LOGO

短波世界:散亂頻譜通訊 -- 未來主流

No.44   1996 Sep.   p144~145,   by 編輯部



    散亂頻譜調制是一種打破傳統的調制技巧,它把原本集中在很窄頻寬的 FM、AM 等調制訊號調散開來,如同它的名稱般,散亂頻譜通訊把發射功率盡可能的分散在廣範圍的頻譜內。乍聽之下,這種方式好像很不合理,然而事實上,散亂頻譜調制技巧相對於傳統的調制技藝,有數不盡的優點,舉個例子來說,散亂頻譜調制技巧對於干擾訊號有驚人的免疫能力,兩個使用相同頻率以散亂頻譜調制技巧的訊號,彼此的干擾很小,甚至完全不會相互干擾。還有,以散亂頻譜調制技巧的訊號,甚至在訊號強度不及雜訊時,還都可以正確解調。

Fig 01
圖 1:傳統調制技巧的訊號。

    散亂頻譜通訊是未來的主流,尤其是在 V/UHF 範圍內,目前的干擾情況如此嚴重,更是非借用散亂頻譜調制技巧無以解決問題。假如要繼續與無線電為伍,更得了解散亂頻譜通訊。

    參看圖 1 是傳統調制技巧的訊號,在頻譜中央有個中央頻率,振幅特別大,當頻率往兩端散開時,振幅大幅滑落,通常只有數 KHz 或十數 KHz,振幅就滑落到零,很容易可以看到這樣的調制技巧所得的訊號在不同頻率上的振幅差異極大,而所佔有的頻寬很窄,通常只有幾 KHz 或十幾 KHz。圖 1 是一種以調頻調制的訊號,它的訊號是以中央頻率為中心,隨著調制訊號而頻率上下偏移,中心頻率固定不動,若沒有調制訊號,調頻調制訊號就停留在中心頻率上。

Fig 02
圖 2:這訊號頻譜內的振幅就遠比圖 1 上的訊號小很多,但卻佔有極大的頻譜空間,振幅大約都是相等。

    訊號要變成圖 2 所示的分散情況,首先有個類似載波的訊號,這訊號就由一個散亂碼調制,使這載波訊號根據不同調制參數而使頻率分散開來。也許最常見的散亂頻譜調制技巧是一種叫做「頻率跳躍」的散亂頻譜通訊,這種系統裡,和傳統調制中的載波相當的訊號就在其段頻譜中的幾個頻率點跳動,其跳動並無次序可言,就像隨機變動一樣,在這些頻率點所停留的時間非常短,大約幾毫秒左右;這種在幾個不同頻率點之間隨機切換的結果,就造成圖 2 所示的頻譜。頻率跳躍方式的散亂頻譜通訊大都用在語音通訊。另一種常用的散亂頻 譜調制技巧是直接隨序調制,這是一種載波隨著調制碼而改變相位所產生的頻譜。另一種散亂頻譜通訊是時間跳躍調制,這是一種調制碼會讓載波成為脈衝的一種調制。脈衝式的調頻調制系統利用固定的脈衝長度,而調制訊號就調制在脈衝的開頭,這也會使訊號的頻寬擴展開來。最後也有另一種使用掃描技巧產生的散亂頻譜通訊,不過這種簡易的散亂頻譜通訊只用於雷達及導航。

    特別的是,散亂頻譜通訊可以融合各種不同的散亂頻譜調制技巧,例如時間跳躍及頻率跳躍可以同時兼備而成為另一種散亂頻譜通訊,這也是一種常用的著名技巧,稱為「時間分割多重化」 (TDMA; Time Division Multiple Access),例如這可以使幾隻相同頻率的無線電麥克風同時打開使用而不會相互干擾。


不是散亂頻譜訊號解調制而是「解散亂」

    散亂頻譜通訊能夠有雜訊免疫力大都得力於散亂頻譜訊號中的散亂碼,散亂頻譜接收機會根據設定的程式試著追隨散亂頻譜訊號中的散亂碼,因此要有這碼才能正確接收散亂頻譜訊號,如果接收機沒有收到符合的設定碼,接收機就不會緊隨散亂頻譜訊號;如果散亂頻譜訊號中有與接收機格式一致的散亂碼,接收機就會與散亂頻譜訊號同步起舞,從散亂頻譜訊號中解得正確的訊息。

    大多數散亂頻譜通訊都有一小段前置訊號,這通常是一種簡短的數位脈衝,通常只有幾毫秒左右,這可以告訴散亂頻譜接收機,下面就要有散亂頻譜訊號出現,同時也可以讓接收機保持與發射端同步。

    散亂頻譜訊號看來似乎比一般的訊號微弱許多,這可以從圖 1 的曲線尖端比圖 2 高許多得到印證,雖然如此,但最重要的是比較訊號強度時,要把握住分佈在整個頻譜的功率大小,所以圖 1 的尖端高出圖 2 許多,這是因為圖 2 的訊號把能量分佈在很廣的頻譜中,實際上,圖 2 訊號的總功率要大過圖 1 的訊號。散亂頻譜通訊存任何一點頻率上的功率雖然不大,但是頻譜內的總功率卻相當大。


排斥干擾

    與傳統的 AM、FM、SSB 比較,散亂頻譜通訊可以兩道訊號分享同一頻率而不互相干擾,這是傳統的調制技巧所無法比擬的。前頭提過散亂頻譜訊號有所謂的散亂碼,接收機可以比對這個散亂碼而決定要不要接收這訊號,所以就算有好幾個頻率相同的散亂頻譜訊號,要產生瞬間有一致的散亂碼的機率很低,自然也就不會相互干擾。就算是出現了散亂碼相同的情況,因為散亂頻譜訊號的隨機跳動,所以干擾情況發生時,只是出現一小段的雜訊而以。因此散亂頻譜通訊中,如果有好幾個訊號共用同一頻率,最壞的情況只是增加一些脈衝式的 背景雜訊而已。

    散亂頻譜訊號強度就算是低於雜訊位準,也能夠正確解調出訊號;在有背景雜音、大氣雜訊、或訊號受干擾情況下接收到的極微弱訊號,如果使用散亂頻譜通訊就可以聽清楚通訊內容,因為對於散亂頻譜通訊而言,接收機只要知道「有」「無」訊號存在那裡,就可以解出通訊內容。

    如果能夠小心規劃散亂碼,則同一頻率內可以同時有許多散亂頻譜訊號,假設有一段頻譜內同時有好幾座電台使用頻率跳躍散亂頻譜通訊,細心規劃,可以讓散亂碼在瞬間不會有兩個電台的訊號跳到相同頻率上,如此一來,雖然使用同一頻譜範圍,但誰也不知道誰正使用相同的頻譜,更不會彼此干擾;這種技巧也適用於時間跳躍及其他散亂頻譜通訊方式。

    那麼散亂頻譜訊號會不會干擾到一般的 AM、FM、SSB 訊號呢?這種情況也很少,因為散亂頻譜訊號對於這類接收機形同視而不見。一般的 AM、FM、SSB 訊號的頻寬與散亂頻譜訊號比較起來顯然窄多了,因此,散亂頻譜訊號落在這類接收機頻寬內的總訊號強度很小,可能會小過背景雜訊,除非接收機的地點離散亂頻譜訊號發射台很近,否則甚至都不會察覺有散亂頻譜訊號在;如果離散亂頻譜訊號發射源很近,會在很寬的頻譜的範圍內聽到「嘶嘶」狀的雜音。通常高頻範圍內使用散亂頻譜通訊遠不如 VHF 或是 UHF 用得多,因此可以在 V/UHF 更容易察覺有散亂頻譜訊號,但是假如沒有專用的接收機,也無法正常接收這類訊號。


總結

    美國軍方已經大量在高頻內使用散亂頻譜通訊,最近中國大陸也不斷地出現類似散亂頻譜通訊,在高頻最常用的是以 20MHz 為頻寬的頻率跳躍式散亂頻譜通訊,以一般的接收機監聽,很像水泡聲或水滾燙時發出的聲音。在高頻上採用頻寬不大,跳躍率不高的散亂頻譜通訊,確實有助於解決干擾問題,同時也不容易以一般的定向技巧找到訊號源,在高頻中採用散亂頻譜通訊的最大好處是有極高的保密性。

    在 V/UHF 上因為有夠大的頻寬,更能發揮出散亂頻譜通訊的優點,有些散亂頻譜通訊用途都在 900MHz 以上。例如 900MHz 的家用無線電話機,這些話機宣稱通訊距離可以達到 1、2 公里遠,而且保證保密性與有線線路一樣,並非廠家在吹牛,只是使用了散亂頻譜通訊技巧的緣故。

    未來行動電話也勢必會朝著散亂頻譜通訊技藝邁進,提供客戶更安全保密的服務。有些廣播甚至也動起了散亂頻譜通訊的腦筋,以散亂頻譜通訊做數位廣播的話,不論訊號強弱,聲音品質可以比美 CD 唱片。

    雖然散亂頻譜通訊堅稱有萬全的保密性,但總有人可以破解散亂頻譜通訊,不論在無線電訊號中包裝著多少密碼,個人電腦總有更強的運算能力可以破解。 END



雜誌目錄 依順序 雜誌目錄 依主題分類