【無線通信】擴頻(展頻)技術 - FHSS 及DSSS

■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˩ 的

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

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）

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

●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

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。

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

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

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

●工作原理

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），轉變成低功率、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。

●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

【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

每個頻段寬度為 Wd，系統占用總頻寬為

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。

■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)

■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

●藍牙規格的FHSS圖

【視頻】Frequency Hopping Spread Spectrum

【視頻】Making Basic Bluetooth Modulation Measurements

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

【擴頻技術發明人 Hedy Lamarr】