp為擴頻通信系統的處理增益，定義為10lgN, Lsys與S/N和直接序列擴頻定義相同。Gp跳頻通信系統的處理增益直觀上的理解為只有當窄帶信號與干擾信號頻率重合且時間相同時才會發生干擾，當頻率跳變后即可「躲避」干擾。發生干擾的概率僅為1/N。當干擾源為寬頻信號時，如覆蓋了BRF的整個帶寬，但干擾信號功率譜密度相對來說又降低了，因此帶來了擴頻處理增益。
跳頻通信系統實際上是通過頻率的跳變來躲避干擾，對其最嚴重的干擾有兩種：寬頻阻塞式干擾和轉髮式干擾。寬頻阻塞式干擾式通過發射寬頻大功率信號佔據整個跳頻頻段，使跳頻電台無處可跳，系統不能正常工作。在擴頻通信的發展初期，由於台站數量較少，干擾不會太嚴重，隨著設台數量的增加，跳頻通信遇到寬頻干擾的問題就會越來越多，這也是加強頻率台站審批管理的一個重要原因。人為對跳頻通信系統實施干擾最有效的方式是轉髮式干擾，其方式為把收到的跳頻信號經過轉發處理以最小的時延發射出去，形成轉髮式干擾。轉髮式干擾的關鍵在於轉發信號的時延，如果時延大於信號的駐留時間則無效。
擴頻台站的管理建議
無線電管理部門對於擴頻通信系統實行審批管理是適合我國國情的，但如何科學地管理使其發揮社會效益和經濟效益是應該認真研究的課題。對於擴頻通信系統的管理問題提出如下建議，供大家討論：
2.4GHz頻率管理
首先應將2.4GHz頻率劃分為直接序列擴頻使用頻段和跳頻頻段，在審批頻率時錯開頻率避免兩種通信系統之間干擾。早期避免跳頻干擾擴頻，後期避免直接序列干擾跳頻。
其次鼓勵擴頻通信系統採用點對多點的通信體制，彌補我國在點對多點通信系統方面的頻率不足。限制點對點的通信系統採用擴頻通信方式，建議用戶使用微波設備進行替代。
5.8GHz頻率管理
目前，在5.8GHz的擴頻通信系統多採用直接序列擴頻傳輸點到點2Mbit/s數字信號，其擴頻處理增益一般為10-20dB左右。在該頻段點對點的擴頻通信系統的擴頻處理增益對於系統的抗干擾性意義不大。常規的微波通信設備完全可以由增大微波天線口徑、角度去耦和極化去耦來提高其抗干擾能力。完全沒有必要在系統中增加擴頻、解擴單元，增加系統的複雜性，降低設備的可靠性。而且擴頻帶寬的增加一方面導致系統的門限電平降低，另一方面由於帶寬的增加導致干擾信號進入系統的概率增加。在該頻段仍然建議鼓勵發展點對多點的低速數字信號擴頻通信系統。