擴頻看似是浪費帶寬，但它增加了頻道容量,保護了數據安全，并能免除信號的擁堵與衰減。

提示

1.跳頻擴頻法是從一個子頻道轉到另一個子頻道，從而改變發射頻率。它能解決遠近干擾問題。

2.直接序列擴頻是將一個消息的每個信號位都乘以一個位序列，再做發射。結果信號被分布在較寬的頻段上。

3.DSSS中的PN碼與FHSS中的跳頻序列都能防止被竊聽，不過一個序列必須滿足更嚴格的要求，才能用做DSSS的PN碼。

4.對DSSS系統性能而言，PN碼的選擇是關鍵，它必須有高的處理增益、最低自相關以及最低互相關。

5.每種異步數字通信都要求接收機與發射機同步。擴頻系統必須為DSSS同步PN碼，為FHSS同步跳頻模式。

無線通信起源于1915年，當時出現了跨越美國大陸的第一次無線語音傳輸，之后得到快速發展，1920年出現了首個商業無線電廣播，1921年第一次使用警車無線調度，而1935年則實現了第一個全球性電話呼叫。無線技術的商業化帶來了全球性的無線電大爆炸，但早期由于缺乏對頻段的使用限制，無線電頻道嘈雜不堪，流量亦無法管理。

這種對通信質量的負面作用，促成了通過發放頻段許可證來管制流量的方法。不過，即使有了法規，仍然需要更多的技術進步來抑制干擾。

此外，可能并非每個頻段都實現了許可，因為對于短距離應用來說，頻段的重新利用也很重要。例如，當某個頻道被用于某建筑內的通信時，就不應禁止用于某個不同的物理位置，否則這種限制會導致頻譜的低效使用，因為這類系統永遠不會產生相互干擾。但是，由于一個免許可頻帶內可以有任意數量的用戶，因此增強抗干擾能力就顯得尤為重要。

擴頻技術就是這類改進技術中的一種。擴頻概念出現于40年代初，在80年代得到普及，因為軍隊將其用于數據安全保密，并且它天生具有對信號擁堵的抑制能力。

擴頻是一種傳輸方法，此時信號占用的帶寬超過了發送信息所需要的最小帶寬。采用擴頻技術時，一個窄帶頻率(fm)內包含的信息被轉換(或擴展)到一個較寬的頻帶(fs)，然后再做傳輸(圖1)。這種轉換不會顯著地增加需要的總功率，因為傳輸的時長保持不變，改變的只是頻率。

擴頻的實現方法有兩種： 跳頻擴頻(FHSS) ， 以及直接序列擴頻(DSSS)。很多無線通信協議都在物理層上采用了擴頻技術，例如藍牙。
為什么要擴頻？

雖然擴頻看似會“ 浪費”帶寬，但它實際上是增加了頻道的容量。Shannon-Hartley理論給出了頻道容量與頻道帶寬之間的關系式式(1)：

式中，C是頻道容量，或可以同時使用頻道的最大用戶數；B是頻道帶寬；而S/N是信噪比。

合理的假設是，(式1)中頻道容量與帶寬的比率與所需要的系統信噪比成正比式(2)：

但其關系卻是非線性的。

對于一個有固定信噪比需求的系統，增加頻道容量的唯一方式是提高頻道帶寬。因此，增加潛在用戶的數量就可以補償帶寬的浪費。將一個信號分配到較大頻帶上還有以下優點：

(1)抗干擾。干擾機也是無線發射機，它會向某個特定頻道持續發射大功率信號。收到這個功率信號的其它設備的噪聲水平提高，從而無法使用這個頻道。如果頻道中有通信，整個消息信號就會丟失。而采用了擴頻技術后，只有一小部分信號丟失。

(2)抗衰減。在無線系統中，每次傳輸的信號不可能都走相同路徑。在信號真正到達接收機以前，它會面臨多次反射(或折射)。

這些反射會產生多個波陣面，它們相互間會產生有益或有害的干擾。干擾會在所接收信號中產生失真或降低信號強度(衰減)。如果衰減足夠大，

接收信號強度(RSS)水平降到了所需最低閾值以下，則接收機就不能成功地譯碼信號。

由于衰減取決于系統的實際環境，其模型為一種隨機現象。但衰減已被認為僅對特定頻率有主要影響。因此，擴頻就提供了一種抑制衰減的措施， 因為衰減只影響到一小部分信號。

FHSS工作原理

跳頻擴頻方法是以固定的時間間隔，從一個子頻道跳到另一個子頻道，從而改變發射頻率(圖2)。如從時間平均角度看，FHSS需要高得多的帶寬，不過其即時帶寬等同于原消息信號的帶寬。

在子頻道之間的跳躍是按照預定的序列。因此，每臺接收機都必須知道相應發射機所使用的跳頻序列，這樣才能保持同步。這個序列可防止竊聽，因為不知道跳頻序列，接收機就無法成功地譯碼出消息信號。

FHSS 可抑制“ 遠近干擾” 問題，這是發射機靠近目標接收機時所造成的干擾。不采用FHSS時，附近的外來發射機會產生一個大的功率電平，在接收機上表現為高電平的噪聲， 如果恰在該頻道內通信， 則會使接收機致盲， 通信中斷。有了FHSS，接收帶寬更大了。因此，即使是在最差的情況下，也只能阻擋掉一部分跳頻，迫使系統工作在次優的情況下。
DSSS工作原理

直接序列擴頻是將一個消息信號的每一位都乘以一個碼序列， 然后再發射。這樣，信號就分布在一個較寬的頻率范圍上，因為碼片序列(亦稱偽噪聲碼，PN碼)包含了多個頻率成分。這里用的乘法是一種邏輯XOR運算，它將每個位分割成k個碼片，k是PN碼的長度(圖3)。

由于PN碼為每個傳輸位都增加了一個冗余位模式，因此擴頻直接影響到了系統的有效數據速率。對于RP的物理信號速率，有效數據速率RE將按式(3)給出：

由于提高了信號的抗干擾能力，從而補償了下降的數據速率。如果模式中一個或多個位在傳輸中損壞，也可以用適當的糾錯方法，通過冗余位的處理而恢復原始數據。

采用PN碼后，DSSS接收機能“調準”(tune in)到相關的發射機，而將其它信號看作噪聲。這種選擇性衰減提高了信號的抗干擾能力，降低了所需的最低信噪比。

FHSS 是在某個特定時間， 將發射能量聚集在一個子頻帶內，而DSSS 的能量分布則是均勻的。DSSS系統會在一組頻率上同時發射。因此，其工作范圍覆蓋了較寬的頻段。這種均勻性使得遠近問題對DSSS更為關鍵。

DSSS中的PN碼提供了防竊聽的安全性，這類似于FHSS的跳頻，但在DSSS中，一個序列必須滿足更嚴格的要求，才能用作一個PN碼。

基于DSSS的系統在發射機端使用PN碼序列，將窄帶的信息承載信號擴充為一個寬帶信號。在發射期間，各種噪聲和干擾都會影響到帶寬。要正常通信，相應的接收機就必須僅恢復那些所需要的編碼信息，而排除掉所有其它信號。因此，每臺接收機都要使用一個相關器(correlator)，這是一種特殊類型的匹配濾波器，它只響應于用某種PN碼編碼的信號(圖4)。圖中顯示的DSSS接收機解釋了與PN碼相關的概念。

糾錯

要了解PN碼在糾錯中的角色，考慮這樣一種情況，接收到的序列和PN碼之間只有一個碼片不同。由于失配的程度低，相關器的輸出將不會達到峰值，但也不會是最小值。給相關器輸出施加一個適當的極限閾值，接收機就會獲得關于失配的大致程度。據此，接收機可以做出智能判斷，即收到的序列是否對應于所需要的PN碼。于是，PN碼就提供了對碼片損壞的糾錯功能。

PN碼的特性

對于一個DSSS系統性能來說，PN碼的選擇是關鍵。PN碼必須具備某些需要的特性，包括高處理增益、最低自相關，以及最低互相關。

高處理增益。處理增益是一個理論上的系統增益，它反映出了擴頻在頻道容量與抑制干擾方面的相對優勢。按式(4)的數學表達，它是跳頻頻率(fc)與輸入信號頻率(f4)之比：

因此，如果一個10kHz信號被分布在一個100kHz頻帶上，則相應的處理增益為10。
通常，PN碼應為系統增加一個高的處理增益，原因有二。首先是抑制噪聲：較高的處理增益意味著輸入信號被分布在一個較寬的頻帶上，它需要采用更長的PN碼。這類系統對噪聲有更高的容忍性。第二個原因是系統容量。根據Shannon-Harley定律(式(1))，頻道容量與頻道帶寬成正比。較高處理增益的系統也有更大的容量，因為這類系統的傳輸需要更高的帶寬。

最低自相關。自相關是一個信號與其時移版信號的相似程度。式(5)以數學方式表示了這個概念：

其中， PN(n)是偽噪聲序列，RAUTO是序列PN(n)的自相關，n是PN碼的長度，而τ是PN(n)時移的延時因數。

信號的時移是非線性的；自相關的計算采用循環時移方法。自相關是延時(τ)的一個函數。

要正確地譯碼，收到的信號應該與PN碼保持相位同步。接收機是依據相關器的輸出來維持同步。自相關應有一個高的峰值最大值(圖5)，才能有完美的同步；就是說，τ=0、N、2N等等。否則，接收機就有很大的概率錯誤地鎖相到收到的序列上。如兩個波形要有最小的失配，則自相關應為最低。

最低自相關亦增強了對多徑干擾的抑制能力。一旦接收機被鎖相到接收信號上，它就不會主動地去響應所最低互相關。

互相關類似于自相關，但量度的是兩個獨立信號之間的相似性，數據表達式見式(6)：

其中， PNi(n)是一個偽噪聲序列；PNj(n)是另一個偽噪聲序列，且與PNi(n)完全獨立；RCROSS是序列PNi(n)與PNj(n)的互相關；n是PN碼的長度，而τ是延時因數。

互相關亦稱為滑動點積(sliding-dot product)。如果兩個PN序列之間的互相關高，則接收機將無法區分出它們的譯碼信號，因為相關器對兩個信號都有足夠高的輸出。這樣，接收機就可能失去“選擇性衰減”能力，從而使干擾作用占據上風。為盡量減少其它DSSS源的干擾，理想情況下，不同的PN碼應是正交的，即，它們應該表現為零互相關。

因為PN碼不會真正正交，因此要選擇最小可能的互相關，以減少其作用。

PN碼的選擇

通常， 較好的方法是選擇能提供高處理增益的PN碼，但較高增益也需要更大的帶寬。較高增益還有另一個缺點，那就是一般需要長的PN碼，這會直接影響系統的有效數據速率。另外，要確定一個長序列的PN碼資格，也相對困難些，因為這些特性的評估有著更高的處理開銷。由于這些因素，選擇一個合適的PN碼是一個冗長乏味的工作。

為簡化這個過程，可選擇一些標準碼作為候選的PN碼，例如黃金碼(Gold code)、m序列，以及威爾士碼(Walsh code)。這些碼都已具備了需要的特性，例如，m序列有低的自相關，而黃金碼則有低的互相關特性。

選擇PN碼的一種常見方法是：從這些標準碼中選擇出一些序列，并根據需要的特性，對它們做分別評估(一般只做自相關和互相關)。按照評估結果與應用需求，對這些序列打分排名，然后用排名來決定某個序列是否適合用做PN碼。

一旦選定了合適的擴頻方法以及擴頻序列，下一個重要步驟就是在發射機及相應接收機之間建立同步。每個異步數字通信都要求接收機采用一種與發射機同步的機制；否則，接收機就不可能譯碼收到的信號。兩種擴頻方法本質上都是異步的，因此擴頻系統必須對DSSS同步PN碼，而對FHSS則是同步跳頻模式。

同步的建立分兩個階段：采樣與跟蹤。在采樣階段，接收機對收到信號做檢測，看它是否來自需要的源。在跟蹤階段，接收機做精細同步，采用某種鎖定機制，跟蹤所接收信號的相位、頻率(或兩者同時跟蹤)。

DSSS的同步

采用DSSS時，如果相關器輸出小于一個最低閾值，則它會將收到的序列當作背景噪聲而丟棄。由于一個PN碼的自相關為最小，因此，如果收到的序列與本地生成PN碼之間沒有相位同步，則相關器輸出非常低(理想狀態為0)。如未采取具體的同步措施，接收機就不可能可靠地譯碼收到的信號。

由于PN碼實現了DSSS中的信號擴展，發射機的載波頻率保持不變，因此不需要發射機與接收機之間的頻率同步。

DSSS的采樣

為獲得完美同步，接收到序列與本地生成序列之間有一個峰值最大相關度。接收機采用“串行”或“并行”搜索方法，就可以找到一個相關度超出某個預設閾值的相位。

用串行搜索時，一個監控電路會不斷檢查相關器的輸出。如果輸出未達到某個閾值，則搜索控制塊便移動所生成PN碼的相位(圖6)。這個過程不斷重復，直到相關器輸出達到閾值時，采樣結束。這一結構形成了一個反饋回路，被稱為滑動相關器。

串行搜索可能有一個缺點，那就是采樣時間長。因此，有些設計會使用并行搜索。

并行搜索策略與串行搜索基本相同，但縮短了采樣時間，因為它能同時做多個相位比較，不過付出的代價是提高了對硬件資源的要求，增加了復雜性。當相關器數量等于PN碼中的碼片數量時，采用并行策略的采樣時間最短。

采樣過程只能實現一種粗略的同步。這一階段結束時獲得的同步程度在±TC/2 內，其中TC是碼片持續時間。

DSSS的跟蹤

一旦采樣完成， 接收機就開始跟蹤所收到序列的相位，以實現精細同步。通常采用的是延遲鎖相環(DLL)(圖7)。DLL產生PN碼的三個相位(或三個版本)，分別是：延時相位、提前相位和精確相位，并對采用延時PN碼的相關器輸出與采用提前P N碼的相關器輸出做持續比較。這種比較提供了對所收到信號相移方向的一種量度。通過這個量度值，就可以動態地調節精確版PN碼的相位。

精確相位的PN碼在整個接收過程中都保持精準。這個版本的PN碼被用于對所接收信號的實際解擴(圖7)。

FHSS的同步

采用FHSS時，由于發射機在不斷地改變中心頻率，接收機與相應發射機應處于相同的頻道內。另外還有一個關鍵要求，即發射機與接收機兩者在某個頻道內花費的時間要完全相同；否則，接收機可能過早地跳到另一個頻道，而失去與發射機的同步。

FHSS的采樣

跳頻系統中的采樣就是頻率同步，其目的是使接收機與發射機處于相同頻道內。最簡單的方法是一個專門的采樣頻道，其中，發射機與接收機都必須只在專門頻道中發起通信，并等待采樣的完成。如果由于噪聲緣故，專門頻道堵塞，則不會產生通信。

另一種方案是在上電時開始跳頻。發射機的跳頻速率應快于接收機，以確保設備在同一個頻道上結束。

FHSS的跟蹤

采樣后， 接收機應能夠跟蹤上發射機。發射機與接收機均應在同一頻道內停留相同時間，在該周期結束后再跳轉到同一個新頻道上。FHSS中時序同步的實現要比DSSS簡單，因為兩邊設備的跳頻速率是固定的。對于下一個頻道的確定，兩邊設備要有一個預裝入的查找表，其中包含可用的頻道號。

系統性能

DSSS與FHSS的同步過程都需要某個延遲量。因此，大多數協議都有一個用于同步脈沖的附加報頭，這樣就能在實際傳輸有意義信息的數據包以前，先同步好接收機與發射機。