扩频技术简介

无线局域网的通讯方式采用的是扩频通信技术。扩频技术是近年来发展非常迅速的一种通信技术，它不仅在军事通信中发挥出了不可取代的优势，而且广泛地渗透到了通信的各个方面，如卫星通信、移动通信、微波通信、无线定位系统、无线局域网、全球个人通信等。
　　所谓扩频通信，可简单表述如下：它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；频带的展宽是通过编码及调制的方法实现的，并与所传信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码进行相关性解调来解扩及恢复所传信息数据。扩频技术包括以下几种方式：直接序列扩展频谱，简称直扩（DS），跳频（FH），跳时（TH），线性调频（Chirp）以及现在流行的正交频分复用（OFDM）。此外，还有这些扩频方式的组合方式，如FH/DS、TH/DS、FH/TH等。在通信中应用较多的主要是DS、FH和FH/DS。扩频通信技术具有以下特点：
　　1.很强的抗干扰能力
　　由于将信号扩展到很宽的频带上，在接收端对扩频信号进行相关性处理并解调，恢复成原始窄带信号。对干扰信号而言，由于与扩频伪随机码不相关，则被扩展到一很宽的频带上，使进入信号通频带内的干扰功率大大降低，相应的增加了相关器的输出信号/干扰比，因此具有很强的抗干扰能力。其抗干扰能力与其频带的扩展倍数成正比，频谱扩展得越宽，抗干扰的能力越强。
　　2.可进行多址通信
　　扩频通信本身就是一种多址通信方式，称为扩频多址（SSMA－Spread Spectrum Multipe Access），实际上是码分多址（CDMA）的一种，用不同的扩频码组成不同的网。虽然扩频系统占用了很宽的频带，但由于各网可在同一时刻共用同一频段，其频谱利用率甚至比单路单载波系统还要高。CDMA是未来全球个人通信的一种主要的多址通信方式。
　　3.安全保密
　　由于扩频系统将传送的信息扩展到很宽的频带上去，其功率密度随频谱的展宽而降低，甚至可以将信号淹没在噪声中。因此，其保密性很强，要截获或窃听、侦察这样的信号是非常困难的，除非采用与发送端所用的扩频码且与之同步后进行相关检测，否则对扩频信号是无能为力的。由于扩频信号功率谱密度很低，在许多国家，如美、日、欧洲等国家对专用频段、如ISM频段，只要功率谱密度满足一定的要求，就可以不经批准使用该频段。
　　4.抗多径干扰
　　在移动通信、室内通信等通信环境下，多径干扰是非常严重的，系统必须具有很强的抗干扰能力，才能保证通信的畅通。扩频技术具有很强的抗多径能力，它是利用扩频所用的扩频码的相关特性来达到抗多径干扰，甚至可利用多径能量来提高系统的性能。
　　正是由于扩频通信技术具有上述优点，无线局域网选择了扩频通信技术作为自己的介质访问技术。无线局域网络使用的扩频调制技术有：跳频扩频（Frequency Hopping Spread Sprectrum, 简称FHSS）、直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，简称DSSS）、高速直接序列扩频（High Rate/Direct Sequence Spread Spectrum，简称HR/DSSS）和正交频分复用（Orthogonal Freqency Division Multiplexing，简称OFDM）。

跳频扩频技术FHSS

顾名思义，所谓跳频扩频（FHSS）就是载波可以在一个很宽的频带上按照伪随机码的定义从一个频率跳变到另一个频率。跳变速率由原始信息的数据速率决定，根据速率可分为快速跳频（FFHSS）和低速跳频（LFHSS）。低速跳频技术较为常用，它用几个连续的数据位去调制同一频率。快速跳频（FFHSS）是在每个数字位内多次跳频。跳频信号的发射频谱同直接序列扩频有很大差别，跳频输出在整个频带上是平坦的（如下图）。跳频信号的带宽是频率间隔的N倍（N是载频的个数）。

IEEE802.11定义了79个互不重叠的跳变载频。为了使用这79个载频，IEEE802.11定义了78个跳频序列（每个序列有79跳）。所谓跳频序列就是79个载频的排列顺序，78个跳频序列就是78种载频排列规则。这78个跳频序列分为三组，每组有26个跳频序列。同组中的序列将遭遇最小冲突，因此可被分配给同一配置系统的各个子系统。理论上一个配置系统可以有26个子系统，但冲突仍然明显。为了把冲突数量降低到可接受的水平，实际FHSS配置系统大约只有15个子系统。这种配置适用于跳频序列无需同步，每个配置系统独立工作的情况。如果使用序列同步，理论上可配置79个系统，每个系统在任一时刻只使用79个互不重叠的频率中的一个。但这要求在射频电路中使用昂贵的滤波器。
　　在一个有12个子系统的配置中，需要6MHz的频率间隔才能完全避免冲突发生。尽管在需申请执照的频段内，往往使用序列同步技术，但在2.4GHz免申请频段内，并不使用序列同步。毫无疑问，如果按照bps/Hz的概念，这将极大压缩无冲突系统配置的容量/吞吐量。因此，在采用GFSK（高斯整形频移键控）编码时，FHSS最高只能达到2Mbps的传输速率。而且，FHSS不具有处理增益，在接收端无法提供像直接序列扩频（DSSS）那样的高信噪比。

直接序列扩频技术DSSS

所谓直接序列扩频，指的是用一个伪噪声序列PN（Pseudo-Noise Sequence）对欲发送的窄带信号进行调制，使其成为一个频谱扩展的扩频信号后再进行发送，如下图所示：

扩展频谱后的信号与窄带信号如果以同样功率发送，则扩频信号的功率谱密度将远低于窄带信号（功率谱密度指的是在整个带宽内，每个频率上所携带的功率）。可以根据下图比较一下未调制的窄带信号频谱和扩频后的频谱。由图可见，由于扩展频谱后的信号功率谱密度极低，所以，要从噪声中检测出有用信号非常困难，这就使DSSS提供了一种非常安全的通信方式。 PN序列用算法产生一个伪随机数，该伪随机数通过一个二进制编码过程与二进制数据流组合在一起，产生一个带宽扩展、功率电平降低的DSSS信号。这个DSSS信号有一个内建的冗余因子，使得同一时间内发送的信号中至少包含10个原始信号的拷贝。
　　这种信号冗余性是DSSS扩频技术的一大优势。因为系统只需要接收并正确处理10个冗余信号中的一个，所以，信号冗余帮助系统增强了抗干扰能力。通过接收一个数据拷贝或从几个拷贝的部分中重组数据，就可以获得完整的无线发送数据信息。这种内建的冗余性使得DSSS成为一种非常健壮的通信方案。

如果在带宽内出现一个干扰信号，那将是一个典型的高电平窄带信号。由于DSSS的处理增益，在接收端进行解扩（扩频的反过程）过程中，干扰信号往往就被从带宽内挤出，从而消除了干扰。解扩过程经常可以戏剧性将干扰降低90％。
　　DSSS的通信速率为2Mbps。

高速直接序列扩频技术HR/DSSS

IEEE802.11b协议重新定义了DSSS，称为HR/DSSS。它使用补码键控调制（CCK）或PBCC调制（可选），获得了高达11Mbps的通信速率。

正交频分复用技术OFDM

正交频分复用技术OFDM是一种多载波发射技术，它将可用频谱划分为许多载波，每一个载波都用低速率数据流进行调制。它获取高数据传输率的诀窍就是，把高速数据信息分开为几个交替的、并行的BIT流，分别调制到多个分离的子载频上，从而使信道频谱被分到几个独立的、非选择的频率子信道上，在AP与无线网卡之间进行传送，实现高频谱利用率。就这一点将可用带宽细分为多个信道，允许多用户进行访问而言，OFDM类似于频分多址（FDMA）技术。但OFDM信道间隔更小，它的信道划分可达100到8000个，因而具用更高的频谱利用率。这是由于OFDM的载波互相正交，因此减少了相邻信道间的干扰。载波的正交性意味着在一个符号传送期内，每个载波具有整数的循环周期。正因为如此，每个载波频谱的中心频率处都为零，使得相邻载波互不干扰，载波也就可以互相靠得更近。
　　每个OFDM信号的载波都有极窄的带宽（即1KHz），因此，其符号速率非常低，对多径延迟扩展具有更高的容忍度。只有高达500μS以上的多径延迟才会导致符号间的互相干扰。
　　OFDM信号频谱如下图所示。从图中可以看出，OFDM信号的载波互相重叠，说明其频谱利用率相当高。

IEEE802.11a标准在U-NII 5GHz频段内为每个信道分配了52个载波，其中48个载波用于数据传输。剩下的4个载波用于导频（Pilot Tone），以帮助相干解调时对相位的跟踪。保护间隔为800nS，它使信道能够忍受高达250ns的延迟扩展。
　　OFDM调制过程使用了复杂的信号处理技术，如在无线发射机和接收机端进行快速傅里叶变换FFT及反向快速傅里叶变换IFFT。
　　OFDM的数据传输率可高达54Mbps。
　　正是由于OFDM具有非常多的优点，所以，它正成为未来的主流无线传输调制技术。