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微波扩频技术在交通系统中的运用

时间:2007-1-29栏目:交通运输论文

摘 要 对微波扩频技术进行了简要的介绍,同时结合交通行业的具体特征和本人在实践中的运用进行具体介绍。
关键词 微波扩频技术 特性 交通 应用

1 微波扩展频谱技术简介
微波扩展频谱技术,简称微波扩频(SS)技术。是90年代以来在美国发展起来的一种新型民用计算机无线网络技术。其主要技术特点是:用900MHz、2.45GHz或3.5GHz微波频段作为传输媒介,以先进的扩展频谱方式发射信号的传输技术。
扩频技术的基本特征是:使用比发送的信息数据速率高许多倍的伪随机码,把载有信息数据的基带信号的频谱进行扩展,形成宽带的低功率谱密度的信号来发射。
美国人香农(Claude Elwood Shannon)在信息论的研究中得出了如下的信道容量公式:
C=Wlog2(1+P/N)
这个公式指出:如果信息传输速率C不变,则带宽W和信噪比P/N可以进行互换,就是说:增加带宽W就可以在较低信噪比P/N的情况下以相同的信息速率C来可靠地传输信息,甚至在信号被噪声淹没的情况下,只要相应的增加信号带宽W,仍然保持可靠的通信,也就是可以用扩频的方法以宽带传输信息来换取信噪比。这便是扩频通信的基本思想和理论依据。
其具体工作原理为:信息数据D经过常规的数据调制,变成了带宽为B1的基带(窄带)信号,再用扩频编码发生器产生的伪随机码(PN码,Pseudo Noise Code)对基带信号作扩频调制,形成带宽B2(B2远大于B1)功率谱密度极低的扩频信号,这相当于把窄带B1的信号以PN码所规定的规律分散到宽带B2上,再发射出去。接收端用与发射时相同的伪随机编码PN做扩频解调,把宽带信号恢复成常规的基带信号,即以PN码的规律从宽带中提取
与发射对应的成份积分起来,形成普通的基带信号,然后,可再用常规的通信处理解调发送来的信息数据D,从而实现了住处数据D的传输。
微波扩频技术最常用的方式有两种:
一种是跳跃(Frequency Hopping,FH)扩频技术,FHSS以随机模式传输信号,信号传送过程中要经过多次握手和同步,效率较低。
另一种是直接序列(Direct Sequence,DS)扩频技术(简称直扩)。直序扩频(DSSS)是宽带调制发射,与传统的无线电窄带调制发射方式不同,它以固定模式传输本频段内信号,因而可以更加充分地利用带宽;它具有传输速率高(可为2M-11Mbps或更高)、发射功率小(一般<100mw)、保密性好、抗干扰能力强的特点。故易于多点通信,其通信距离和覆盖范围视所选用的天线不同而异:定向传送可达5~50公里,室外的全向天线可覆盖15~20公里的半径范围,室内全向可覆盖最大半径250米的5000平方米范围,并能穿透几层墙甚至两层楼的混凝土楼板。
微波扩频无线网络/通信技术在组网链路中所采用的是载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)媒介访问协议,遵从IEEE802.3以太网协议(EtherNet Protocol),同时也支持TCP/IP协议,并与目前的几种主流网络操作系统完全兼容。它的运行环境是MS-DOS3.1以上的操作系统、UNIX操作系统以及Windows环境。
目前微波DS扩频设备主要分为两类:一类属于无线Modem,具有RS232接口或T或E接口;另一类属于无线连网设备,包括无线网桥和无线IP路由器,一般都具有网络接口,如:BNC、AUI、10/100Base-T、RJ-45等。
扩频微波组网可完成高速率的无线通信:实现点到点、点到多点的通信及连网;能够较好地传送图形、文字、话音、动态图象等信息;因信号弱,所以隐蔽保密性好,误码率低;具有网桥、路由器等功能,可实现局域网互连或远程接入,也可以组合在高速移动无线网。
由此可见,微波扩频技术为计算机无线网络提供了良好的通讯信道。
2 微波扩频技术的特性
微波扩频技术在发射端以扩频编码进行扩频调制,在接收端以相关解调技术收信,和传统的布线相比较,具有诸多的优良特性,最主要有:
  (1)抗干扰能力强
表示扩频通信特性的一个重要参数是扩频增益G(SpreadingGain),G=B2/B1。扩频通信中,接收端对接收到的信号做扩频解调,只提取扩频编码相关处理后带宽为B1的信号成分,而排除了扩展到宽带B2中的干扰、噪声和其他用户通信的影响,相当于把接收信噪比提高了G倍。考虑到输出端的信噪比和接收系统损耗,可以认为实际的扩频增益带来的信噪比的改善为:
M=G-输出端信噪比-系统损耗,公式中的M叫做抗干扰容限。
实际上,输出端信噪比和系统损耗都比较小,所以M近似等于G。
  (2)隐蔽性强、干扰小
因信号在很宽的频带上被扩展,则单位带宽上的功率很小,即信号功率谱密度很低。信号淹没在白噪声之中,别人难于发现信号的存在,再加之不知扩频编码,就更难拾取有用信号。而极低的功率谱密度,也很少对其他电讯设备构成干扰。
  (3)易于实现码分多址
扩频通信占用宽带频谱资源通信,改善了抗干扰能力,提高了频带的利用率。正是由于扩频通信要用扩频编码进行扩频调制发送,而信号接收需要用相同的扩频编码之间的相关解扩才能得到,这给频率复用和多址通信提供了基础。
  (4)抗多径干扰
在无线通信中,抗多径干扰问题一直是难以解决的问题,利用扩频编码之间的相关特性,在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号,出可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强,从而达到有效的抗多径干扰。
  (5)易于多媒体组网
微波扩频技术应用了PN码

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