擴(kuò)頻通信抗干擾嗎？詳解分析

擴(kuò)展頻譜通信與光纖通信、衛(wèi)星通信一同被譽(yù)為進(jìn)入信息時(shí)代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。

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)。

一、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)。

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。

二、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)線電傳輸方法，其中無(wú)線電信號(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。

擴(kuò)頻通信是指利用擴(kuò)展頻譜技術(shù)，使信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬，以提高通信系統(tǒng)的抗干擾性。

一、擴(kuò)頻的原理：香農(nóng)定理

擴(kuò)頻的原理，可以通過(guò)回顧香農(nóng)公式來(lái)理解。 香農(nóng)定理：定義了有噪聲信道的極限速率，公式如下：C=W*log2(1+S/N) 其中，S為信號(hào)平均功率，N為噪聲平均功率則S/N為信噪比，單位為分貝(dB)。 分貝與信噪比的換算關(guān)系為：dB=10log10(S/N) 信號(hào)越強(qiáng)，噪聲越小，則信噪比越大，信道速率就越高。帶寬為3k赫茲的普通電話線，波特率為6000，根據(jù)調(diào)制方式的不同，可以有不同的速率，但由于噪聲的存在，能達(dá)到9.6kbps的速率已經(jīng)很不錯(cuò)了。

當(dāng)傳輸速率一定時(shí)，加大信號(hào)帶寬，可以降低對(duì)信噪比的要求。當(dāng)帶寬加大到一定程度，甚至允許信號(hào)功率淹沒(méi)在噪聲之下。因此，在一定的發(fā)射功率下，擴(kuò)頻信息分布在很寬的頻帶內(nèi)，有用的信號(hào)功率密度很低，在強(qiáng)噪聲背景或信號(hào)被噪聲淹沒(méi)時(shí)，也能夠可靠通信，具有極強(qiáng)的抗干擾性能。同時(shí)，擴(kuò)頻通信使用擴(kuò)頻函數(shù)(不可預(yù)測(cè)的偽隨機(jī)序列碼)調(diào)制和對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，使得擴(kuò)頻通信具有高保密性的特點(diǎn)。 擴(kuò)頻信號(hào)帶寬與信息帶寬之比為擴(kuò)頻因子。擴(kuò)頻因子數(shù)值為1-2時(shí)，成為窄帶通信;大于50稱為寬帶通信;大于100為稱為擴(kuò)頻通信。

二、四種擴(kuò)頻技術(shù)，F(xiàn)HSS在無(wú)人機(jī)電臺(tái)上最常用

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可以分為以下四種：

1、直接序列擴(kuò)頻(DSSS) 發(fā)送端直接采用高碼率的擴(kuò)頻碼序列去擴(kuò)展信號(hào)頻譜，接收端通過(guò)同樣的擴(kuò)頻碼序列還原信號(hào)。直接序列擴(kuò)頻將信號(hào)擴(kuò)展成很寬的頻帶，其功率頻譜密度比噪聲還要低，使信號(hào)能隱蔽在噪聲中，提高信號(hào)保密性。在接收端則對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行非相關(guān)處理，使干擾電平顯著下降而被抑制。直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是目前應(yīng)用最為廣泛的系統(tǒng)，典型應(yīng)用有CDMA、WLAN。

2、跳頻擴(kuò)頻(FHSS) 用偽隨機(jī)碼序列進(jìn)行頻移鍵控(FSK)，使載波頻率不斷跳變而擴(kuò)展頻譜。跳頻擴(kuò)頻將整個(gè)頻譜分割為更小的窄帶頻譜。發(fā)送方和接收方在每個(gè)窄帶信道上工作一段時(shí)間，然后轉(zhuǎn)移到另一個(gè)信道。 跳頻技術(shù)的基本原理是在通信的不同時(shí)間片或數(shù)據(jù)包中，發(fā)送端和接收端按照事先約定好的序列，頻繁地切換使用不同的頻率進(jìn)行通信。這種頻率切換可以是隨機(jī)的、偽隨機(jī)的或按照特定的算法進(jìn)行。具體切換頻率的方式取決于跳頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施。 跳頻技術(shù)的主要目的是提高通信的安全性和抗干擾能力。由于頻率的快速切換，跳頻通信可以減少特定頻率上的干擾或竊聽(tīng)威脅，因?yàn)楦蓴_者或竊聽(tīng)者需要在短時(shí)間內(nèi)掌握并跟蹤頻率的變化才能有效進(jìn)行干擾或竊聽(tīng)。跳頻技術(shù)還可以提供頻譜擴(kuò)展的效果，即通過(guò)在更廣泛的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行通信，提高了抗干擾性和抗多徑衰落的能力。 跳頻擴(kuò)頻通信應(yīng)用在WLAN、藍(lán)牙、ZigBee中。在無(wú)人機(jī)數(shù)傳電臺(tái)上，常用的Digi 900M的XBee模塊(比如900HP、SX Pro、XTend等)、Microhard的P900以及國(guó)產(chǎn)T900，都是FHSS的。

3、跳時(shí)擴(kuò)頻(THSS) 和跳頻擴(kuò)頻類似，跳時(shí)是發(fā)射信號(hào)在時(shí)域(時(shí)間軸)上的跳變。因?yàn)樵跁r(shí)域上壓縮了傳輸時(shí)間，則相應(yīng)的頻譜寬度也擴(kuò)展了。簡(jiǎn)單的跳時(shí)抗干擾性不強(qiáng)，很少單獨(dú)使用?？梢院鸵陨蠑U(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行組合形成混合系統(tǒng)，如跳時(shí)/直擴(kuò)系統(tǒng)。

4、線性調(diào)頻擴(kuò)頻(CSS) 如果發(fā)射的信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)，其載頻的頻率作線性變化，則稱為線性調(diào)頻。因?yàn)槠漕l率在較寬的頻帶內(nèi)變化，所以信號(hào)的頻帶也被展寬了。這種擴(kuò)頻調(diào)制方式主要用在雷達(dá)，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域(LPWAN等)。

擴(kuò)頻技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，以下是擴(kuò)頻技術(shù)的應(yīng)用示例：

1、無(wú)線通信系統(tǒng)：

擴(kuò)頻技術(shù)在無(wú)線通信系統(tǒng)中扮演著重要的角色。它能夠提高通信系統(tǒng)的抗干擾性能，減少多徑效應(yīng)對(duì)信號(hào)的影響，使得通信質(zhì)量更加穩(wěn)定可靠。擴(kuò)頻技術(shù)廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)，包括2G、3G、4G和5G網(wǎng)絡(luò)中的CDMA和WCDMA等技術(shù)。

2、寬帶接入網(wǎng)絡(luò)：

擴(kuò)頻技術(shù)也在寬帶接入網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛應(yīng)用。例如，通過(guò)使用擴(kuò)頻技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)DSL(數(shù)字用戶線)系統(tǒng)的高速傳輸和抗干擾能力的提升。此外，擴(kuò)頻技術(shù)還可以應(yīng)用于光纖通信中的光碼分多址(OCDMA)系統(tǒng)，提高光纖網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量和安全性能。

3、軍事通信：

在軍事通信領(lǐng)域，擴(kuò)頻技術(shù)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。由于擴(kuò)頻技術(shù)能夠有效抵抗干擾和偷聽(tīng)，因此它被廣泛用于軍事通信系統(tǒng)中的加密和保密通信。擴(kuò)頻技術(shù)還可以用于軍事雷達(dá)系統(tǒng)中，提高雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾性能和隱蔽性。

4、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)：

擴(kuò)頻技術(shù)也適用于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)中。由于WSN通常在復(fù)雜的無(wú)線環(huán)境中工作，擴(kuò)頻技術(shù)能夠提供更好的抗干擾性能，使得傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信更加可靠穩(wěn)定。此外，擴(kuò)頻技術(shù)還能夠減少能量消耗，延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。

擴(kuò)頻技術(shù)的關(guān)鍵在于使用擴(kuò)頻序列對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼和解碼，以實(shí)現(xiàn)抗干擾性能和更好的傳輸質(zhì)量。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，擴(kuò)頻技術(shù)有望繼續(xù)創(chuàng)新和演進(jìn)，為未來(lái)的通信領(lǐng)域帶來(lái)更多的突破和進(jìn)步。