擴頻看似是浪費帶寬，但它增加了頻道容量,保護了數(shù)據(jù)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(zhuǎn)到另一個子頻道，從而改變發(fā)射頻率。它能解決遠(yuǎn)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(fā)射。結(jié)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(yán)格的要求，才能用做DSSS的PN碼。

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

5.每種異步數(shù)字通信都要求接收機與發(fā)射機同步。擴頻系統(tǒng)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(dāng)時出現(xiàn)了跨越美國大陸的第一次無線語音傳輸，之后得到快速發(fā)展，1920年出現(xiàn)了首個商業(yè)無線電廣播，1921年第一次使用警車無線調(diào)度，而1935年則實現(xiàn)了第一個全球性電話呼叫。無線技術(shù)的商業(yè)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(zhì)量的負(fù)面作用，促成了通過發(fā)放頻段許可證來管制流量的方法。不過，即使有了法規(guī)，仍然需要更多的技術(shù)進步來抑制干擾。

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

擴頻技術(shù)就是這類改進技術(shù)中的一種。擴頻概念出現(xiàn)于40年代初，在80年代得到普及，因為軍隊將其用于數(shù)據(jù)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(fā)送信息所需要的最小帶寬。采用擴頻技術(shù)時，一個窄帶頻率(fm)內(nèi)包含的信息被轉(zhuǎn)換(或擴展)到一個較寬的頻帶(fs)，然后再做傳輸(圖1)。這種轉(zhuǎn)換不會顯著地增加需要的總功率，因為傳輸?shù)臅r長保持不變，改變的只是頻率。

擴頻的實現(xiàn)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(xié)議都在物理層上采用了擴頻技術(shù)，例如藍(lán)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(guān)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(shù)；B是頻道帶寬；而S/N是信噪比。

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

但其關(guān)系卻是非線性的。

對于一個有固定信噪比需求的系統(tǒng)，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(shù)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(yōu)點：

(1)抗干擾。干擾機也是無線發(fā)射機，它會向某個特定頻道持續(xù)發(fā)射大功率信號。收到這個功率信號的其它設(shè)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(shù)后，只有一小部分信號丟失。

(2)抗衰減。在無線系統(tǒng)中，每次傳輸?shù)男盘柌豢赡芏甲呦嗤窂?。在信號真正到達(dá)接收機以前，它會面臨多次反射(或折射)。

這些反射會產(chǎn)生多個波陣面，它們相互間會產(chǎn)生有益或有害的干擾。干擾會在所接收信號中產(chǎn)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(tǒng)的實際環(huán)境，其模型為一種隨機現(xiàn)象。但衰減已被認(rèn)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(fā)射頻率(圖2)。如從時間平均角度看，F(xiàn)HSS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(yù)定的序列。因此，每臺接收機都必須知道相應(yīng)發(fā)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(yuǎn)近干擾” 問題，這是發(fā)射機靠近目標(biāo)接收機時所造成的干擾。不采用FHSS時，附近的外來發(fā)射機會產(chǎn)生一個大的功率電平，在接收機上表現(xiàn)為高電平的噪聲， 如果恰在該頻道內(nèi)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(tǒng)工作在次優(yōu)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(fā)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(tǒng)的有效數(shù)據(jù)速率。對于RP的物理信號速率，有效數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(dāng)?shù)募m錯方法，通過冗余位的處理而恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。

采用PN碼后，DSSS接收機能“調(diào)準(zhǔn)”(tune in)到相關(guān)的發(fā)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(fā)射能量聚集在一個子頻帶內(nèi)，而DSSS 的能量分布則是均勻的。DSSS系統(tǒng)會在一組頻率上同時發(fā)射。因此，其工作范圍覆蓋了較寬的頻段。這種均勻性使得遠(yuǎn)近問題對DSSS更為關(guān)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(yán)格的要求，才能用作一個PN碼。

基于DSSS的系統(tǒng)在發(fā)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(fā)射期間，各種噪聲和干擾都會影響到帶寬。要正常通信，相應(yīng)的接收機就必須僅恢復(fù)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(guān)器(correlator)，這是一種特殊類型的匹配濾波器，它只響應(yīng)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(guān)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(guān)器的輸出將不會達(dá)到峰值，但也不會是最小值。給相關(guān)器輸出施加一個適當(dāng)?shù)臉O限閾值，接收機就會獲得關(guān)于失配的大致程度。據(jù)此，接收機可以做出智能判斷，即收到的序列是否對應(yīng)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(tǒng)性能來說，PN碼的選擇是關(guān)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(guān)，以及最低互相關(guān)。

高處理增益。處理增益是一個理論上的系統(tǒng)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(yōu)勢。按式(4)的數(shù)學(xué)表達(dá)，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(yīng)的處理增益為10。
通常，PN碼應(yīng)為系統(tǒng)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(tǒng)對噪聲有更高的容忍性。第二個原因是系統(tǒng)容量。根據(jù)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(tǒng)也有更大的容量，因為這類系統(tǒng)的傳輸需要更高的帶寬。

最低自相關(guān)。自相關(guān)是一個信號與其時移版信號的相似程度。式(5)以數(shù)學(xué)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(guān)，n是PN碼的長度，而τ是PN(n)時移的延時因數(shù)。

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

要正確地譯碼，收到的信號應(yīng)該與PN碼保持相位同步。接收機是依據(jù)相關(guān)器的輸出來維持同步。自相關(guān)應(yīng)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(guān)應(yīng)為最低。

最低自相關(guān)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(yīng)所最低互相關(guān)。

互相關(guān)類似于自相關(guān)，但量度的是兩個獨立信號之間的相似性，數(shù)據(jù)表達(dá)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(guān)；n是PN碼的長度，而τ是延時因數(shù)。

互相關(guān)亦稱為滑動點積(sliding-dot product)。如果兩個PN序列之間的互相關(guān)高，則接收機將無法區(qū)分出它們的譯碼信號，因為相關(guān)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(jù)上風(fēng)。為盡量減少其它DSSS源的干擾，理想情況下，不同的PN碼應(yīng)是正交的，即，它們應(yīng)該表現(xiàn)為零互相關(guān)。

因為PN碼不會真正正交，因此要選擇最小可能的互相關(guān)，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(tǒng)的有效數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)，而黃金碼則有低的互相關(guān)特性。

選擇PN碼的一種常見方法是：從這些標(biāo)準(zhǔn)碼中選擇出一些序列，并根據(jù)需要的特性，對它們做分別評估(一般只做自相關(guān)和互相關(guān))。按照評估結(jié)果與應(yīng)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(fā)射機及相應(yīng)接收機之間建立同步。每個異步數(shù)字通信都要求接收機采用一種與發(fā)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(zhì)上都是異步的，因此擴頻系統(tǒng)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(xì)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(guān)器輸出小于一個最低閾值，則它會將收到的序列當(dāng)作背景噪聲而丟棄。由于一個PN碼的自相關(guān)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(guān)器輸出非常低(理想狀態(tài)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(xiàn)了DSSS中的信號擴展，發(fā)射機的載波頻率保持不變，因此不需要發(fā)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(guān)度。接收機采用“串行”或“并行”搜索方法，就可以找到一個相關(guān)度超出某個預(yù)設(shè)閾值的相位。

用串行搜索時，一個監(jiān)控電路會不斷檢查相關(guān)器的輸出。如果輸出未達(dá)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(fù)，直到相關(guān)器輸出達(dá)到閾值時，采樣結(jié)束。這一結(jié)構(gòu)形成了一個反饋回路，被稱為滑動相關(guān)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(shè)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(fù)雜性。當(dāng)相關(guān)器數(shù)量等于PN碼中的碼片數(shù)量時，采用并行策略的采樣時間最短。

采樣過程只能實現(xiàn)一種粗略的同步。這一階段結(jié)束時獲得的同步程度在±TC/2 內(nèi)，其中TC是碼片持續(xù)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(xiàn)精細(xì)同步。通常采用的是延遲鎖相環(huán)(DLL)(圖7)。DLL產(chǎn)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(guān)器輸出與采用提前P N碼的相關(guān)器輸出做持續(xù)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(tài)地調(diào)節(jié)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(zhǔn)。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(fā)射機在不斷地改變中心頻率，接收機與相應(yīng)發(fā)射機應(yīng)處于相同的頻道內(nèi)。另外還有一個關(guān)鍵要求，即發(fā)射機與接收機兩者在某個頻道內(nèi)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(fā)射機的同步。

FHSS的采樣

跳頻系統(tǒng)中的采樣就是頻率同步，其目的是使接收機與發(fā)射機處于相同頻道內(nèi)。最簡單的方法是一個專門的采樣頻道，其中，發(fā)射機與接收機都必須只在專門頻道中發(fā)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(chǎn)生通信。

另一種方案是在上電時開始跳頻。發(fā)射機的跳頻速率應(yīng)快于接收機，以確保設(shè)備在同一個頻道上結(jié)束。

FHSS的跟蹤

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

系統(tǒng)性能

DSSS與FHSS的同步過程都需要某個延遲量。因此，大多數(shù)協(xié)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(shù)據(jù)包以前，先同步好接收機與發(fā)射機。