扩展频谱技术,简称扩频技术，是一种将信号的频谱扩展到远大于原始信号所需带宽的通信技术，其核心思想是：用伪随机码对原始信号进行调制，使信号的能量分散在一个非常宽的频带上。
这样做的主要目的有三个：
- 抗干扰：将信号能量“隐藏”在噪声中，即使部分频带被干扰，信号仍能通过相关检测恢复。
- 保密性：不了解伪随机码的接收方无法解调出原始信号。
- 多址接入：允许多个用户使用不同的伪随机码在同一频段上同时通信，互不干扰（如CDMA）。
扩频技术主要有以下几种基本方式,其中最核心和应用最广泛的是直接序列扩频和跳频扩频。
直接序列扩频
这是最常见、最经典的扩频方式。
工作原理
DSSS的核心在于用一个高速率的伪随机码，也称为扩频码或码序列，去直接调制要发送的数据信号。
-
过程：
- 数据信号：原始的基带数据信号（如“1”和“0”），其码元宽度为
T_b，带宽为B_b。 - 扩频码：一个速率远高于数据码元的伪随机码序列（如“+1, -1, +1, -1, -1, +1...”），其码片宽度为
T_c，且T_c << T_b，扩频码的速率（码片速率）决定了扩频后的带宽。 - 调制：通常使用相移键控进行调制，数据“1”用扩频码的极性（+1）表示，数据“0”用扩频码的反极性（-1）表示，如果数据“1”对应发送扩频码本身，数据“0”对应发送扩频码的反码，这个过程就叫做模2加。
- 结果：经过扩频后，信号的能量被分散到了一个很宽的频带上（带宽约等于码片速率
R_c），而原始数据信息的速率R_b保持不变，扩频后的带宽B_ss远大于原始带宽B_b。
- 数据信号：原始的基带数据信号（如“1”和“0”），其码元宽度为
-
扩频因子：衡量扩频程度的重要指标，定义为
SF = R_c / R_b = T_b / T_c，SF越大，扩频程度越高，抗干扰能力越强，但频谱效率越低。
接收过程
接收方必须拥有与发送方完全同步的相同的伪随机码。
- 相关解扩：接收到的宽带信号与本地产生的伪随机码进行相乘（相关运算）。
- 信号恢复：由于本地伪随机码与发送端的码完全一致，相关运算会将扩频后的信号能量重新“压缩”回原始的窄带信号频谱上。
- 窄带滤波：通过一个窄带滤波器，将恢复出的窄带信号提取出来，同时滤除落在频带内的窄带干扰。
- 解调：最后对恢复出的信号进行解调，得到原始数据。
简单比喻： 想象一下在一个嘈杂的房间里（背景噪声和干扰），你和朋友约定了一种独特的“暗号”（伪随机码），你用这个暗号的节奏（高速率）来传递一句话（原始信息），不熟悉这个暗号的人只能听到一连串无意义的、分散的、很轻的声音（宽带信号），而你的朋友因为知道暗号，能把这些声音按节奏“拼凑”成完整的一句话（相关解扩），从而听懂你的意思。
应用
- GPS全球定位系统：所有卫星都使用相同的L频段，但通过不同的伪随机码来区分。
- Wi-Fi (802.11b/g/n/ac/ax)：其DSSS和CCK（补码键控）模式就是基于DSSS。
- 3G移动通信 (WCDMA)：整个系统都建立在DSSS的基础上。
- 蓝牙：在跳频的同时，也使用了DSSS技术来增强抗干扰能力。
跳频扩频
FHSS与DSSS的思路完全不同,它不是扩展信号的频谱，而是让信号的载波频率在一个很宽的频带内快速、伪随机地“跳跃”。
工作原理
FHSS的核心在于伪随机地改变载波频率。
- 过程：
- 频率集：系统预先定义好一组可供跳变的离散频率点（称为“频隙”或“信道”），这些频率点覆盖了很宽的总频谱。
- 伪随机码：一个伪随机码序列用来控制载波频率在每个时间间隔（称为“ dwell time ”，驻留时间）内跳变到哪个频率点上。
- 调制：在当前驻留时间内，数据信号在一个固定的频率上进行普通的窄带调制（如FSK或PSK）。
- 结果：信号的频谱在时间上被“切割”成许多片段，每个片段在不同的频率上出现，从整体上看，信号的能量也分散在很宽的频带上。
接收过程
接收方必须拥有与发送方完全同步的相同的伪随机码和频率集。
- 频率同步：接收方根据伪随机码的控制，实时地将本地振荡器的频率调整到与发送方当前跳变的频率一致。
- 信号接收：在频率同步后，接收方就可以在一个固定的窄带频率上正常接收和解调数据信号了。
- 跳变：在驻留时间结束后，双方同时跳变到下一个伪随机码决定的频率上，重复此过程。
简单比喻： 你和朋友在许多个不同的频道上（如对讲机的不同频道）进行通信，你们约定了一个随机切换频道的时间表（伪随机码），你在一个频道上说一句话，然后根据时间表立刻切换到下一个频道再说一句，窃听者如果不知道你们的切换规律，很难跟上你们的对话，即使他在一个频道上干扰，你们也会立刻跳走，不受影响。
跳频的分类
- 慢跳频：在一个或多个数据码元周期内才跳变一次，抗窄带干扰能力强，但数据速率较低。
- 快跳频：在每个数据码元周期内跳变多次，抗跟踪式干扰能力强，数据速率可以更高。
应用
- 蓝牙：蓝牙是FHSS最典型的应用，在2.4GHz ISM频段（79个频道）上以每秒1600次的频率快速跳变。
- 一些无线局域网标准：如早期的802.11（Wi-Fi）标准也支持FHSS模式。
- 军事通信：由于其抗干扰和抗截获能力，在军事领域有广泛应用。
跳时扩频
THSS相对前两种用得较少,常与其他方式结合使用。
工作原理
THSS不扩展频率,而是扩展时间，它将信号的出现时间在时间轴上进行伪随机的“拉远”。
- 过程：
- 时间帧：将时间划分为许多非常短的“帧”或“时隙”。
- 伪随机码：一个伪随机码决定信号在哪个特定的时隙内发送。
- 突发传输：信号只在被选中的那个时隙内以较高的功率和速率进行“突发”传输，在其他所有时隙内保持静默。
- 结果：从时间上看，信号的能量被分散了，多个用户可以通过分配不同的时间片来实现多址接入。
接收过程
接收方根据相同的伪随机码,知道信号会在哪个时隙出现，并在那个时隙打开接收窗口进行接收，在其他时间则关闭接收机以节省能量和避免干扰。
简单比喻： 你们约定了一个时间表，规定只能在每天中午12:00到12:01这一分钟内通话，但具体哪一秒（时隙）通话由一个随机数决定，你只在随机选中的那一秒内快速说完你的事，其他时间你们都保持安静，这样就不会和其他使用相同“一小时”但不同“一秒”的人冲突。
应用
- 通常作为混合扩频系统的一部分，例如在TH-FH或TH-DS系统中，用于进一步增加系统的抗干扰和多址能力。
- 超宽带通信：UWB技术中就大量使用了跳时，将极窄的脉冲信号在时间上分散开来。
线性调频扩频
也称为“啾声”调制，主要用于雷达领域，在通信中较少见。
工作原理
信号的频率在一个脉冲持续时间内线性地增加（或减小）。
- 过程：发射一个脉冲，其频率在脉冲开始时是
f1，在脉冲结束时变为f2(f2 > f1)，整个信号的频谱宽度就是f2 - f1，远大于脉冲本身的带宽。 - 接收：接收到的信号通过一个匹配滤波器（或称为“色散延迟线”），该滤波器对不同频率的信号分量施加不同的时延，频率低的分量时延短，频率高的分量时延长，这样，整个线性调频脉冲的不同频率分量在输出端会“对齐”并叠加，形成一个幅度极高的窄脉冲，从而实现信号能量的压缩和检测。
简单比喻： 你从低音开始，迅速滑到高音唱一个长音，你的耳朵（匹配滤波器）能把这个“滑音”听成一个非常响亮的、集中的“噗”声。
应用
- 雷达、声纳：用于目标探测和测距。
- 卫星通信：在某些深空通信任务中用于克服多普勒效应。
混合扩频技术
为了结合多种扩频技术的优点,常常将它们组合起来使用，形成混合扩频系统。
- TH-FHSS (跳时-跳频)：先用跳时将信号在时间上分散，再对每个时隙内的信号进行跳频，这种组合提供了更高的保密性和抗干扰能力。
- DS-FHSS (直接序列-跳频)：先用直接序列扩频，然后再对扩频后的信号进行跳频，一些军用通信系统就采用这种方式。
- DS-THSS (直接序列-跳时)：相对少见，但也是一种可行的组合。
总结对比
| 扩频方式 | 核心思想 | 优点 | 缺点 | 主要应用领域 |
|---|---|---|---|---|
| 直接序列 | 用高速伪随机码直接扩展信号频谱 | 实现简单，抗窄带干扰和多径能力强，技术成熟 | 功率谱密度较高，易被窄带干扰 | GPS, Wi-Fi (802.11b/g/n), 3G (WCDMA) |
| 跳频 | 伪随机地快速改变载波频率 | 抗跟踪式干扰和远近效应能力强，低截获概率 | 同步要求高，快跳频实现复杂 | 蓝牙, 军事通信, 部分Wi-Fi |
| 跳时 | 伪随机地选择发送信号的时隙 | 节省能量，可实现多址接入 | 抗宽带干扰能力弱，数据速率受限 | 通常作为混合系统的一部分，UWB |
| 线性调频 | 在脉冲内线性扫频 | 匹配滤波后可获得高增益，抗多普勒效应 | 系统实现复杂，主要用于脉冲信号 | 雷达, 声纳, 深空通信 |
这些扩频技术及其变体是现代无线通信的基石,它们使得我们在日益拥挤和充满干扰的电磁环境中，能够实现可靠、安全、高效的通信。
