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散亂頻譜通訊的種類及應用

No.25   1995 Jan.   p78~86,   by 林茂榮 / BV5OC



    散亂頻譜通訊故意把訊號的能量擴散開來,分佈在很大的頻寬範圍內;它對雜訊的免 疫力很好,可以在周遭滿是雜訊的頻譜內,隱藏著正常的通訊頻道,甚至可以在幾個 通訊頻道同時存在的某個頻帶內,也不會彼此相互干擾,很適合精密的特定範圍通訊 ,尤其是太空通訊……



前言

    美國主管無線電通訊的「聯邦通訊委員會」 (FCC),在 1986 年七月起,才正式開放 散亂頻譜通訊,供業餘無線電使用。但是,環顧四周,有關散亂頻譜通訊的技術資料 少得可憐。什麼是散亂頻譜通訊呢?可能很多人都搞不懂,更別提如何自己建立一套 散亂頻譜通訊系統了。

    為什麼會有如此結果呢,其實,軍方早就已應用散亂頻譜通訊在例常的通訊了。但是 ,為了不要聲張因為散亂頻譜通訊佔用很大頻寬而侵入其他領域頻譜的事實,加上運 用散亂頻譜通訊者並不多,因此,有關散亂頻譜通訊的文獻,總是停留在繁褥的數學 式,或是僅止於構成散亂頻譜通訊的方塊圖。對於散亂頻譜通訊系統能詳細說明,並 且把線路細節道出者,可謂鳳毛麟角,少之又少。

    基於上述情況,雖然散亂頻譜通訊已經應用了五十年以上,但是因為技術資料無法充 份交流,所以在業餘無線電界並不流行,相信這種情況依然會延續下去。

    最近在做業餘人造衛星通訊時,就在 UHF 頻段上碰到過國內散亂頻譜通訊訊號,而 能使用此類技術者,非所謂重於其他任何事務的國防通訊莫屬。最近特別注意一些比 較特殊型式的通訊,如:同調莫耳斯 (CCW)、FSAG、散亂頻譜通訊等發展,因此,把 書房的文獻雜誌資料重新瀏覽一遍,首先就是詹氏年鑑,再把最近還使用散亂頻 譜的軍用通訊機種記下,所佔的比例還真不少。

    而在散亂頻譜通訊技術文獻欠缺的情況下,就只有自己動手勤收集,最後終於整理出 來。做了幾次的測試之後,就迫不及待地,想要把此技術和業餘無線電同好分享。

    就我所知,此篇討論散亂頻譜通訊的理論與實務者,應該會是業餘無線電領域內的首 篇。這裡我們要談到散亂頻譜通訊的原理,並且在 UHF 上持槍上陣,雖然本文不打 算逐項說明此套散亂頻譜通訊的製作細節,但是,相信只要有某種程度的射頻製作經 驗,根據本文所提供的資料,要完成這麼一個 UHF 的散亂頻譜通訊系統,應該不會 有問題才是。


什麼是散亂頻譜通訊

    傳統的各類調制訊號,像是 AM、FM、或者是 PM,包括 CW、RTTY、AMTOR、SSB 及包 封數據通訊等,這些訊號所攜帶的訊息,都集中在中央頻率附近的很窄頻帶內,這類 調制訊號的頻寬與調制頻率有關;例如,典型的單邊帶訊號所佔頻寬約 3KHz;而像 是 CW,頻寬則可以窄到幾 10Hz,基本上,它與電鍵的速度有關,但是,通常也都會 超過 1KHz;至於窄頻 FM 模式,約佔了 15KHz 頻寬。上述這類調制的效率,就與所 佔的頻寬息息相關;但散亂頻譜通訊就不適用這種原則了。

    在散亂頻譜通訊中,我們是故意把訊號的能量擴散開來的,使它分佈在很大的頻寬範 圍內,因此,散亂頻譜通訊訊號,不像傳統的調制訊號很容易彼此干擾,因而散亂頻 譜通訊對雜訊的免疫力很好,它甚至可以在周遭滿是雜訊的頻譜內,隱藏著正常的通 訊頻道,因此,採用散亂頻譜通訊的話,甚至可以幾個通訊頻道同時存在某個頻帶內 ,也不會彼此相互干擾。

    因此,一般說來,惡意的干擾,對於散亂頻譜通訊產生不了作用。同時,散亂頻譜通 訊還有另一項優點,就是很適合做精密的特定範圍通訊,因此,散亂頻譜通訊是最適 合太空通訊的了。

    其實,我們可以這樣說,散亂頻譜通訊就是採取不把所有雞蛋放在同一個籃子的策略 下所發展出來的通訊方式,除了不易相互或受干擾外,散亂頻譜通訊還有狡兔三窟的 保密作用。


散亂頻譜通訊的種類

    要把訊號擴散到一定範圍的頻譜裡頭,一般有下列幾種方法可以選用:

    跳頻 (FD, Frequency Hopping) 是其中的一種,這是把傳統的載波,也就是中央頻率 ,根據定好的格式,每秒跳動幾次。

Fig 1
圖 1:直序式的散亂頻譜通訊系統方塊圖。

    直序散亂頻譜 (DS, Direct Squence),這是根據隨機雜訊產生器所出現的一 系列二進位碼,來控制載波的相位,達到散亂頻譜的目的。

    唧聲散亂頻譜通訊 (CS, Chirp Spread),則是採用載波掃描的方式。美國空 軍採用的高頻雷達,就是使用唧聲散亂頻譜訊號,這種雷達就稱為唧聲雷達 (CHIRP RADAR)。

    跳時散亂頻譜通訊 (TH, Time Hopping),則是利用隨機雜訊產生器,把載波 當做開關的動作。

    一般商業散亂頻譜通訊系統,是融合並運用上述幾種方式,構成一個散亂頻譜通訊系 統;但是,在現行的業餘無線電裡,美國的聯邦通訊委員會,只允許使用跳頻散亂頻 譜通訊或是直序散亂頻譜通訊,跳頻與直序並用的散亂頻譜通訊,不能使用。


Fig 3
圖 3:PN 訊號產生器原理,相同脈衝寬度的 PN 訊號,重複率不一樣,訊號存頻譜上的數目及位置也跟著變化。

直序式的散亂頻譜通訊

    所謂直序式 (DS) 散亂頻譜通訊,就是由載波訊號,和一由時序訊號推動隨意雜訊產 生器所產生的時序載波做混頻,當然,混頻很簡單,可以由雙平衡式混頻器來完成; 經過這雙平衡式混頻器之後,原來的載波可以濾除,或是壓抑到一定程度,因而產生 了擴散極廣 (一般有幾個 MHz 寬) 的訊號,這種訊號的包封是 (SIN X/X) 的平方, 參看圖 2A。

    為了能更清楚瞭解個中原理,這種由隨意雜訊,及變平衡式混頻器控制時序訊號,所 產生的訊號,可以看成是獨立的方波脈衝。它的脈寬固定,但脈衝出現的時間不一定 ,不過,脈衝出現的重複率,有一最小公約數的時間,這時間就是時序的週期。因為 進入雙平衡式混頻器的訊號含有方波 (含大量諧波),因此,輸出會有許許多多的旁 邊帶,只要累積器位移,時脈出現的時間也跟著變化,這樣,頻譜的數目及頻率位置 也跟著改變,於是,形成所謂的散亂頻譜;也就是訊號的頻譜,會跟著脈衝寬度的變 化而游動,參看圖 3。



Fig 2A
Fig 2B
Fig 2C
圖 2:散亂頻譜訊號頻譜。

    因為是方波的關係,我們都知道,方波是富有最大和最多諧波的。實際上,方波是由 它的基本頻率及倍頻的正弦波和餘弦波所組成的,因此,展開之後,我們可以得到很 尖峭的許多根頻譜。

    我們來看看這訊號的功率分佈,功率可以看成是輸出振幅的平方,也就是我們在頻譜 分析儀上頭所得到訊號曲線;但是,一般頻譜掃描並不很快,所以,我們從頻譜上看 到的一根,實際上是一種包封曲線,也就是無數的旁波帶訊號,累積而成的包封曲線 。

    在直序式散亂頻譜通訊的接收端,從接收機內雙平衡式混頻器取得的訊號,顯然與發 射訊號沒有相關性,在頻譜分析儀上看來,這訊號只是比雜訊稍高位準的一大片訊號 而已,參看圖 2B。

    假如現在我們也加入了跟發射訊號類似的 PN 序列訊號,那麼,便可以和發射訊號取 得了相關性,如此一來,從雙平衡式混頻器,就可以取得與發射訊號一個模樣的載波 訊號,參看圖 2C。

    在業餘無線電通訊領域,PN 序列訊號產生器,在還沒有直序式散亂頻譜技藝之前, 就已經存在,因此,在接收機方面,只要借用 PN 序列訊號產生器線路,也就沒有什 麼其他困難了。最大的問題,在於如何讓接收機的序列訊號,與發射機的序列訊號同 步。

    表面上的原理很簡單,把發射機的時序訊號檢出,不就可以了嗎?但是,參看圖 2A ,問題是接收機所得到的訊號像是一片雜音,如何取得序列同步訊號?

    其實,散亂頻譜的技藝重心,就全在這裡。這可以從一位散亂頻譜通訊前輩的一段話 中得到啟示,Robert Dixon 這樣說:『在散亂頻譜通訊技藝上,以往投注最多心血 、時間、及金錢的,就是在發展及改進同步技巧,從目前情況看來,以後的日子也是 一樣,不會改變。』

    本文所使用的是一種簡易的同步技巧,也因為所使用的技巧單純,因此,不像是複雜 的散亂頻譜通訊系統,本製作的散亂頻譜通訊比較容易受干擾,但是,對於試驗性質 ,以及業餘無線電通訊用途而言,這缺點應該是無傷大雅的。


直序式散亂頻譜通訊網路說明

    本文舉例的 UHF 直序式散亂頻譜通訊,是早在 1988 年進行的,其實,在 1980 年 左右,就有許許多多的業餘愛好者做這方面的試驗。

    圖 4 是這次實驗的安排。446MHz 發射機輸出,被送往一雙平衡式混頻器的輸入腳, 而雙平衡式混頻器的另一輸入腳是 PN 序列訊號產生器,此 PN 序列訊號產生器的 時脈頻率是載波頻率的因數,也就是說,序列訊號產生器的頻率整數倍為載波頻率。

    接收方面,「自由振盪」的「同步振盪器」輸出訊號,經過除頻線路之後,好讓它的 頻率與發射機的時脈頻率相接近,這個由接收處「本地」所產生的時序,和發射機一 樣,用來推動 PN 序列訊號產生器,這 PN 序列訊號和輸入的射頻訊號,在雙平衡式 混頻器內混頻。

Fig 4
圖 4:實際運用的散亂頻譜通訊系統方塊圖。

    這同步振盪器的自由振盪頻率可以調整,選擇比發射機的序列訊號快還是慢。兩者速 度的差別,就造成了所謂的接收機序列訊號「滑入」了發射機的序列訊號。

    由於發射機與接收機的序列訊號速度不同,接收機處所產生的序列訊號,和發射機送 來的序列訊號,在雙平衡式混頻器內作用,會產生一個常數;因此,彼此就產生了一 個相關係數,這也就是所謂的直序式散亂頻譜,如此,從雙平衡式混頻器中,可以取 得發射機送過來的載波。

    參看圖 2,這由雙平衡式混頻器取出的載波,被送到自由振盪的同步振盪器,有了這 參考頻率,同步振盪器就可以追蹤輸入訊號,而與它同步。取得同步之後,這種通訊 就會變成一個封閉系統,從發射機過來的訊號,接收機便可以複製,同時,系統也停 留在鎖定狀態。


直序式散亂頻譜發射機

    參看圖 5 (圖 5:440MHz 直序式的散亂頻譜通訊發射機線路圖。) ,使用的發射機訊號源是半成品,輸出的功率可以達到 10 毫瓦。此部發射 機是以 12.388MHz 石英振盪為基礎,這頻率精準的訊號做 36 倍頻之後,可以得到 446MHz 的訊號;而此散亂頻譜網路的同步訊號,是由此載波除 4 之後的 111.5MHz 為基準。

    這頻率經過由 MC3396P 及 7474 組成的除 40 線路之後,可以得到頻率是 2.7875MHz 的脈衝;然後,這脈衝提供給由 74164 及 7486 組成的 7 級暫存器。如 果對這線路不熟的話,可以參考數位電子學的基本邏輯。

    這 7 級暫存器也就是所謂的 PN 訊號產生器,它的輸出用來推動標示著 U1 的變平 衡混頻器,為了讓這混頻器的輸出可以減少諧波干擾及做完美的匹配,輸出端都加有 緩衝墊 (PAD)。

    雙平衡混頻器輸出是一種雙相位的調制訊號,這訊號由放大器模組 (MMIC) U2 做放大 ,然後,再由 UHF 放大器 U3 做進一步放大,這樣,可以得到 0.4 瓦的輸出,而頻 率範圍則介於 440MHz 到 450MHz 之間,這輸出訊號的頻譜如圖 2A 所示。

    因為輻射功率的 90% 都集中在 443.2125MHz 到 448.7875MHz (446MHz ±2.7875) 之間,所以,經過 440~450MHz 帶通濾波器,並不會影響到主要的訊號。

    為了驗證通訊效果,這 0.4 瓦的輸出,利用四分之一波長垂直天線發射,在方圓兩 公里之內,都可以使接收機百分之百的抓住同步。

    如果研究圖 5 線路,可以發現,這散亂頻譜網路的主要時序脈衝,會稍微受到聲音 的調制,但這並不會影響到同步,因為在 446MHz 下,如果是 5KHz 的偏擺 (FM 調 制叫偏擺,AM 則稱為百分比的深度),這對從這訊號衍生出來的 2.7875MHz 脈衝, 只會造成 15Hz 左右的偏移。


直序式散亂頻譜接收機及同步器

    參看圖 6 (圖 6:440MHz 直序式的散亂頻譜通訊接收機線路圖。) ,訊號從天線進來,經過前置放大器處理,可以把訊號增強,更可以把 430MHz 到 460MHz 之間的訊號強度拉平。

    這樣的安排,對接收機而言,會破壞一些選擇性。但這訊號還不夠強,所以在經過 U4 放大 20dB 後,再被送到 U5 雙平衡混頻器去。因為這裡所使用的混頻器是被動 式的,所以,雙平衡混頻器輸出之後,需要再放大,以補足經過雙平衡混頻器時的訊 號損失。

    這訊號最後被送到一般的窄頻 FM 接收機及同步振盪器線路。

    同步振盪器線路看似簡單,但是很可惜,在業餘無線電領域內,這方面的線路原理很 少人知道,下面會做詳細的說明。

    Q2 是經過修改的考畢茲振盪器,自由振盪頻率約 111.5MHz 左右,也就是載波頻率 的四分之一。因為 Q2 是 C 類線路,因此,只有在出現正弦波部份時,才吃少量的 電流,這樣射極的電流脈衝,會在 Q1 上產生脈衝電壓。

    當 Q2 呈現斷路時,Q1 就完全沒有壓降,只有在 Q2 輸出的正弦波頂點時,Q1 才會 是一個有作用的放大器。因此,當射頻同步訊號加到 Q1 的基極時,只有在 Q2 導通 的極短期間內,Q1 才會影響到 Q2 的振盪頻率。

    R1 是振盪頻率控制鈕,它可以調整 Q1 的基極電流大小,也因此控制了 Q2 的振盪 頻率。

    在實際應用上,同步振盪器就相當於相鎖環路中的壓控振盪器 (VCO),不過,同步振 盪器的優點是,它只使用了兩只電晶體,這比起相鎖環路可是簡單得多了,相鎖環路 需要相位比較器、環路濾波器等等;而同步振盪器可以直接鎖定輸入訊號,更重要的 優點是,同步振盪器可以在多雜訊的吵雜環境中,毫不費力地鎖定輸入訊號,抓住同 步。

    其實,早期有一種叫做「再生式」的接收機,也是藉著類似原理做選台接收;天線進 來的電台訊號,就是接收機內振盪器的參考頻率,就這樣,以同步的方式,讓接收機 內的自由振盪器來複製電台訊號。

    因為抓住同步,所以 Q2 的振盪頻率是 111.5MHz,這訊號由 MC3396 預除 IC 做除 頻,除 20 之後,再由 7474 除 2,因此,可以得到頻率是 2.7875MHz 的方波,這 部份其實與發射機線路相類似。

    PN 訊號產生器的輸出訊號,被送到中頻的雙平衡混頻器 (U5),發射機與接收機的時 序,也是在這裡取得一致的。雖然發射與接收時序隨時都有些微的差異,但是,可以 在這雙平衡混頻器線路內取得同步,也就是這雙平衡混頻器可以輸出正常的解調訊號 。參看圖 2C,這解出的訊號被同步振盪器鎖住,並認定為有效之後,同步振盪器就 會保持同步,緊跟著不放。


調整

    圖 5 內的 Z1 部份,是發射機的訊號產生器,因為這是半成品,需要調整的只有輸 出功率,它的額定輸出足 10 毫瓦。如果你沒有頻譜分析儀或是微功率錶,可以測出 這輸出位準。

    下面是一個變通辦法,使用兩只小燈泡以比較的方式來測量:

    準備兩只 1.5V/25mA 的小燈泡,串連一只 1~8pF 的可變電容,當作發射機的假負 載。

    發射機的輸出端,經過一只駐波比錶之後,再把這小燈泡當成負載,接在駐波比錶上 。然後,把第二只小燈泡,串連一只 50 歐姆的可變電阻,加在 1.5V 電池上,調整 這電阻,讓燈泡的消耗功率在 10 毫瓦,然後打開發射機,調整 R37,使駐波比錶上 的負載燈泡亮度,與另一只對照用的燈泡亮度相同。這極方法雖簡便,但是,經過實 驗證實,它的精確度也是相當驚人的。

    接收方面,需要調整的,只有同步自由振盪器。利用陷波錶與 L5 耦合,來測諧振頻 率。調整 C1,這是振盪輸入訊號的調諧,要讓頻率保持在 111.5MHz;然後利用計頻 儀,接在 J11 上,監看除 40 的線路是不是正常;調整 R1,讓振盪頻率保持在中央 點,再把 R2 可變電容調到接地點,並調整 C2,使振盪頻率保持在中央點;然後, 再調整 L6,使頻率讀數是 2.78MHz。


業餘散亂頻譜通訊操作要點

    業餘通訊有一套模式必須遵守,不同模式的通訊,各有不同的程序要遵循,散亂頻譜 通訊也不例外。

    根據美國聯邦通訊委員會法規,散亂頻譜通訊需要以「話務」或「AFSK」的方式, 呼出自己的呼號,同時要說明發射散亂頻譜時的隨機雜訊序列的特性,然後再打開散 亂頻譜發射機。

    接收機方面,首先調整圖 6 所示的 R2 在 30 度位置,千萬不要過頭,因為,訊號 太強會使同步振盪器超出範園,如此一來,輸出訊號便會失真,而且會使除頻 (除 20) 的線路誤動作。

    取一計頻儀,接在 J11 上,然後調整 R1,讓計頻儀的讀數在 2.7875MHz;如果訊號 夠強的話,當你調整 R1 時,計頻儀會突然顯示正確的 2.7875MHz,此時,表示接收 機已經抓到,並鎖住發射的同步訊號。

    同步振盪器的自由振盪範圍是 2.7860MHz 到 2.7890MHz 之間,在我的製作裡,只要 溫機超過 30 分鐘,一旦取得同步之後,通常不需要再去調整 R1。


總結

    本文所討論的直序式散亂頻譜通訊系統,應用在 UHF 頻段上,所使用的都是現成的 材料。在調整方面,也不必投入精密複雜的測試儀器。

    製作完成後,使用上,與一般的通訊沒有兩樣,可以作話務通訊,也可以利用 AFSK 方式,傳送包封資料,也就是不用任何更改,就可以做一般的數據通訊。

    其實,在業餘無線電數據通訊領域內,傳速不斷提高。我最大的願望是,散亂頻譜通 訊應該有很好的發展才是,尤其是應用在業餘無線電人造衛星通訊方面。

    日後衛星通訊碰到的最大難題是,與地面上使用的頻道相互干擾。如果能運用散亂頻 譜通訊,不但干擾問題可以迎刃而解,更可以滿足高傳速的數據通訊。

    不僅如此,使用散亂頻譜通訊做低軌衛星通訊之後,再也不必為都卜勒效應而調整接 收機,因為這系統的同步,可以自行捕捉訊號。只是因為散亂頻譜通訊的研究很少, 例如,要是把散亂頻譜通訊使用在電視廣播傳送,很嚴重的鬼影干擾就不會存在了。 在太空方面,因為散亂頻譜通訊可以精確地掌握發射訊號,因此,測距用途如雷達, 也用的很多。

    希望這裡淺顯介紹的散亂頻譜通訊,能夠起拋磚引玉的作用,盼望可以引起有興趣的 同好,朝這方面試驗。 END

主要參考資料:
1. A Practical Direct-Sequence Spread-Spectrum UHF Link. by Andre Kesteloot
2. The Synchronnized Oscillator: A Syn. and Tracking Network. by M. White
3. The ARRL Handbook. ARRL
4. The Spread-Spectrum Application in Amateur Radio. by Sabin
5. Amateur Spread-Spectrum Experiments. by Feinstein



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