【無線通信】擴頻(展頻)技術 - FHSS 及DSSS

更新 發佈閱讀 9 分鐘
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■無線網路的技術可分為二大類

●利用光傳輸

1.紅外線(IR, infra-ray)

2.雷射(Laser)

●無線電波傳輸

1.載頻微波(Microwave)

2.直接序列擴頻 (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum)

3.跳頻擴頻 (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum)

4.HomeRF

5. HiperLAN

6.藍牙技術 (Bluetooth) 。

■ISM頻段

任何一個通訊發送器都必須藉由一個私有的頻道進行傳輸,否則會發生⎾蓋台˩

現象。一個國家為了重複使用某些獨立頻道(稱為窄頻Narrow Spectrum)

也就是說,利用窄頻技術傳輸的頻道,都必須通過申請才可以使用,並且會限制

發射功率及區域,以免干擾到其他鄰近電台。

但為了工業、科學和醫學界的需要,因此訂出 ISM(Industrial, Scientific,

Medical Bands)頻段, 讓使用者無須經由申請便可以自由使用。

這些頻段頻率為 902 ~ 928 MHz、2.4 G ~ 2.4835 GHz 和 5.725 ~ 5.850 GHz


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任何無線通訊設備都可用ISM頻段來傳遞訊息,因此例如手機、電腦

如果都要有一個獨立的頻道(窄頻技術),那幾乎是不可能,此時

便須用擴頻技術來共享頻道(如 ISM 頻道)來傳輸信號

■擴頻 (SS, Spread Spectrum)

擴頻主要是為了對抗或抑制⎾同頻干擾˩(其他系統在同一頻道

上傳輸信號)、或⎾多重路徑˩(Multi-paths)傳輸所造成的不利影響,

而將傳輸信號以一種甚至低於背景雜訊的功率來做傳輸,以避免被他人的

偵測,進一步達到通信的保密化。

擴頻一般採用兩種方法 :,

1.跳頻擴頻 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

2.直接序列擴頻DSS(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)

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■跳頻 (FHSS) ===================================


https://www.youtube.com/watch?v=RcCj5PazUMg

https://www.youtube.com/watch?v=RcCj5PazUMg

●工作原理

跳頻是將可使用的頻段劃分為若干個小頻道,然後使用載波頻率接受

假隨機變化碼的控制進行隨機跳變,讓傳送端在這些小頻道之間跳變傳送。

接收端也在相同跳越順序下接收信號,如此便可達到雙方通訊的目的。

如圖下所示

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發送信號將在 fx、fy、fz、fk、fm、… 頻道之間跳越傳送,接收端也在相同跳越

順序下收取信號。傳送者使用這個順序來決定傳送頻率,載波會在某一頻道呆一

段時間(稱為Dwell Time),再用一小段時間變換頻道(Hop Time)。

當用完所有頻道,會重新開始。

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跳頻技術 (Frequency-Hopping Spread Spectrum; FHSS)是在2.4GHz頻帶

以1MHz的頻寬將其劃分為75-81個無線電頻率通道(Radio Frequency

Channel;RFC),並且以使用接收和發送兩端一樣的頻率跳躍模式

(Frequency Hopping)來接發訊號及防止資料擷取(跳躍頻率的最大時間間

隔為250ms,也就是每秒跳頻至少4次)。

如將每一個頻道各給予一個順序編號,而發送端傳輸信號時所應填入的頻道號

碼,就由下圖中的『虛擬雜訊序列』(PNS)產生器來產生


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例如0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, … 的順序號碼。接收端以同樣的號碼順序由頻道上接

收信號,如果雙方的時序達到同步時,便能順利接收信號而達到通訊的目的。當

傳送端將信號發送到各頻道之前,也必須將信號調變到該頻道上,一般在較低速

率(2 Mbps 以下)的擴頻傳輸(FHSS 或 DSSS)都採用 BPSK(Binary

Phase-Shift Keying)或 QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)調變方

式。如以 IEEE 802.11 規格(BPSK)而言,每一信號週期傳送兩個位元,頻寬

為 1 MHz,則傳輸速率為 2 Mbps。

FHSS系統至少需規定:(1)何種頻帶、(2)跳耀順序、(3)Dwell Time、

(4)傳輸速度。

●跳頻分快速跳頻與慢速跳頻

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■直接序列擴頻 (DSSS) ==============================


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●工作原理

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直接序列展頻技術 (Direct Sequence Spread Spectrum; DSSS)是將原本”0”與”1”的高功率、窄頻寬的位元訊號,透過虛擬隨機序列(Pseudo Random Sequence)和相位移轉技術(PSK;Phase Shift Keying),轉變成功率、寬頻帶(在2.4Ghz頻帶,分以13個頻道,每個頻道頻寬為5MHz)的載波訊號,這些轉變後的載波訊號被稱為Spreading Chips,Chips數愈多可以增加資料安全性,愈低則增加使用者數目。一般普遍使用10-20 Chips。

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●802.11 b定義的DSSS技術支援4種傳輸速率(分兩組)

1.基本速率組: IEEE802.11定義了DSSS的1Mbps與2Mbps兩種速度

2.高速傳輸組: 802.11b(又稱HR-DSSS),HR表示HighRate)則

支援達5.5Mbps 及11Mbps兩種速度

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【視頻】Frequency Hopped Spread Spectrum System FHSS



■使用MFSK (M-ary Frequency Shift Keying)的FHSS

採用 M = 2L個頻率來代表 L 個不同的傳送信號之二位元編碼,

則傳送信號式為

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每個頻段寬度為 Wd,系統占用總頻寬為

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傳送信號之速度為 R = 1 Mbps, 傳送訊息之調變符元時間長度為 Ts

(seconds),系統每隔 Tc(seconds)時間跳頻一 次。

假設在此跳頻系統中,共有 2k 個頻寬為 Wd的通道做跳頻的選擇,

並用亂數產生 器產生二位元亂數序列(Binary Random Sequence)

進行跳頻擴頻依據,跳頻擴頻系統共使用 Ws = 2k Wd頻寬,跳頻擴頻通訊

參數 M = 2, k = 2,時序圖(快速)如下。

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■ODFM 具有擴頻功能

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,

正交分頻多工)擴頻的工作原理, 是將一個頻道切割成多個子頻道(Subchannel, 又稱 Subcarrier), 然後在這些子頻道同時傳送信號,

使信號一整排地並列送出。由於這些信號彼此互為正交

(Orthogonal), 不會互相干擾, 因此能提升傳輸速率。

實務上, 各家廠商切割頻道的方式未必相同, 以 802.11a 為例,

是將 20 Mhz 寬的頻道切割成 52 個 300KHz 寬的子頻道,

其中 48 個用在傳輸資料信號, 4 個用來傳輸同步信號。

【TIPS】多個用戶組成一個網路,讓不同用戶在同一頻率下,進行不同

的OFDM擴頻。

例如:頻分多址(OFDM-FDMA) 即是OFDMA

時分多址(OFDM-TDMA)

碼分多址(OFDM-CDMA)

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■藍牙的FHSS

藍牙採用FHSS並將2.4GHz ISM頻段劃分成79個1MHz的通道。藍芽設備以偽隨機碼方式在這79個通道間每秒鐘跳1,600次。所連接藍芽設備被分組到稱為微網的網路中:每一個微網均包含一個主設備及七個從設備。每個微網的通道跳頻擴頻序列源於主設備的時脈。所有從設備均必須保持與此時脈同步。

●藍牙規格

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●藍牙規格的FHSS圖

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【視頻】Frequency Hopping Spread Spectrum



【視頻】Making Basic Bluetooth Modulation Measurements


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【視頻】Long-Range Frequency Hopping (LR-FHSS) 擴頻速成




【擴頻技術發明人 Hedy Lamarr】

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