第二章　展頻技術介紹 ( 補充 )

第二章　展頻技術介紹 ( 補充 )

• 天線是最重要的元件，當天線有電流產生時　會在天線周圍形成電場，電流改變會使電場改變，因而產生磁場，而電磁波就產生了！

• 無線廣播天線遠比無線網卡或行動電話天線要長很多？

• Ans ： AM803kHz ， 3*108 / 803000 =375m

• Mobile 3*108 / 2.4*109

IEEE 802 系列的網路協定

4.1 　展頻技術介紹 (補充 )

　展頻通訊技術之特色為寬頻及低功率， WLAN 所用的展頻通訊用了各種調變方式。展頻通訊並比它的前者「窄頻通訊」具備更多的優點。展頻訊號很像雜訊，很難偵測，若無特殊設備很難破解及「反調變」 (Dem

odulate) 。一般常見的干擾亦屬於窄頻，故干擾對展頻影響較小而對窄頻之影響較大，故展頻早期只能用在軍中。

4-1 何謂調變 (1)

調變是將訊號轉換為一種適合於通道的波形，解調變則是利用調變後的訊號特性，把訊號從一團混亂中解析出來。

至於轉換的方式將依據振幅、相位與頻率等特性。因此，如何轉換訊號，並且應用這些特性完成訊號的傳輸，就是調

變有趣的地方。

4-1 何謂調變 (2)

調變可區分為基頻調變與帶通調變兩種帶通調變

頻率較低的來源訊號稱為基頻（ Baseband ）訊號，與基頻訊號互相結合的高頻率傳輸電波，稱為載波（ Carrier ）訊號，例如：在 IEEE 802.11 技術中所採用的載波訊號的頻率為 2.4GHz 。

帶通調變的目的是將基頻訊號提升到一個較高的頻率－載波頻率，以此載波頻率震盪的正旋函數形成電磁波傳播於通道中。

換句話說，訊號頻率的位準由零轉換到一個較高的位準。通訊系統傳輸來源訊號（ source message ）時，為增加訊號的傳輸效能以及減少傳輸後的衰減，通常必須將低頻率的來源訊號與更高的頻率互相結合，結合後成為高頻的無線電波訊號。

這個高頻無線電波內的相位與頻率變化，隱含了來源訊號的內容，此種程序稱為帶通調變。

基頻調變不需要轉換位準，直接轉換波形即可傳送至通道。

4-1 何謂調變 (3)基頻調變比帶通調變要簡單而且直接多了，為何還要使用帶通

調變呢？因為許多的應用都要在同一個通道中傳輸，如果每一種應用都

把自己的訊號直接往通道傳送，所接收到的訊號便會混成一團，訊號種類越繁多，能夠正確接收訊號的機率就越低。

所以，我們把各種應用分別提升到規定好的載波頻率上，也就是所謂的頻率分工，達成通道共享的目的。

以帶通調變為例，當接收端收到載波訊號後，再依照反向過程來將來源基頻訊號由載波中分離，此種程序稱為解調變（ De-modulation ）。

數位調變 (1)

如果訊號是連續的，例如說將聲音轉換成的訊號，所採用的調變方式將會是前面兩個大主題所談到的調變方式（類比與脈波調變）。

如果訊號是數位的，也就是 0 與 1 的訊號，調變方式將會不同於以往。

數位調變是以載波內振幅、頻率、相位等非連續的變化來表示基頻內 0 與 1 的數位訊號。

以下介紹三種數位訊號的調變方式，包括：振幅移鍵（ Amplitude Shift Keying ； ASK ）頻率移鍵（ Frequency Shift Keying ； FSK ）相位移鍵（ Phase Shift Keying ； PSK ）。

三種數位調變技術所採用的「輸入訊號」都是數位的訊號，也就是提出三種 0 與 1 的對應方式。

數位調變 (2)振幅移鍵（ Amplitude Shift Keying ； ASK ）

開關閘將 0 對應到 0 ， 1 對應到 AΧCos （ 2πΧfcΧt ），其中 A是一個預設的振幅， Cos （ 2πΧfcΧt ）是餘弦函數， fc 是載波頻率。

因此，發射端只需要一個震盪器，與一個開關閘。振幅移鍵的訊號沒有完全的利用振幅的特性，使得 0 與 1 對應訊號的差異不夠大，因此效能表現並不優秀，應用的機會也較少。

簡單的說，當基頻上的訊號以載波的振幅變化來表示時，稱為振幅移鍵（ ASK ）方式。

數位調變 (3)頻率移鍵（ Frequency Shift Keying ； FSK ）

二位元頻率移鍵將 0 對應到 AΧcos （ 2πΧfcΧt ）， 1 對應到 AΧcos （ 2π （ fc ＋ Δf ） t ）， Δf 是一段頻率的間隔，不同的接收方式與信號的頻寬都會影響可靠傳輸的最小頻率間隔。

如果與振幅移鍵（ ASK ）相互比較，假設傳輸的平均能量相等，兩者有相同的效能，但若以波峰能量相等衡量，二位元頻率移鍵有較好的效能。

其缺點是頻寬的使用不具效率，效能也沒有突出的表現。簡單的說，當基頻上的訊號以載波的頻率變化來表示時，稱為頻率移鍵（ Frequency Shift Keying ）方式。

數位調變 (4)

相位移鍵（ Phase Shift Keying ； PSK ）二位元相位移鍵將 0 對應到 AΧSin （ 2πΧfcΧt ＋ θ ）， 1 對應到 AΧ

Sin （ 2πΧfcΧt － θ ），其中 Sin （ 2πΧfcΧt ）是正弦函數， θ是一個預設的相位，當 θ 為 90° 與 270° 時，會有最低的錯誤率，也稱做雙相位移鍵。

假設訊號在通道中會引入可加性白色高斯雜訊，最佳接收機的設計為經過一個關聯器、對積分於一個符元時間之內的值取樣，再判斷訊號的正負，便得出解調的信號。

此技術大多運用在無線通訊系統。簡單的說，當基頻上的訊號以載波的相位變化來表示時，稱為相位移鍵（ PSK ）方式。

數位調變 (5)

數位調變相較於類比調變有更多的優點，條列如下：優異的抗干擾能力

數位調變內各個訊號不是 0 就是 1 ，例如以 0 伏特來表示位元0 ，以 5 伏特來表示位元 1 ，當位元強度受到外界的雜訊影響而改變強度成為 3.8 伏特時，系統在傳輸過程中能將位元強度回復到原來正常的 5 伏特。

提供資料多工處理當不同型態的資料經過數位調變後，都轉換成 0 與 1 的數位訊

號，如此，資料就能多工混合後由相同的頻道傳送，另外一方接收到這些資料後，再解多工還原成原來個別型態的資料。

提供傳輸安全機制數位調變系統內的數位訊號還能運用數位訊號處理的技術，例

如發射端以特定的密碼將資料進行編碼，接收端必須具備相同的密碼，才能還原成原來的資料，避免訊號傳輸時遭其他人竊取。

除編碼外，數位調變還能進行頻道編碼（ channel coding ），頻道編碼是在傳輸資料內，額外加入一些控制位元，當接收端收到訊號後，依照這些控制位元的數值將傳輸過程中若干發生錯誤的位元加以更正過來。

802.11 完全剖析無線網路技術

Chapter4 　展頻技術

4.1.1 　窄頻通訊

　圖 4.1 所顯示為展頻與窄頻訊號之不同。注意窄頻的一個特色是高功率，使用的頻道愈窄則功率需求愈高。因為頻道很窄，必須靠高功率來確定接收無誤，如 FM電台發送功率可達兩千瓦。而功率愈高，則與隔鄰頻道間的 Guard Band 則必須越大，造成頻率無法有效使用。為讓窄頻訊號被接收，它必須比雜訊 (Noise Level) 之功率高很多。

　窄頻傳輸的另一缺點是它很容易被蓋台 (Jam)或被干擾。 Jam為惡意的蓋台，如圖。因為頻帶很窄，它很容易被其他頻率相同之高功率窄頻訊號所掩蓋，就好像講話時有重型車經過。

4.1.2　展頻技術

　展頻技術讓我們用比窄頻寬許多的頻道作通訊。例如在 1MHz窄頻我們需要 10W傳送，但若用 20MHz展頻則只需要 10mW傳送。而且較寬的頻道不容易被 Jam 或被破壞。窄頻 Jamming 只能對展頻的一小部分傳送造成影響，而大部份的資訊都能正確傳輸。 RF 線路都能針對毀損的一小部分換一個頻道作重送。

　雖然展頻的頻道很寬，但功率很低，這是展頻的第二個特色。此兩個特色讓一般的接收器認為這只是雜訊。故在早期展頻訊號的安全性比較高。

4.1.3　展頻技術之使用

　此天生的安全性讓軍方在 1950到 1960 年代冷戰時期採用展頻通訊。因為類似雜訊，展頻可用於戰區而不被敵方傳統接收設備察覺，安全性得以確保。當然，這是假設對方不懂這技術。如對方懂這技術，他若無法破解出資訊至少也能偵測到展頻訊號之存在。

在 WLAN之外， WPAN (Wireless Personal Area Net-work) 、 WMAN(Wireless Metropolitan Area Network)、以及 WWAN(Wireless Wide Area Network) 也都能使用展頻技術。 WPAN使用藍芽技術利用非常低的功率在很短的距離作無線通訊。 WMAN 及 WWAN使用高方向性天線配合相當低的功率作長距離通訊。

下圖表示 802.11 WLAN、 802.16 WMAN與 802.20 WWAN技術之比較。

IEEE 802系列的網路協定

無線區域網路 (Wireless Local Area Networks， WLAN)

圖 4.6表示一台連到乙太網路的 AP與其他 WLAN 設備之連線。 AP將無線與有線兩個網路連接而成一個網路，網路內任何成員都能互通。例如有線這一側若有印表機，無線的電腦都能使用它。

圖 4.7表示當距離變長， 802.11b的速率會下降。若無阻礙情況， AP 最遠可支援達 100 公尺。

　無線個人網路 (Wireless Personal Area Networks，WPAN)

　「 Bluetooth軍人」的理想是讓單兵配備類似直昇機駕駛的遙控式機槍，亦即它只要以夜視鏡對準目標按下按鈕，機槍就能打中目標。而夜視鏡與機槍之間是以 Bluetooth 連線。當然，為了自身安全，機槍與單兵間應保持「一段」距離，此情況屬於 Telepresense ，亦即將 WPAN 架構在 WWAN 或 Internet 之上。

FCC 對展頻技術限制很寬，允許各種方式達成。某些採用跳頻展頻，亦即傳送與接收端同時在頻帶內各個頻道做跳頻並同時交換資料。例如藍芽每秒跳 1,600 次，而 HomeRF 每秒約 50 次。這兩種技術均與 802.11 的跳頻大不相同， 802.11 每秒約只跳 5至 10 次。

無線長途網路 (Wireless Wide Area Networks， WWAN)

傳統 WWAN技術一般是指也是需要執照的 2G 、 2.5G 以及 3G 等行動通訊技術，但資訊傳輸的速度不夠快是其致命傷，以 WLAN為基礎的 4G 技術將會對這些業者造成致命影響，換句話說就是「 2G 與 3G 業者時日無多」。

圖 10 及圖 11都是表示 4G的趨勢。

圖 4.12更清楚點出 4G 的可怕，連衛星與無線電話都被納入。

圖 4.13顯示 4G 的功能需求，請特別注意 Ad-Hoc與 Mesh 兩項。

4.1.4 　 FCC 的規定

雖然展頻技術有很多種， 2001年五月之前 FCC只有規定兩種。之後則加入 OFDM 技術。展頻相關之法律在國會通過之第 47條「 Telegraphs、 Telephones、以及Radiotelegraphs」。此 FCC 法律提供無線設備之架設規定。 2001年五月之前 ISM 可用的兩種展頻技術為：DSSS 及 FHSS。在 2001年五月之後則增加了 OFDM 展頻技術。

( 補充自 Ch.3)

　所謂「 CODEC 」，是 CODER( 傳送時 ) 與 DECODER( 接收時 ) 之簡稱。它的功能是將類比訊號與數位訊號之間的轉換。如果原始資料是類比資料，則需使用 CODEC將之轉為數位資料。例如語音的數位化，人聲的範圍為 20Hz 到 4KHz ，故以 8KHz 8 bit 來作 Sampling 可完整記錄語音，故數位交換機均採用 64Mbps 作傳送。MODEM 為 Modulator ( 傳送時 ) 與 Domodulator( 接收時 ) 之簡稱。 CODEC 輸出的信號將被輸入至 Modem 作調變。 VoIP與 VoWLAN如何將語音作數位化壓縮，即是屬於 CODEC 技術。

( 補充自 Ch.3)

( 補充自 Ch.3)

　調變動作就是將數位信號的資訊 Modulate 到載波之上。而最基本的調變方式為 AM(Amplitude Modulation) 、FM(Frequency Modulation) 、與 PM(Phase Modulatio

n) 、與 QAM(Quadratune Amplitude Modulation) 。　 AM 以正弦波的大小做調變， FM 以頻率做調變， P

M 以相位做調變，而 QAM 以大小及相位做調變。

4.2　跳頻展頻 (Frequency Hopping Spread Spectrum， FHSS) 展頻技術中的 FHSS使用跳頻方式而將資料分散在 83.5MHz中送出。跳頻表示 RF信號能迅速改變頻道的能力。WLAN的 FHSS使用 2.4GHz ISM 的 83.5MHz，符合 FCC之規定及 IEEE 802.11標準。

4.2.1 　跳頻展頻如何工作

FHSS 系統的載波依據某一 Pseudorandom(假亂數 )順序改變頻率。此 Pseudorandom 順序為載波所重複依據之跳躍頻道表。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。

4.2.2　窄頻干擾之影響

　跳頻的方式是利用傳送與接收者同時作重複跳躍而互相傳送資料，如所有之跳頻技術，跳頻系統比較能能忍受窄頻干擾，但並非免疫。如對前述之 2.413GHz 作干擾，則只有 2.413GHz的資料被毀，其餘信號則依然完整，而遺失的資料可用另一頻道而被重送。

4.2.3　跳頻展頻系統

　 IEEE的工作是制定符合 FCC 法律規定的通訊標準。 IEEE 802.11 FHSS、藍芽及 OpenAir 等標準均屬 FHSS 系統， 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。

頻道

FHSS 跳頻的單位為 Channel。 FHSS傳統上使用 IEEE所定義的 26種標準跳躍方式 (Hop Pattern) 。某些 FHSS 系統允許自訂的跳躍方式，其他則允許各系統同步以避免同一地點使用 (Co-Locate)時發生碰撞。

　若使用非同步系統，最多可讓 26個系統運作，對中度擁擠的系統而言，一般最多使用 26個系統。若各系統均使用頻繁，則最多只能有 15個系統。若超過 15個系統，則碰撞情況的增加會使得 WLAN的 Throughput降低。

定居時間 (Dwell Time)

當討論 FHSS 系統，則它必須在某一頻道停留一段時間作傳輸，再跳到另一頻道繼續作傳輸。此段時間稱為 Dwell Time ，一旦 Dwell Time結束，系統必須跳到另一頻道再做傳輸。

一般的 Dwell Time 單位為 ms，除了每秒跳 1,000 次以上的跳頻系統，如每秒跳 1,600 次之藍芽的 Dwell Time 為 445μs。

跳躍時間 (Hop Time)

　跳頻動作中， Dwell Time只是一部份的時間。當系統在做跳頻，它必須使用兩種方法改變傳輸所用的頻道。一種是使用不同頻道的另外一個傳送線路。一種是調整目前線路以使其變成新的頻率。用這兩種方法，頻率變化必須完畢才能再進行傳送，在此改變頻道的時間無法傳送資料，此時間稱為 Hop Time 。此 Hop Time通常屬於 μs(10-6秒 ) ，而 Dwell Time 則常為 100到200ms(10-3秒 ) ，故 Hop Time 通常並不重要。

Dwell Time 的限制

FCC 規定 FHSS 系統每 30 秒，在多次掃描完 75個頻道下的平均每個頻道之最大 Dwell Time 為 400ms。例如一傳送者每個頻道使用 100ms 作為 Dwell Time ，則需7.5 秒再多一點，可以掃描完 75個頻道 ( 每個頻道 100mS) 而回到最初頻道。會多一點時間的原因是額外的Hop Time 。重複 4次會使得每個頻道使用了 400mS，而總時間剛好超過 30 秒一點點 (＞ 7.5 秒 *4) 。此點符合 FCC 的規定。

4.2.4 　 WBFH

於 1999 年 FCC 通過了 WBFH(Wide Band Frequency Hopping) 的 NPRM(Notice of Proposed Rule Making) 。而於 2000 年 8 月 31日， FCC 正式採用 WBFH而改變了FHSS之相關規定。此規定放寬了 FHSS 系統的彈性且更為實用。這造成「 8/31/2000之前」及「 8/31/2000之後」的兩種規定，且 FCC 讓廠商選擇使用何者。廠商若推出 FHSS 系統可選擇其中任何一種規定。若選擇「 8/31/2000之後」規定，則設備必須符合這整個這部分的規定。廠商不能只符合部分的「 8/31/2000之前」及「 8/31/2000之後」之另一部分的規定。

4.2.5　讓藍芽 FHSS與 WLAN DSSS並存　在 2001 年 5 月 10 日， FCC 開放 2.4GHz 之 OFDM 產

品的同時，另外對 DSSS 與 FHSS 的規定也更為放寬。關於 DSSS ， FCC 取消了 Processing Gain 的限制。經過三年的醞量， FCC 於 May/9/2002 通過修改展頻相關法律 ( 亦即 Part 15 部份 ) 而讓藍芽避開 Wi-Fi 所使用的頻道。此新規定並開放 OFDM 技術於 ISM 頻帶使用。

4.3　直序展頻 (Direct Sequence Spread Spectrum， DSSS) DSSS為目前展頻系統最常用的技術，如各型 900MHz 或2.4GHz ISM 無線話機。主要是因為容易使用及較高的速度。大部份的 WLAN，如最流行的 802.11b 只使用 DSSS技術。 DSSS讓傳送及接收者都使用 22MHz的頻寬，此頻寬讓設備得以支援比 FHSS較高的 11Mbps 速度。

4.3.1 　直序展頻如何工作

DSSS技術為了克服 Multipath現象所造成的 Delay Spread ，將資料信號以較高速度的 Bit順序作傳送，稱為 Chipping Code或 Processing Gain 。很高的 Processing Gain增加信號抵抗干擾的能力。 FCC 規定之 Processing Gain 至少需為 10，而大部分的產品都採用小於 20之值。 IEEE 802.11 的 DSSS則將 Processing Gain 定為 11。

DSSS用一個 Code Sequence 來將送出的一個 Bit看起來像雜訊。 Chip 的數目表示 Spreading 或 Processing Gain的量，而每個 Bit 所用的 Chip 數目表示實際傳輸的速度。

4.3.2　直序展頻系統

　一般的 DSSS WLAN 系統均使用 2.4GHz ISM 頻帶，這使得 2.4GHz相當擁擠。是 2.4GHz ISM 頻帶最主要的缺點。 IEEE 802.11 定義了 DSSS的 1 與 2Mbps兩種速度，而 802.11b(又稱 HR-DSSS， HR表示 High Rate) 則支援達 5.5 及 11Mbps兩種速度。

　 IEEE 802.11b之 5.5 或 11Mbps 設備能與 802.11 之 1或 2Mbps 設備互通。因為 802.11b 支援 Backward 相容。故 802.11設備之使用者不必一次更新其設備就能擁有802.11b 系統，而能分批以漸進的方式逐步更換掉 802.11設備。

頻道

　不像 FHSS 系統使用跳躍順序定義頻道， DSSS的頻道定義較為傳統。每個 Channel為連續之 22MHz 寬的頻道，其中的載波頻道為 1MHz，類似 FHSS，故 DSSS 系統同時送出 22個信號相同的載波。例如頻道 1為 2.401GHz到 2.423GHz，頻道 2由 2.406GHz到 2.429GHz。如下圖。

　圖 4.16為各國所用的頻道表。 FCC 規定美國能用的頻道有 11 個，可看出頻道 1 與頻道 2有顯著的重疊。其中的頻道編號數字代表中央頻率，必須再加減 11MHz以得到 22MHz的頻道總寬度。所以隔鄰頻道之重疊很多，如頻道 1與 2。

　使用互相重疊的 DSSS 系統於同一空間會造成干擾。 DSSS 系統中，同一地點使用多個 AP 時，不應使用重疊的頻道不像多個 FHSS 系統比較可以用在同一地點，不同DSSS 系統完全無法並存。因為頻道寬度為 22MHz，而中央頻率差距僅為 5MHz，故頻道 1 與 6沒有重疊，或頻道 2與 7沒有重疊。所以同一地點最多只能放 3個分別使用頻道 1 、 6、與 11 的 AP。因為這 3個頻道「理論上」互不重疊，如圖 4.17所示。

4.3.3　窄頻干擾造成的影響

　類似 FHSS 系統， DSSS也能克服窄頻干擾。 DSSS比 FHSS較易受窄頻影響，因為 DSSS之頻寬只有 22MHz，不像 FHSS佔據整個 79MHz頻帶。 FHSS使用的跳頻，以及比 DSSS還寬的 22MHz頻帶，或比 OFDM 還寬的 20MHz頻帶之兩個特點使它克服窄頻干擾的能力比 DSSS 或 OFDM 還要強。

4.3.4 　 FCC 對直序展頻的規定

　亦如 FHSS 系統， FCC 規定 DSSS 系統最多使用 1W的功率在「點對多點」 (PtMP)場合，此功率限制與頻道無關 (FCC 對 PtP的功率限制比較複雜 ) 。所有 2.4GHz與 5GHz WLAN展頻系統 (FHSS、 DSSS與 OFDM) 都不能大於 1W。但對於「 8/31/2000之後」的 FHSS為 128mW。而且對於 5GHz UNII OFDM 的低與中頻帶的功率都比 1W小。

4.4 　 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 技術　 WLAN 無線通訊由 1997 至 2001 多年無法超越 11Mbps速度，現在則由 OFDM 技術一舉推展到 802.11a及 802.11g定義的 54Mbps 速度， 802.16a WMAN 新標準 ( 無線都會網路 )也是使用 OFDM ，某些公司也正在開發以 OFDM 為基礎的 4G行動通訊系統。

　雖然運用在 WLAN是很新的觀念，但 OFDM早在 1960 年代就出現了，目前它可說是無所不在，例如 DAB(Digital Audio Broadcasting，數位廣播 )及 DVB(Digital Video Broadcasting，數位電視 ) 等。

4.4.1 　 OFDM 的歷史

　 1950 年代就已有人開始從事 OFDM 的研究，而於 1960年代發表。當時就發現傳輸用的許多小載波 (Sub-Carrier)若以較低頻率的 Symbol傳送資料，而且若各個小載波的頻率距離就是 Symbol之頻率的話，則這些小載波會成正交狀況，亦即不會互相干擾。

實體層的架構

4.4.2　 OFDM 的優點

　 OFDM 的第一個優點是它能有效對抗多路徑問題，不像 802.11b 只能用 Antenna Diversity(AD，亦即使用多支天線 )在 RF 解決多路徑問題， OFDM 則在基頻解決。

　第二個優點是它的抗窄頻干擾性能，因為窄頻干擾只能對部分的小載波產生影響。 Coding技術的 FEC(Forward Error Correction) 可以直接恢復錯誤的訊號，或重送時由於Interleaving 或 Scrambling 的關係，原先送不到的資料會以其它小載波傳送。

目前的 OFDM研究如何克服 Dopller( 都普勒 )偏移： d f 以室內人員移動情況而言 都普勒偏移 6 Hz802.20 OFDM WMAN技術，支援 250 km/hr 高鐵旅客上網

雜訊與展頻訊號

4.4.3　 OFDM 的缺點

　第一是 OFDM 較怕 VCO(震盪器 ) 造成的頻率偏移 (Frequency Offset) 與相位雜訊 (Phase Noise) 。

　第二是 OFDM 的 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)較高，亦即某些被傳送的 Symbol大小擺動度較高，而造成 RF 的 PA (Power Amplifier ，放大器 ) 相當耗電。

4.4.4 　 OFDM 技術

　 OFDM 使用許多緊密的小載波 ( 稱為 Sub-Carrier) 用來同時傳輸大量資料。由圖 4.18可了解傳統 FDM 的各個頻道需要 Guard Band 隔開，故總共 10個頻道的總寬度很寬。 優點有二　 1. OFDM 則由於使用多個正交的頻道故頻道區隔可以很小，而節省了頻率的使用。正交 (Orthogonal) 的意思是指這些小載波雖然看似重疊性很高，但數學上它是正交的，故彼此不會干擾。

2. 同時可降低 Multipath 的 Delay Spread 所佔據小載波的比率 (cf： P.146)

FDM 與 OFDM 的頻道分配特徵

頻率領域中的正交性

承載資料

　圖 4.19表示一個 BPSK系統， Multipath 造成收到第二個RF 波，若第二個波的延遲時間在 Guard Interval以內，則在　 FFT Integration時間中，這三個小載波均能順利完成 FFT。因為前一個 Symbol的延遲不會影響到下一個 Symbol，故若 Guard Interval 時間夠長則不會有 ISI狀況。注意此圖中的第二個路徑由於到的時間稍晚，表示路徑較長，故信號強度較弱，但也有可能同時有第三路徑到達且剛好 In-Phase ，造成能量反而增加。

FFT( 接收 ) ：接收端可以使用 FFT 將收到的訊號　還原成原來的子載波

IFFT( 傳送 ) ： OFDM 使用 IFFT 把子載波合成單一的訊號波

傅立葉轉換 (FT) ：是一種數學運算，將訊號波分割成對應的組成 (CF : P.110 Fig.3.38)

傅立葉分析：將訊號由 Time Domain 轉換成組成訊號的頻率領域 (Frequence Domain) 成員

反傅立葉轉換 (IFT) ：將本來屬於 Frequence Domain 的52組不同頻率之小載波的 Di 訊號轉換為 Time Domai

n 的不同 Sample.

　圖 4.20表示當 Guard時間內若沒有做 Cyclic Extension 則由於在 FFT 時間內的 2號小載波由於信號不完全，而造成 1 號小載波的資料無法經由 FFT 運算得出正確資料，故產生 ICI現象。

　符號間干擾 (ISI) ：在中 OFDM 中，比較不明顯　載波間干擾 (ICI) ：使用傅立葉轉換將收到的波行　

轉換成子載波　併入ㄧ單一頻道　彼此間可能產生 ICI

　若以 RF Symbl而言，如圖 4.21 所示，在一個 3.2μS的積分時間之中共有 64 個 Sample ，故 Sampling Rate為 20mHz。可看出 OFDM RF Symbol的 PAPR是相當大的，故需要許多方法以降低 PAPR，才能達到省電的目的。

　如圖 4.22所示與其實圖 4.21 類似，表示各種功率出現的機率。亦顯示 OFDM 之 PAPR相當高。

　 PAPR 愈大則 PA(Power Amplifier) 的設計愈複雜，且耗電量愈大。 802.11a 一般只是限制 PA的輸出功率，故若 PAP 太大情況發生時，對方會收不到信號，傳送端只需再重送則可。因 OFDM 的 PAP一般均相當高故 802.11a 相當耗電。

4.4.5　 OFDM 各參數如何選定

　 OFDM 各參數的選定往往是各情況妥協下的選擇。通常都是由三個條件開始，分別是頻帶寬度、傳輸速度、以及可忍受的延遲時間。延遲時間直接決定 Guard時間，通常以 RMS(Root-Mean-Square) 延遲時間的二至四倍做為 Guard時間。因為高倍率調變 ( 如 64-QAM)較怕 ISI 及 ICI。故若為高倍率調變則選擇四倍，若為 QPSK則兩倍就好。

4.4.6　 OFDM 收發器架構

OFDM 收發器又稱 OFDM 數據機。圖 4.25為一個 OFDM Modem的架構，上層為傳送架構，下層為接收架構。中間的 IFFT(Inverse FFT)及 FFT為 OFDM精華所在，其它都是附屬可替換物件。 IFFT用於傳送， FFT用於接收。 IFFT與 FFT的特色是晶片內部的架購幾乎相同，故節省不少硬體成本，因為傳送與接收不會同時進行。

4.4.7　 Coding

　如 802.11 使用的 Coding技術是 Barker Code ， 802.11b使用的 Coding技術是 CCK。 Coding技術增加資料的抗干擾性，若接收端漏掉一些 Bit ，還是有可能補回來。 802.11a 用的是 Convolutional Encoder 。

4.4.8　 Interleaving

　 Interleaving的功能與 Scrambler 類似，傳送與接收的線路相同。想像一個棋盤，先以垂直方式一行一行放滿，再以水平方式一列一列讀出。圖 4.29的上半即是此觀念，下半是線路示意圖。因為 Deep Fade 會對連續的小載波干擾，而 Coding技術很怕連續的 Bit Error ，故需用 Interleaving將連續的資料打散到不同的小載波。

4.4.9　 QAM Mapping

　若為 54Mbps則用 64-QAM星座圖則一次取 ( 前面傳來的 )6個 Bit ，下圖表示每 6個 Bit 所對映的 IQ位置。

補充： DSSS 使用的調變方法

802.11 DSSS 使用 DPSK(differential phase shift keying) 的調變技術

PSK 是指資料隱含在傳送訊號的相位變化 (phase change) 中

波形的絕對相位在 PSK 中並不重要， PSK 比較能容忍干擾，因為多數的干擾影響的是振幅，不是相位

DBPSK 的調變技術

使用 DBPSK 來表示字母M

DQPSK 的調變技術

使用 DQPSK 來表示字母M

PMD子層：　 FH PHY 使用的調變技術是 GFSK ，及利用載波的頻率變化來表示資料　用頻率的好處是受雜訊影響較小　

　用 2-level GFSK ：使用兩種不同的頻率來表示 0 和 1 ( 即一個符號承載一個位元的資料 )

　用 4-level GFSK ：使用 4 種不同的特定頻率來表示 00 ， 01 ， 10 和 11 ( 即一個符號承載二個位元的資料 )

　圖 4.33為美國 FCC 所開放的 UNII(Unlicensed National Information Infrastructure)5GHz 三段頻帶。其中低段頻帶只能用於室內故功率最低，中斷頻帶功率稍高故可用於室內或室外以與鄰居互通，高段頻帶則只能用在室外。 IEEE由於受 FCC管制，它將 802.11a設備的功率再限制到 FCC 的 80%。如 5.18 GHz 802.11a設備最大 EIRP功率為 160mW。

　圖 4.34 為 5GHz之各國頻道表，類似圖 4.16所示之 2.4GHz頻道表。美洲部分包括 UNII-1 與 UNII-2頻帶，由於 FCC 規定一台設備若同時支援 UNII-1 與 UNII-2，則必許符合 UNII-1 規矩。所以 Max Power 為 40mW「道德」標準。其中新加坡屬於 UNII-1 ，而台灣則只開放 UNII-2。由於 ITU在努力勸說各國開放一致的 UNII頻道，作者預測不出三年，整個 5.0到 6.0GHz應都會屬於 UNII頻帶！

在了解 OFDM封包在頻譜中的角色之後，我們可以進入封包之中觀看其架構，如圖 4.35。 802.11a 主要是定義 OFDM 所需的 PHY架構，分為上半的 PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) 與下半的 PMD(Physical Medium Dependent) 。簡單說 PLCP為封包的內容以及與 PMD 或 MAC 的溝通。圖中的 Preamble即為 12個長短訓練用 Symbol。 PSDU (Physical Layer Service Data Unit) 為傳送時 MAC層傳下來的資料，需要 OFDM PLCP以及 PMD 打包準備傳送。

4.4.12　未來的 3G 與 4G系統

除 802.11a外，歐洲的 HiperLAN2(High-Performance Radio LAN 2) 以及日本的 MMAC(Mobile Multimedia Access Communications) 都是採用 OFDM 技術。

目前的 3G系統均屬於 CDMA(Code-Division Multiple Access) 技術，但有一家行動通訊業者正慎重考慮用 OFDM建制它的 3G ，它是 Nextel。 4G 是否採用 OFDM 則眾說紛紜，主要是政治問題，若存就技術面當然就是 OFDM 。

4.5　 CDMA(Code Division Multiple Access) CDMA-2000主要推手是美國的 Qualcomm 公司， W-CDMA

為歐洲之 GSM 的 3G代表作。 CDMA-2000的標準 Brand Name 為 cdma2000，故本文之後將使用 cdma2000。圖4.36是各種 2G 技術如何升級到 cdma2000與 W-CDMA的方式，以及手機所需要相對提昇的 DSP(Digital Signal Processor)運算能力。

由圖 4.37可知全球手機成長之速度，約在今年已超過電話線之裝機數。而手機上網數目約在 2006 年會超過有線 (含 ADSL) 上網數目，所以 3G甚至是 Beyond 3G都有加速推行的必要。

日本 NTT Docomo 最早推出 UMTS(亦即 W-CDMA)服務，而韓國 SKT 最早推出 cdma2000服務，所以我國的亞太行動寬頻採用韓國 SKT的 cdma2000 系統，另四家我國3G業者 ( 中華電、聯邦電信、台灣大和遠傳 ) 則均使用 UMTS 系統。

4.5.1 　正交原理

CDMA(Code Division Multiple Access) 之意義，為每個使用者若搭配不同的 Code ，則這些信號彼此不會互相干擾。圖 4.38為 CDMA所用之 Walsh Code 是如何而來的。如此演譯下去則可得到很長的 Walsh Code 。一般 CDMA 系統所使用的 Code 都非常長。

　圖 4.40至圖 44 是一連串的分析，效果類似圖 4.39，只是所用的 Key較長。圖 4.40表示 A的資料被 Coding後成為 As。圖 4.41 表示 B 的資料被 Coding後成為 Bs，故分別被傳送之後形成 As+Bs，圖 4.42表示欲得回 A所傳送的資料，只需具備 A所用的 Coding Key。圖 4.43表示欲得回 B 所傳送的資料，只需具備 B 所用的 Coding Key。圖 4.44 表示若所用的 Key不對，則完全無法讀取資料。

4.5.2　 CDMA的特色

WARC92(World Administrative Radio Conference’92) 大會定義 1885~2025MHz 與 2110~2200MHz 之間共 230MHz 頻帶將被作為全球 IMT-2000的使用，。最後 ITU將這些計劃歸為五類。分別是：

　(1) CDMA-DS 　 (2) CDMA-MC　 (3) CDMA-TDD(Time Division Duplex) 或稱 TD-SCDMA

　　　　　(Time Division Synchronous CDMA)　 (4) TDMA-SC(TDMA-Single Carrier)，　 (5) FDMA/TDMA。

　如下圖， FDMA 系統如第一代行動通訊系統，每位使用者所使用的頻寬最窄。 TDMA如 GSM ，每位使用者所使用的頻寬較寬。而 CDMA 屬於展頻通訊，故所使用的頻寬最寬。

　圖 4.50為 ITU、各個 SDO、 3GPP、 3GPP2等組織之互動，於 1998 年，日本的 ARIB 與 Telecommunication Technology Committee(TTC) 、美國的 T1 與韓國的 Telecommunication Technology Association(TTA) 及中國的 China Wireless Telecommunication Standard　 (CWTS) 等六個 SDO組合成 3GPP。 3GPP 最早的目的是以 GSM 為網路核心，使用 W-CDMA FDD 及 TDD而發展UTRA(Universal Terrestrial Radio Access) ，之後又加入了 GPRS與 EDGE的發展。

4.6　各 Wi-Fi展頻系統之比較

　 WLAN所用到的 FHSS、 DSSS與 OFDM 三種展頻系統均有其優點與缺點。此節討論下述各種考慮點： (1) 窄頻干擾、 (2) 同地點使用、 (3) 價格、 (4) 設備相容及可取得性、 (5) 速度及 Throughput 、 (6) 安全性、 (7) 標準支援。

4.6.1 　窄頻干擾

　 FHSS的優點為克服窄頻干擾的性能較強。如場地的干擾較多，則 FHSS較適合。且若 FHSS能調整其 Dwell Time長短，則調整到較短之值更能對抗干擾。

4.6.2　價格

　在架設 WLAN 時， DSSS一般較 FHSS吸引人，尤其當價格很重要時。因為 Wi-Fi Alliance 造成 DSSS的廣為流行而使得其價格非常便宜。 FHSS 系統如 802.11價格一般則需要 US$100。而目前 (2003 年初 )802.11a一般為 802.11b價格之兩倍， 802.11g則應會居於中間。不過未來會以 Software Radio技術為基礎的網卡價格最便宜，它能同時支援 2.4GHz、 5GHz、 Bluetooth 、 WLAN甚至 1.9GHz CDMA。

4.6.3　同地點使用

　圖 4.52所示的 FHSS有兩種，一為同步系統，目前技術可使用 12台於同一地點。另一為非同步系統，亦即一般 802.11 FHSS 系統，可使用 15台於同一地點。而在作同地點運用時，除非只有 FHSS 系統存在。否則不要將 FHSS混合在 DSSS 或 OFDM系統之中。而 DSSS與 OFDM 之間則無此顧慮。

4.6.4 　設備相容性與取得性

Wi-Fi Alliance只對 802.11b、 802.11a 與 802.11g(802.11bag)設備做相容性測試。 Wi-Fi Alliance 所創造之 Logo為 Wi-Fi，通過測試的設備稱為「 Wi-Fi相容」設備，而允許廠商將 Wi-Fi Logo放在產品包裝盒上。但以使用普及度而言， 802.11b 遠優於 802.11a 。目前 802.11g 標準已通過，有可能在一年內 802.11g會超過 802.11b而成為首要選擇。

4.6.5　傳輸速度與實際頻寬

當無線封包被傳送出去，各封包之間會有間隔。 FHSS 系統的 IFS(Interframe Space) 較 DSSS 系統為長，造成之負擔更大，故Throughput會更低。此外由於FHSS在變換頻道之時，無法傳送資料，這造成更多負擔，雖然這只佔一小部分。某些無線系統的第 1層使用私有的 Protocol以增加 Throughput ，可讓 Throughput 達到傳輸速度的 80%，但是相容性則被犧牲。

　 802.11g讓 DSSS與 OFDM得以並存，但由於 DSSS與 OFDM 是不同的。故一台 802.11g的 AP在與各個 Client 通訊時，只要有 DSSS Client存在，總 Throughput 會顯著被影響。故最好是大家都是用 OFDM作傳輸。

4.6.6　安全性

　一般認為 FHSS較安全，這是錯誤的。第一個錯誤是因為 FHSS 系統比較少，第二是每個 FHSS廠商均使用由 IEEE 或 WLIF 所定義之標準跳躍順序。此兩個因素使得破解 FHSS也相當容易。

　另一個發現跳躍順序的方法是每個 Beacon 都會廣播它。而且 AP 本身的 MAC 位址也存在於 Beacon 之中 (6個 Byte 的 MAC 位址中，前 3個 Byte 表示廠牌 ) 。某些廠牌允許管理者自行定義跳躍順序，這方法並不能改進安全性，因為使用頻譜分析儀，甚至筆記電腦都能在幾秒內發現跳躍順序。

4.6.7　標準支援

　如前述， DSSS因為低價、高速、 Wi-Fi 互通性測試及其他許多因素而非常普及。而且最早的 WECA組織只針對 802.11b 作測試故造成 802.11b 打敗 HomeRF 而使 WLAN以驚人速度成長。目前 Wi-Fi已開始對 802.11a作測試。 Wi-Fi Alliance 對 802.11b 及 802.11a 的互通性測試分別確保 2.4GHz ISM 與 5GHz UNII 系統各自的互通性。較新的 FHSS 標準如 HomeRF 2.0已失敗。 802.15 WPAN由於功率太低而企業不願採用

4.7　結論

　 WLAN所使用的展頻技術之演進非常的快， 1997的 802.11 用到 2.4GHz 1 與 2Mbps的 FHSS與 DSSS， 1999的802.11b 用到 2.4GHz 11Mbps 的 DSSS 及 5GHz 54Mbps的 OFDM 。 2003 年 6 月通過了 802.11g的 2.4GHz 54Mbps OFDM 。即將成立的 802.11n Task Group 可能在 2006 年將速度再提升到 100至 300Mbps水準。屆時 802.15 WPAN 及 802.16 WMAN可能變的不具意義，而只要有802.11n 則可。