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信息时代三大高技术通信之扩频通信技术

信息时代三大高技术通信之一扩频通信技术做到了!高抗干扰、低截获率、多址通信

扩展频谱通信与光纤通信、卫星通信一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。

扩频通信SSCSpread Spectrum Communication,扩展频谱通信技术),通过增加信号带宽降低信噪比,提高抗干扰容限。其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。

与传统窄带通信相比,扩频通信具备许多优点:多址能力、低截获率、抗干扰能力强以及时间分辨率高等,被广泛应用于物联网无线通信中。

具有代表性的扩频方式主要有两种:直接序列扩频与跳频扩频。

lora扩频通信技术

如果在数据上直接加入伪随机序列码,可得到直序扩频(DSSS);如果伪随机码作用在载波频率上,则得到跳频扩频(FHSS)。也可以综合形成DSSS + FHSS混合扩频技术。

一、DSSS直序扩频通信技术

什么是DSSS

——直接序列扩频DSSSDirect Sequence Spread Spectrum)工作方式,简称直扩方式(DS方式),是目前应用较广的一种扩频方式。就是用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱,而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩,把展开的扩频信号还原成原来的信号。

LoRa技术就是一种基于直序扩频的调制方式。

DSSS代表直接序列扩频,信息位是由PN码(芯片)调制。PN码是伪噪声码符号。与信息位相比,此 PN 代码的持续时间较短。与用户相比,这里通过空中传输的信息占用更多的带宽信息位。DSSS是基于IEEE802.11WLAN 兼容产品中采用的调制技术。在DSSS系统中,整个系统带宽始终可供每个用户使用。

lora调制技术

DSSS发射器与DSSS接收器框图PRS代表伪随机序列

直序扩频特点:

1)抗衰落。直序扩频的带宽很宽,由于传输引起的部分频谱的衰落而引起的变化不会使信号频谱发生严重衰落。

2)抗多路径干扰。扩频系统中的PN码通常具有很好的自相关特性,很容易将不同路径的反射信号分离开,经处理后在时间和相位上重新对齐,形成几路叠加,大幅度的改善系统的性能。

3)抗截获能力强。信号经过扩频后,随着频谱的展开,其功率谱密度下降,甚至可以淹没在噪声中,信号也很难会被不同PN码的接收端解析得到。

4)易实现多址通信。

二、FHSS跳频扩频

什么是FHSS扩频跳频技术

——跳频扩频FHSSFrequency Hopping Spread Spectrum)技术是在无线电传输过程中对载波频率进行重复切换,以减少干扰并避免拦截。

在跳频扩频中,带宽频谱的广切部分被划分为许多可能的广播频率,供传输信号使用。跳频扩频数字无线电传输方法,其中无线电信号在较窄的频谱范围内传播,信号以伪随机顺序跳到其他窄范围,所有这些都在定义的总体范围内,以实现比DSSS更好的抗噪性,比DSSS更大的范围和固有的信号安全性。

FHSS代表跳频扩频RF载波频率根据伪随机序列(PRSPN序列)变化。发射器和接收器都知道该PN序列,因此有助于解调/解码信息。在一个芯片持续时间内,RF频率不会改变。基于这一事实,有两种类型的FHSS,快速跳跃FHSS和慢跳FHSS。在快速跳跃的FHSS中,跳跃的速率快于消息(信息)比特率。在慢速跳跃的FHSS中,跳频以比信息比特率慢的速率完成。

FHSS跳频扩频通信技术
FHSS发射器与DSSS接收器框图

FHSS跳频扩频无线通信特点:

1)抗干扰。采用离散的频点进行通信,即使某一段频点受到干扰,其他频点也可以正常保持通信。

2)兼容性强。频点数量多,可以在任意一个频点和其他设备完成通信。

3)易实现多址通信。

三、DSSSFHSS区别对比

由于FHSS系统依赖于不同的RF载波频率,因此主要由于频率选择性衰落而导致误差突发。

错误率:DSSS中,信息位分布在频率和时间平面上,因此最大限度地减少了干扰和衰落的影响。因此,DSSS系统容易出错,但与FHSS系统相比处于较低水平。FHSS会产生强烈的突发错误。

尽管这两种技术都存在错误,但可以看出FHSS中的错误率高于DSSS系统。每当任何设备在通道之间跳跃时接近阻塞频率时,FHSS系统的带宽就会下降。

DSSS相比,FHSS的解码过程更容易。DSSS中需要特定的算法来建立发送方和接收方之间的连接。

网络容量:DSSS的传输速率高于FHSSDSSS提供高达22 Mbps的容量,而FHSS支持高达3 Mbps的容量。

可靠性:DSSSFHSS系统更可靠,FHSS在应用中的可靠性较低。但对于移动应用FHSS更节能。

采集时间:即将模拟信号转换为数字信号所需的时间,在DSSS系统中比在FHSS系统中更多。

使用成本:DSSSFHSS成本更高。在较低的Mbps(如2 Mbps)下,FHSS的成本较低,但通常,无线电信号以较高的Mbps使用,DSSS将比FHSS便宜。

应用场景:在恶劣的环境中,包括大覆盖范围,噪音,多路径和蓝牙频率波等的存在,DSSS是点对点应用的理想选择,而FHSS可用于具有出色性能的点对多点部署。

另外,还有一种时间跳变扩频技术(THSS,利用伪随机序列控制发射信号的开或关。这也是一种线性调频脉冲技术,即在一个周期内线性扫描载频。不过该项技术到目前为止没有大的突破。

THSS时间跳变扩频技术

时间跳变扩频(THSS

无线模块扩频通信具备的许多优良特性是窄带通信难以替代的,在手机网络、卫星通信、lora模块蓝牙模块Wi-Fi模块zigbee模块、GPRS模块等诸多无线通信领域得到了非常广泛的物联网应用。

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