擴(kuò)頻做到了！高抗干擾、低截獲率、多址通信！

擴(kuò)頻通信（SSC，Spread Spectrum Communication，擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)），通過(guò)增加信號(hào)帶寬降低信噪比，提高抗干擾容限。其傳輸信息所用信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)大于信息本身的帶寬。與傳統(tǒng)窄帶通信相比，擴(kuò)頻通信具備許多優(yōu)點(diǎn)：多址能力、低截獲率、抗干擾能力強(qiáng)以及時(shí)間分辨率高等，被廣泛應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)通信中。具有代表性的擴(kuò)頻方式主要有兩種：直接序列擴(kuò)頻與跳頻擴(kuò)頻。如果在數(shù)據(jù)上直接加入偽隨機(jī)序列碼，可得到直序擴(kuò)頻（DSSS）；如果偽隨機(jī)碼作用在載波頻率上，則得到跳頻擴(kuò)頻（FHSS）。也可以綜合形成DSSS + FHSS混合擴(kuò)頻技術(shù)。

DSSS

直序擴(kuò)頻

什么是DSSS？——直接序列擴(kuò)頻（DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum）工作方式，簡(jiǎn)稱(chēng)直擴(kuò)方式（DS方式），是目前應(yīng)用較廣的一種擴(kuò)頻方式。就是用高速率的擴(kuò)頻序列在發(fā)射端擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，而在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展開(kāi)的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原來(lái)的信號(hào)。比如LoRa技術(shù)就是一種基于直序擴(kuò)頻的調(diào)制方式。DSSS代表直接序列擴(kuò)頻，信息位是由PN碼（芯片）調(diào)制。PN碼是偽噪聲碼符號(hào)。與信息位相比，此 PN 代碼的持續(xù)時(shí)間較短。與用戶(hù)相比，這里通過(guò)空中傳輸?shù)男畔⒄加酶嗟膸捫畔⑽?。DSSS是基于IEEE802.11的 WLAN 兼容產(chǎn)品中采用的調(diào)制技術(shù)。在DSSS系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)帶寬始終可供每個(gè)用戶(hù)使用。

DSSS發(fā)射器與DSSS接收器框圖

PRS代表偽隨機(jī)序列

直序擴(kuò)頻特點(diǎn)：（1）抗衰落。直序擴(kuò)頻的帶寬很寬，由于傳輸引起的部分頻譜的衰落而引起的變化不會(huì)使信號(hào)頻譜發(fā)生嚴(yán)重衰落。（2）抗多路徑干擾。擴(kuò)頻系統(tǒng)中的PN碼通常具有很好的自相關(guān)特性，很容易將不同路徑的反射信號(hào)分離開(kāi)，經(jīng)處理后在時(shí)間和相位上重新對(duì)齊，形成幾路疊加，大幅度的改善系統(tǒng)的性能。（3）抗截獲能力強(qiáng)。信號(hào)經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻后，隨著頻譜的展開(kāi)，其功率譜密度下降，甚至可以淹沒(méi)在噪聲中，信號(hào)也很難會(huì)被不同PN碼的接收端解析得到。（4）易實(shí)現(xiàn)多址通信。

FHSS

跳頻擴(kuò)頻

什么是FHSS？——跳頻擴(kuò)頻（FHSS，F(xiàn)requency Hopping Spread Spectrum）技術(shù)是在無(wú)線(xiàn)電傳輸過(guò)程中對(duì)載波頻率進(jìn)行重復(fù)切換，以減少干擾并避免攔截。在跳頻擴(kuò)頻中，帶寬頻譜的廣切部分被劃分為許多可能的廣播頻率，供傳輸信號(hào)使用。跳頻擴(kuò)頻數(shù)字無(wú)線(xiàn)電傳輸方法，其中無(wú)線(xiàn)電信號(hào)在較窄的頻譜范圍內(nèi)傳播，信號(hào)以偽隨機(jī)順序跳到其他窄范圍，所有這些都在定義的總體范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)比DSSS更好的抗噪性，比DSSS更大的范圍和固有的信號(hào)安全性。FHSS代表跳頻擴(kuò)頻，RF載波頻率根據(jù)偽隨機(jī)序列（PRS或PN序列）變化。發(fā)射器和接收器都知道該P(yáng)N序列，因此有助于解調(diào)/解碼信息。在一個(gè)芯片持續(xù)時(shí)間內(nèi)，RF頻率不會(huì)改變。基于這一事實(shí)，有兩種類(lèi)型的FHSS，快速跳躍FHSS和慢跳FHSS。在快速跳躍的FHSS中，跳躍的速率快于消息（信息）比特率。在慢速跳躍的FHSS中，跳頻以比信息比特率慢的速率完成。

FHSS發(fā)射器與DSSS接收器框圖

跳頻擴(kuò)頻特點(diǎn)：（1）抗干擾。采用離散的頻點(diǎn)進(jìn)行通信，即使某一段頻點(diǎn)受到干擾，其他頻點(diǎn)也可以正常保持通信。（2）兼容性強(qiáng)。頻點(diǎn)數(shù)量多，可以在任意一個(gè)頻點(diǎn)和其他設(shè)備完成通信。（3）易實(shí)現(xiàn)多址通信。

DSSS與FHSS

區(qū)別對(duì)比

由于FHSS系統(tǒng)依賴(lài)于不同的RF載波頻率，因此主要由于頻率選擇性衰落而導(dǎo)致誤差突發(fā)。錯(cuò)誤率：在DSSS中，信息位分布在頻率和時(shí)間平面上，因此最大限度地減少了干擾和衰落的影響。因此，DSSS系統(tǒng)容易出錯(cuò)，但與FHSS系統(tǒng)相比處于較低水平。FHSS會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的突發(fā)錯(cuò)誤。盡管這兩種技術(shù)都存在錯(cuò)誤，但可以看出FHSS中的錯(cuò)誤率高于DSSS系統(tǒng)。每當(dāng)任何設(shè)備在通道之間跳躍時(shí)接近阻塞頻率時(shí)，F(xiàn)HSS系統(tǒng)的帶寬就會(huì)下降。與DSSS相比，F(xiàn)HSS的解碼過(guò)程更容易。DSSS中需要特定的算法來(lái)建立發(fā)送方和接收方之間的連接。網(wǎng)絡(luò)容量：DSSS的傳輸速率高于FHSS，DSSS提供高達(dá)22 Mbps的容量，而FHSS支持高達(dá)3 Mbps的容量。可靠性：DSSS比FHSS系統(tǒng)更可靠，F(xiàn)HSS在應(yīng)用中的可靠性較低。但對(duì)于移動(dòng)應(yīng)用FHSS更節(jié)能。采集時(shí)間：即將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)所需的時(shí)間，在DSSS系統(tǒng)中比在FHSS系統(tǒng)中更多。使用成本：DSSS比FHSS成本更高。在較低的Mbps（如2 Mbps）下，F(xiàn)HSS的成本較低，但通常，無(wú)線(xiàn)電信號(hào)以較高的Mbps使用，DSSS將比FHSS便宜。應(yīng)用場(chǎng)景：在惡劣的環(huán)境中，包括大覆蓋范圍，噪音，多路徑和藍(lán)牙頻率波等的存在，DSSS是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用的理想選擇，而FHSS可用于具有出色性能的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)部署。另外，還有一種時(shí)間跳變擴(kuò)頻技術(shù)（THSS），利用偽隨機(jī)序列控制發(fā)射信號(hào)的開(kāi)或關(guān)。這也是一種線(xiàn)性調(diào)頻脈沖技術(shù)，即在一個(gè)周期內(nèi)線(xiàn)性?huà)呙栎d頻。不過(guò)該項(xiàng)技術(shù)到目前為止沒(méi)有大的突破。

時(shí)間跳變擴(kuò)頻（THSS）

擴(kuò)頻通信具備的許多優(yōu)良特性是窄帶通信難以替代的，在手機(jī)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信、藍(lán)牙、Wi-Fi等諸多領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。