微波擴頻技術(shù)在交通系統(tǒng)中的運用

１微波擴展頻譜技術(shù)簡介

微波擴展頻譜技術(shù)，簡稱微波擴頻(ＳＳ)技術(shù)。是９０年代以來在美國發(fā)展起來的一種新型民用計算機無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其主要技術(shù)特點是：用９００ＭＨｚ、２.４５ＧＨｚ或３.５ＧＨｚ微波頻段作為傳輸媒介，以先進的擴展頻譜方式發(fā)射信號的傳輸技術(shù)。

擴頻技術(shù)的基本特征是：使用比發(fā)送的信息數(shù)據(jù)速率高許多倍的偽隨機碼，把載有信息數(shù)據(jù)的基帶信號的頻譜進行擴展，形成寬帶的低功率譜密度的信號來發(fā)射。

美國人香農(nóng)(Ｃｌａｕｄｅ Ｅｌｗｏｏｄ Ｓｈａｎｎｏｎ)在信息論的研究中得出了如下的信道容量公式：
Ｃ＝Ｗｌｏｇ２(１＋Ｐ／Ｎ)
這個公式指出：如果信息傳輸速率Ｃ不變，則帶寬Ｗ和信噪比Ｐ／Ｎ可以進行互換，就是說：增加帶寬Ｗ就可以在較低信噪比Ｐ／Ｎ的情況下以相同的信息速率Ｃ來可靠地傳輸信息，甚至在信號被噪聲淹沒的情況下，只要相應(yīng)的增加信號帶寬Ｗ，仍然保持可靠的通信，也就是可以用擴頻的方法以寬帶傳輸信息來換取信噪比。這便是擴頻通信的基本思想和理論依據(jù)。其具體工作原理為：信息數(shù)據(jù)Ｄ經(jīng)過常規(guī)的數(shù)據(jù)調(diào)制，變成了帶寬為Ｂ１的基帶(窄帶)信號，再用擴頻編碼發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機碼(ＰＮ碼，Ｐｓｅｕｄｏ Ｎｏｉｓｅ Ｃｏｄｅ)對基帶信號作擴頻調(diào)制，形成帶寬Ｂ２(Ｂ２遠(yuǎn)大于Ｂ１)功率譜密度極低的擴頻信號，這相當(dāng)于把窄帶Ｂ１的信號以ＰＮ碼所規(guī)定的規(guī)律分散到寬帶Ｂ２上，再發(fā)射出去。接收端用與發(fā)射時相同的偽隨機編碼ＰＮ做擴頻解調(diào)，把寬帶信號恢復(fù)成常規(guī)的基帶信號，即以ＰＮ碼的規(guī)律從寬帶中提取與發(fā)射對應(yīng)的成份積分起來，形成普通的基帶信號，然后，可再用常規(guī)的通信處理解調(diào)發(fā)送來的信息數(shù)據(jù)Ｄ，從而實現(xiàn)了住處數(shù)據(jù)Ｄ的傳輸。

　　微波擴頻技術(shù)最常用的方式有兩種：

一種是跳躍(Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｈｏｐｐｉｎｇ，ＦＨ)擴頻技術(shù)，ＦＨＳＳ以隨機模式傳輸信號，信號傳送過程中要經(jīng)過多次握手和同步，效率較低。另一種是直接序列(Ｄｉｒｅｃｔ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ，ＤＳ)擴頻技術(shù)(簡稱直擴)。直序擴頻(ＤＳＳＳ)是寬帶調(diào)制發(fā)射，與傳統(tǒng)的無線電窄帶調(diào)制發(fā)射方式不同，它以固定模式傳輸本頻段內(nèi)信號，因而可以更加充分地利用帶寬；它具有傳輸速率高(可為２Ｍ－１１Ｍｂｐｓ或更高)、發(fā)射功率小(一般＜１００ｍｗ)、保密性好、抗干擾能力強的特點。故易于多點通信，其通信距離和覆蓋范圍視所選用的天線不同而異：定向傳送可達５～５０公里，室外的全向天線可覆蓋１５～２０公里的半徑范圍，室內(nèi)全向可覆蓋最大半徑２５０米的５０００平方米范圍，并能穿透幾層墻甚至兩層樓的混凝土樓板。

　　微波擴頻無線網(wǎng)絡(luò)／通信技術(shù)在組網(wǎng)鏈路中所采用的是載波偵聽多路訪問／沖突避免(ＣＳＭＡ／ＣＡ)媒介訪問協(xié)議，遵從ＩＥＥＥ８０２.３以太網(wǎng)協(xié)議(ＥｔｈｅｒＮｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ)，同時也支持ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議，并與目前的幾種主流網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)完全兼容。它的運行環(huán)境是ＭＳ－ＤＯＳ３.１以上的操作系統(tǒng)、ＵＮＩＸ操作系統(tǒng)以及Ｗｉｎｄｏｗｓ環(huán)境。

目前微波ＤＳ擴頻設(shè)備主要分為兩類：一類屬于無線Ｍｏｄｅｍ，具有ＲＳ２３２接口或Ｔ或Ｅ接口；另一類屬于無線連網(wǎng)設(shè)備，包括無線網(wǎng)橋和無線ＩＰ路由器，一般都具有網(wǎng)絡(luò)接口，如：ＢＮＣ、ＡＵＩ、１０／１００Ｂａｓｅ－Ｔ、ＲＪ－４５等。

　　擴頻微波組網(wǎng)可完成高速率的無線通信：實現(xiàn)點到點、點到多點的通信及連網(wǎng)；能夠較好地傳送圖形、文字、話音、動態(tài)圖象等信息；因信號弱，所以隱蔽保密性好，誤碼率低；具有網(wǎng)橋、路由器等功能，可實現(xiàn)局域網(wǎng)互連或遠(yuǎn)程接入，也可以組合在高速移動無線網(wǎng)。

由此可見，微波擴頻技術(shù)為計算機無線網(wǎng)絡(luò)提供了良好的通訊信道。

２微波擴頻技術(shù)的特性

　　微波擴頻技術(shù)在發(fā)射端以擴頻編碼進行擴頻調(diào)制，在接收端以相關(guān)解調(diào)技術(shù)收信，和傳統(tǒng)的布線相比較，具有諸多的優(yōu)良特性，最主要有：

　　(１)抗干擾能力強

　　表示擴頻通信特性的一個重要參數(shù)是擴頻增益Ｇ(ＳｐｒｅａｄｉｎｇＧａｉｎ)，Ｇ＝Ｂ２／Ｂ１。擴頻通信中，接收端對接收到的信號做擴頻解調(diào)，只提取擴頻編碼相關(guān)處理后帶寬為Ｂ１的信號成分，而排除了擴展到寬帶Ｂ２中的干擾、噪聲和其他用戶通信的影響，相當(dāng)于把接收信噪比提高了Ｇ倍。考慮到輸出端的信噪比和接收系統(tǒng)損耗，可以認(rèn)為實際的擴頻增益帶來的信噪比的改善為：
Ｍ＝Ｇ－輸出端信噪比－系統(tǒng)損耗，公式中的Ｍ叫做抗干擾容限。
實際上，輸出端信噪比和系統(tǒng)損耗都比較小，所以Ｍ近似等于Ｇ。

　　(２)隱蔽性強、干擾小

　　因信號在很寬的頻帶上被擴展，則單位帶寬上的功率很小，即信號功率譜密度很低。信號淹沒在白噪聲之中，別人難于發(fā)現(xiàn)信號的存在，再加之不知擴頻編碼，就更難拾取有用信號。而極低的功率譜密度，也很少對其他電訊設(shè)備構(gòu)成干擾。

　　(３)易于實現(xiàn)碼分多址

　　擴頻通信占用寬帶頻譜資源通信，改善了抗干擾能力，提高了頻帶的利用率。正是由于擴頻通信要用擴頻編碼進行擴頻調(diào)制發(fā)送，而信號接收需要用相同的擴頻編碼之間的相關(guān)解擴才能得到，這給頻率復(fù)用和多址通信提供了基礎(chǔ)。
　　(４)抗多徑干擾

　　在無線通信中，抗多徑干擾問題一直是難以解決的問題，利用擴頻編碼之間的相關(guān)特性，在接收端可以用相關(guān)技術(shù)從多徑信號中提取分離出最強的有用信號，出可把多個路徑來的同一碼序列的波形相加使之得到加強，從而達到有效的抗多徑干擾。

　　(５)易于多媒體組網(wǎng)

　　微波擴頻技術(shù)應(yīng)用了ＰＮ碼，是一個透明的高速數(shù)字通道，可以傳遞語音、傳真、數(shù)據(jù)和圖像等綜合業(yè)務(wù)。
　　　　　　　
　　(６)在不能使用傳統(tǒng)布線方式的地方或傳統(tǒng)布線比較困難的區(qū)域，微波擴頻技術(shù)可輕而易舉的實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的傳輸和鏈接，而且網(wǎng)絡(luò)建設(shè)速度快，設(shè)備安裝方便靈活，建設(shè)周期短，省時省力省費用。

　　總之，微波擴頻技術(shù)所組成的通信系統(tǒng)有一系列其他系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點，該技術(shù)解決了當(dāng)代各種無線通信系統(tǒng)存在的干擾、泄密、選址、組網(wǎng)等四大問題，取得了多方面的突破，受到了各行各業(yè)的重視和應(yīng)用。

３微波擴頻技術(shù)在交通系統(tǒng)諸方面的運用
　　
３.１在長江汽渡收費管理中的運用

　　長江兩岸通信如何鏈接，怎樣實現(xiàn)收費數(shù)據(jù)和監(jiān)控管理圖像的共享和統(tǒng)一監(jiān)管？采用傳統(tǒng)的布線方式是不現(xiàn)實的。因為要跨越幾公里寬的長江江面進行布線、對長江兩岸實現(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接和數(shù)據(jù)信號的傳輸幾乎是不可能的；若采用租用專線，時間長、帶寬窄、沒有所屬權(quán)，需永久支付費用；而監(jiān)控圖像的傳輸，所需的是高速帶寬(１Ｍｂｐｓ以上)線路，這樣的線路月租費用非常高，使用者難以承受。若通過無線＋有線的方案，便可以輕松地實現(xiàn)兩岸的組網(wǎng)。無線部分主要是通過微波擴頻技術(shù)實現(xiàn)兩岸通信鏈路的聯(lián)通，只要通過擴頻設(shè)備的安裝及無線天線的架設(shè)，便可實現(xiàn)兩岸局域網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接和數(shù)據(jù)信號的傳輸。

３.２在運河監(jiān)控及管理上的運用

　　運河上如何實現(xiàn)適時監(jiān)控圖像的多點共享和統(tǒng)一控制，通過組網(wǎng)對多事故發(fā)生地帶進行監(jiān)控、預(yù)警和報警？京杭大運河兩岸城市諸多如蘇州、無錫等這樣的古城歷史文化悠久，古建筑非常豐富，且很多地段貫城而過，無法采用傳統(tǒng)的布線方式，也不宜用長期租用專線的方法。但若用微波擴頻的無線組網(wǎng)，監(jiān)控圖像及數(shù)據(jù)的傳輸、共享便可輕松實現(xiàn)。即使鏈接中存在不能直通，同樣可采用微波擴頻通信的中繼來實現(xiàn)通信線路的鏈接。所需做的也不過是微波擴頻設(shè)備的選用、安裝，調(diào)試，這可大大地節(jié)省時間和經(jīng)費。

３.３在不停車電子收費系統(tǒng)中的運用

　　不停車電子收費系統(tǒng)(ＥＴＣ)，應(yīng)該說是將來高速公路收費系統(tǒng)的主要收費方式。不停車電子收費系統(tǒng)(ＥＴＣ)是指車輛通過收費站時無須特別的減速或停車，這將有效提高收費站的通行能力，解決因人工收費造成的收費站交通堵塞、車輛延誤、工時損失、能源消耗和環(huán)境污染等問題；另一方面可以減少過往司機攜帶現(xiàn)金量和財務(wù)報帳手續(xù)，方便了車輛的出行，同時堵住了路橋收費中可能出現(xiàn)的漏洞，防止了舞弊現(xiàn)象。而這些功能的實現(xiàn)，采用傳統(tǒng)布線形成的網(wǎng)絡(luò)方式是無法做到的，目前唯有通過無線方案來實現(xiàn)，經(jīng)過多個階段的發(fā)展，應(yīng)用微波擴頻技術(shù)的電子不停車收費系統(tǒng)已成為歐美等發(fā)達國家普遍采用的收費方式：將無線微波擴頻技術(shù)運用到應(yīng)答器與收發(fā)器上，遵循ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通，從而達到數(shù)據(jù)共享。車輛與收費車道的數(shù)據(jù)通信通過兩個裝置來完成微波擴頻讀寫，一個是安裝在汽車擋風(fēng)玻璃等處的應(yīng)答器，另一個是安裝在收費島頭等處的天線。特別要指出的是，不停車收費系統(tǒng)不僅適用于高速公路收費，還可以應(yīng)用于停車場、加油站、公路規(guī)費的征收、車輛的年審檢測等交通管理的綜合一體化服務(wù)。

３.４其他方面的問題

　　微波擴頻技術(shù)在交通系統(tǒng)中的運用，不僅只限于上述幾個方面，還能運用交通系統(tǒng)的其他方面，諸如客運公司無線移動售票、交通運輸執(zhí)法部門的現(xiàn)場辦公、執(zhí)法(通過無線聯(lián)網(wǎng)終端共享數(shù)據(jù))、５０公里內(nèi)的臨時通信等等。當(dāng)然在使用微波擴頻技術(shù)時，必須考慮到相連單位距離不能太遠(yuǎn)，并且兩點直線范圍內(nèi)不能有阻擋物。若存在阻擋物或更遠(yuǎn)距離，則要通過微波擴頻技術(shù)傳輸中的中繼轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)。同時，在無線通信方案的組織、設(shè)備的選型上都必須根據(jù)具體的情況作出相應(yīng)的決策。

４結(jié)束語

微波擴頻技術(shù)及產(chǎn)品是現(xiàn)代多種高科技技術(shù)的結(jié)晶，隨著微波擴頻技術(shù)和產(chǎn)品制造工藝的日趨完善，微波擴頻無線／網(wǎng)絡(luò)具備有線網(wǎng)絡(luò)／通信難以比擬的靈活性、移動性、可擴展性、可伸縮性，在交通行業(yè)中將有廣闊的應(yīng)用前景。