扩展频谱保证了无线通信的安全

扩频看似是浪费带宽，但它增加了频道容量,保护了数据安全，并能免除信号的拥堵与衰减。

提示

1.跳频扩频法是从一个子频道转到另一个子频道，从而改变发射频率。它能解决远近干扰问题。

2.直接序列扩频是将一个消息的每个信号位都乘以一个位序列，再做发射。结果信号被分布在较宽的频段上。

3.DSSS中的PN码与FHSS中的跳频序列都能防止被窃听，不过一个序列必须满足更严格的要求，才能用做DSSS的PN码。

4.对DSSS系统性能而言，PN码的选择是关键，它必须有高的处理增益、最低自相关以及最低互相关。

5.每种异步数字通信都要求接收机与发射机同步。扩频系统必须为DSSS同步PN码，为FHSS同步跳频模式。

无线通信起源于1915年，当时出现了跨越美国大陆的第一次无线语音传输，之后得到快速发展，1920年出现了首个商业无线电广播，1921年第一次使用警车无线调度，而1935年则实现了第一个全球性电话呼叫。无线技术的商业化带来了全球性的无线电大爆炸，但早期由于缺乏对频段的使用限制，无线电频道嘈杂不堪，流量亦无法管理。

这种对通信质量的负面作用，促成了通过发放频段许可证来管制流量的方法。不过，即使有了法规，仍然需要更多的技术进步来抑制干扰。

此外，可能并非每个频段都实现了许可，因为对于短距离应用来说，频段的重新利用也很重要。例如，当某个频道被用于某建筑内的通信时，就不应禁止用于某个不同的物理位置，否则这种限制会导致频谱的低效使用，因为这类系统永远不会产生相互干扰。但是，由于一个免许可频带内可以有任意数量的用户，因此增强抗干扰能力就显得尤为重要。

扩频技术就是这类改进技术中的一种。扩频概念出现于40年代初，在80年代得到普及，因为军队将其用于数据安全保密，并且它天生具有对信号拥堵的抑制能力。

扩频是一种传输方法，此时信号占用的带宽超过了发送信息所需要的最小带宽。采用扩频技术时，一个窄带频率(fm)内包含的信息被转换(或扩展)到一个较宽的频带(fs)，然后再做传输(图1)。这种转换不会显著地增加需要的总功率，因为传输的时长保持不变，改变的只是频率。

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式中，C是频道容量，或可以同时使用频道的最大用户数；B是频道带宽；而S/N是信噪比。

合理的假设是，(式1)中频道容量与带宽的比率与所需要的系统信噪比成正比式(2)：

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在子频道之间的跳跃是按照预定的序列。因此，每台接收机都必须知道相应发射机所使用的跳频序列，这样才能保持同步。这个序列可防止窃听，因为不知道跳频序列，接收机就无法成功地译码出消息信号。

FHSS 可抑制“ 远近干扰” 问题，这是发射机靠近目标接收机时所造成的干扰。不采用FHSS时，附近的外来发射机会产生一个大的功率电平，在接收机上表现为高电平的噪声， 如果恰在该频道内通信， 则会使接收机致盲， 通信中断。有了FHSS，接收带宽更大了。因此，即使是在最差的情况下，也只能阻挡掉一部分跳频，迫使系统工作在次优的情况下。
DSSS工作原理

直接序列扩频是将一个消息信号的每一位都乘以一个码序列， 然后再发射。这样，信号就分布在一个较宽的频率范围上，因为码片序列(亦称伪噪声码，PN码)包含了多个频率成分。这里用的乘法是一种逻辑XOR运算，它将每个位分割成k个码片，k是PN码的长度(图3)。

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因此，如果一个10kHz信号被分布在一个100kHz频带上，则相应的处理增益为10。
通常，PN码应为系统增加一个高的处理增益，原因有二。首先是抑制噪声：较高的处理增益意味着输入信号被分布在一个较宽的频带上，它需要采用更长的PN码。这类系统对噪声有更高的容忍性。第二个原因是系统容量。根据Shannon-Harley定律(式(1))，频道容量与频道带宽成正比。较高处理增益的系统也有更大的容量，因为这类系统的传输需要更高的带宽。

最低自相关。自相关是一个信号与其时移版信号的相似程度。式(5)以数学方式表示了这个概念：

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串行搜索可能有一个缺点，那就是采样时间长。因此，有些设计会使用并行搜索。

并行搜索策略与串行搜索基本相同，但缩短了采样时间，因为它能同时做多个相位比较，不过付出的代价是提高了对硬件资源的要求，增加了复杂性。当相关器数量等于PN码中的码片数量时，采用并行策略的采样时间最短。

采样过程只能实现一种粗略的同步。这一阶段结束时获得的同步程度在±TC/2 内，其中TC是码片持续时间。

DSSS的跟踪

一旦采样完成， 接收机就开始跟踪所收到序列的相位，以实现精细同步。通常采用的是延迟锁相环(DLL)(图7)。DLL产生PN码的三个相位(或三个版本)，分别是：延时相位、提前相位和精确相位，并对采用延时PN码的相关器输出与采用提前P N码的相关器输出做持续比较。这种比较提供了对所收到信号相移方向的一种量度。通过这个量度值，就可以动态地调节精确版PN码的相位。

精确相位的PN码在整个接收过程中都保持精准。这个版本的PN码被用于对所接收信号的实际解扩(图7)。

FHSS的同步

采用FHSS时，由于发射机在不断地改变中心频率，接收机与相应发射机应处于相同的频道内。另外还有一个关键要求，即发射机与接收机两者在某个频道内花费的时间要完全相同；否则，接收机可能过早地跳到另一个频道，而失去与发射机的同步。

FHSS的采样

跳频系统中的采样就是频率同步，其目的是使接收机与发射机处于相同频道内。最简单的方法是一个专门的采样频道，其中，发射机与接收机都必须只在专门频道中发起通信，并等待采样的完成。如果由于噪声缘故，专门频道堵塞，则不会产生通信。

另一种方案是在上电时开始跳频。发射机的跳频速率应快于接收机，以确保设备在同一个频道上结束。

FHSS的跟踪

采样后， 接收机应能够跟踪上发射机。发射机与接收机均应在同一频道内停留相同时间，在该周期结束后再跳转到同一个新频道上。FHSS中时序同步的实现要比DSSS简单，因为两边设备的跳频速率是固定的。对于下一个频道的确定，两边设备要有一个预装入的查找表，其中包含可用的频道号。

系统性能

DSSS与FHSS的同步过程都需要某个延迟量。因此，大多数协议都有一个用于同步脉冲的附加报头，这样就能在实际传输有意义信息的数据包以前，先同步好接收机与发射机。

收到的信息应与PN码做相位同步。接收机根据相关器的输出维持同步。