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微波扩频技术在交通系统中的运用

　　摘　要　对微波扩频技术进行了简要的介绍，同时结合交通行业的具体特征和本人在实践中的运用进行具体介绍。
关键词　微波扩频技术　特性　交通　应用
１　微波扩展频谱技术简介
微波扩展频谱技术，简称微波扩频(ＳＳ)技术。是９０年代以来在美国发展起来的一种新型民用计算机无线网络技术。其主要技术特点是：用９００ＭＨｚ、２.４５ＧＨｚ或３.５ＧＨｚ微波频段作为传输媒介，以先进的扩展频谱方式发射信号的传输技术。
扩频技术的基本特征是：使用比发送的信息数据速率高许多倍的伪随机码，把载有信息数据的基带信号的频谱进行扩展，形成宽带的低功率谱密度的信号来发射。
美国人香农(Ｃｌａｕｄｅ Ｅｌｗｏｏｄ Ｓｈａｎｎｏｎ)在信息论的研究中得出了如下的信道容量公式：
Ｃ＝Ｗｌｏｇ２(１＋Ｐ／Ｎ)
这个公式指出：如果信息传输速率Ｃ不变，则带宽Ｗ和信噪比Ｐ／Ｎ可以进行互换，就是说：增加带宽Ｗ就可以在较低信噪比Ｐ／Ｎ的情况下以相同的信息速率Ｃ来可靠地传输信息，甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加信号带宽Ｗ，仍然保持可靠的通信，也就是可以用扩频的方法以宽带传输信息来换取信噪比。这便是扩频通信的基本思想和理论依据。
其具体工作原理为：信息数据Ｄ经过常规的数据调制，变成了带宽为Ｂ１的基带(窄带)信号，再用扩频编码发生器产生的伪随机码(ＰＮ码，Ｐｓｅｕｄｏ Ｎｏｉｓｅ Ｃｏｄｅ)对基带信号作扩频调制，形成带宽Ｂ２(Ｂ２远大于Ｂ１)功率谱密度极低的扩频信号，这相当于把窄带Ｂ１的信号以ＰＮ码所规定的规律分散到宽带Ｂ２上，再发射出去。接收端用与发射时相同的伪随机编码ＰＮ做扩频解调，把宽带信号恢复成常规的基带信号，即以ＰＮ码的规律从宽带中提取
与发射对应的成份积分起来，形成普通的基带信号，然后，可再用常规的通信处理解调发送来的信息数据Ｄ，从而实现了住处数据Ｄ的传输。
微波扩频技术最常用的方式有两种：
一种是跳跃(Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｈｏｐｐｉｎｇ，ＦＨ)扩频技术，ＦＨＳＳ以随机模式传输信号，信号传送过程中要经过多次握手和同步，效率较低。
另一种是直接序列(Ｄｉｒｅｃｔ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ，ＤＳ)扩频技术(简称直扩)。直序扩频(ＤＳＳＳ)是宽带调制发射，与传统的无线电窄带调制发射方式不同，它以固定模式传输本频段内信号，因而可以更加充分地利用带宽；它具有传输速率高(可为２Ｍ－１１Ｍｂｐｓ或更高)、发射功率小(一般＜１００ｍｗ)、保密性好、抗干扰能力强的特点。故易于多点通信，其通信距离和覆盖范围视所选用的天线不同而异：定向传送可达５～５０公里，室外的全向天线可覆盖１５～２０公里的半径范围，室内全向可覆盖最大半径２５０米的５０００平方米范围，并能穿透几层墙甚至两层楼的混凝土楼板。
微波扩频无线网络／通信技术在组网链路中所采用的是载波侦听多路访问／冲突避免(ＣＳＭＡ／ＣＡ)媒介访问协议，遵从ＩＥＥＥ８０２.３以太网协议(ＥｔｈｅｒＮｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ)，同时也支持ＴＣＰ／ＩＰ协议，并与目前的几种主流网络操作系统完全兼容。它的运行环境是ＭＳ－ＤＯＳ３.１以上的操作系统、ＵＮＩＸ操作系统以及Ｗｉｎｄｏｗｓ环境。
目前微波ＤＳ扩频设备主要分为两类：一类属于无线Ｍｏｄｅｍ，具有ＲＳ２３２接口或Ｔ或Ｅ接口；另一类属于无线连网设备，包括无线网桥和无线ＩＰ路由器，一般都具有网络接口，如：ＢＮＣ、ＡＵＩ、１０／１００Ｂａｓｅ－Ｔ、ＲＪ－４５等。
扩频微波组网可完成高速率的无线通信：实现点到点、点到多点的通信及连网；能够较好地传送图形、文字、话音动态图象等信息；因信号弱，所以隐蔽保密性好，误码率低；具有网桥、路由器等功能，可实现局域网互连或远程接入，也可以组合在高速移动无线网。
由此可见，微波扩频技术为计算机无线网络提供了良好的通讯信道。
２　微波扩频技术的特性
微波扩频技术在发射端以扩频编码进行扩频调制，在接收端以相关解调技术收信，和传统的布线相比较，具有诸多的优良特性，最主要有：
　　(１)抗干扰能力强
表示扩频通信特性的一个重要参数是扩频增益Ｇ(ＳｐｒｅａｄｉｎｇＧａｉｎ)，Ｇ＝Ｂ２／Ｂ１。扩频通信中，接收端对接收到的信号做扩频解调，只提取扩频编码相关处理后带宽为Ｂ１的信号成分，而排除了扩展到宽带Ｂ２中的干扰、噪声和其他用户通信的影响，相当于把接收信噪比提高了Ｇ倍。考虑到输出端的信噪比和接收系统损耗，可以认为实际的扩频增益带来的信噪比的改善为：
Ｍ＝Ｇ－输出端信噪比－系统损耗，公式中的Ｍ叫做抗干扰容限。
实际上，输出端信噪比和系统损耗都比较小，所以Ｍ近似等于Ｇ。
　　(２)隐蔽性强、干扰小
因信号在很宽的频带上被扩展，则单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低。信号淹没在白噪声之中，别人难于发现信号的存在，再加之不知扩频编码，就更难拾取有用信号。而极低的功率谱密度，也很少对其他电讯设备构成干扰。
　　(３)易于实现码分多址
扩频通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，提高了频带的利用率。正是由于扩频通信要用扩频编码进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的扩频编码之间的相关解扩才能得到，这给频率复用和多址通信提供了基础。
　　(４)抗多径干扰
在无线通信中，抗多径干扰问题一直是难以解决的问题，利用扩频编码之间的相关特性，在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号，出可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰。
　　(５)易于多媒体组网
微波扩频技术应用了ＰＮ码，是一个透明的高速数字通道，可以传递语音、传真、数据和图像等综合业务。图１为某工程中微波扩频技术通信组网的一种方案。
　　(６)在不能使用传统布线方式的地方或传统布线比较困难的区域，微波扩频技术可轻而易举的实现网络的传输和链接，而且网络建设速度快，设备安装方便灵活，建设周期短，省时省力省费用。
总之，微波扩频技术所组成的通信系统有一系列其他系统无法比拟的优点，该技术解决了当代各种无线通信系统存在的干扰、泄密、选址、组网等四大问题，取得了多方面的突破，受到了各行各业的重视和应用。
３　微波扩频技术在交通系统诸方面的运用
３.１　在长江汽渡收费管理中的运用
长江两岸通信如何链接，怎样实现收费数据和监控管理图像的共享和统一监管？采用传统的布线方式是不现实的。因为要跨越几公里宽的长江江面进行布线、对长江两岸实现局域网络的联接和数据信号的传输几乎是不可能的若采用租用专线，时间长、带宽窄、没有所属权，需永久支付费用；而监控图像的传输，所需的是高速带宽(１Ｍｂｐｓ以上)线路，这样的线路月租费用非常高，使用者难以承受。若通过无线＋有线的方案，便可以轻松地实现两岸的组网。无线部分主要是通过微波扩频技术实现两岸通信链路的联通，只要通过扩频设备的安装及无线天线的架设，便可实现两岸局域网络的联接和数据信号的传输。
３.２　在运河监控及管理上的运用
运河上如何实现适时监控图像的多点共享和统一控制，通过组网对多事故发生地带进行监控、预警和报警？京杭大运河两岸城市诸多如苏州、无锡等这样的古城历史文化悠久，古建筑非常丰富，且很多地段贯城而过，无法采用传统的布线方式，也不宜用长期租用专线的方法。但若用微波扩频的无线组网，监控图像及数据的传输、共享便可轻松实现。即使链接中存在不能直通，同样可采用微波扩频通信的中继来实现通信线路的链接。所需做的也不过是微波扩频设备的选用、安装，调试，这可大大地节省时间和经费。
３.３　在不停车电子收费系统中的运用
不停车电子收费系统(ＥＴＣ)，应该说是将来高速公路收费系统的主要收费方式。不停车电子收费系统(ＥＴＣ)是指车辆通过收费站时无须特别的减速或停车，这将有效提高收费站的通行能力，解决因人工收费造成的收费站交通堵塞、车辆延误、工时损失、能源消耗和环境污染等问题；另一方面可以减少过往司机携带现金量和财务报帐手续，方便了车辆的出行，同时堵住了路桥收费中可能出现的漏洞，防止了舞弊现象。而这些功能的实现，采用传统布线形成的网络方式是无法做到的，目前唯有通过无线方案来实现，经过多个阶段的发展，应用微波扩频技术的电子不停车收费系统已成为欧美等发达国家普遍采用的收费方式：将无线微波扩频技术运用到应答器与收发器上，遵循ＴＣＰ／ＩＰ协议，实现了网络的联通，从而达到数据共享。车辆与收费车道的数据通信通过两个装置来完成微波扩频读写，一个是安装在汽车挡风玻璃等处的应答器，另一个是安装在收费岛头等处的天线。特别要指出的是，不停车收费系统不仅适用于高速公路收费，还可以应用于停车场、加油站、公路规费的征收、车辆的年审检测等交通管理的综合一体化服务。
　　３.４　其他方面的问题
微波扩频技术在交通系统中的运用，不仅只限于上述几个方面，还能运用交通系统的其他方面，诸如客运公司无线移动售票、交通运输执法部门的现场办公、执法(通过无线联网终端共享数据)、５０公里内的临时通信等等。当然在使用微波扩频技术时，必须考虑到相连单位距离不能太远，并且两点直线范围内不能有阻挡物。若存在阻挡物或更远距离，则要通过微波扩频技术传输中的中继转换来实现。同时，在无线通信方案的组织、设备的选型上都必须根据具体的情况作出相应的决策。
４　结束语
微波扩频技术及产品是现代多种高科技技术的结晶，随着微波扩频技术和产品制造工艺的日趋完善，微波扩频无线／网络具备有线网络／通信难以比拟的灵活性、移动性、可扩展性、可伸缩性，在交通行业中将有广阔的应用前景。