原创 扩频：无线消费类应用的安全港（第1部分）

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《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 为什么要扩频？ 扩频似乎会造成“带宽浪费”，但在本质上是必需的，因为它能增加频道的容量（即可支持更多用户）。频道容量和频道带宽之间的关系可通过“香农定理”很好地进行理解（方程式1）：

方程式中：

看看方程式1，我们有理由假定频道容量与带宽之比和所需的系统信噪比成正比（方程式2）。不过这种关系并不是线性的。

我们可以清楚地看到，如果系统的信噪比要求固定，那么增加频道容量的唯一办法就是提高频道带宽。因此，虽然有带宽浪费，但增加的用户数量可以作为补偿。此外，信号扩展到较大频带上还有以下其它优势： 1. 抗干扰：干扰机只不过就是一个无线发射器，它持续向某个特定频道发射高功率信号。与干扰机位置邻近的其它设备会收到这个高功率信号，随着噪声水平的提高，会进一步干扰这些设备对频道的使用。在此情况下，如果这个受到干扰的特定频道刚好需要发生通信，那么整个消息信号就会丢失。利用干扰信号通常为窄带而扩频信号拥有较大带宽的特点，可以避免数据丢失。因此，如果采用扩频，只有一小部分消息信号被阻止，那么系统就能正常工作。此外，在邻近位置的系统中，每个发射器都是潜在的干扰机。因此我们必须对发射器件的输出功率水平进行检查。但是扩频系统不需要为此采取任何具体措施，因为发射的平均功率水平对于DSSS方法而言在整个频谱中相对较低，而对于FHSS方法而言在不同的子频带中则为随机分布状态。 2. 抗衰减：在无线系统中，发射信号每次都走相同路径的可能性极低。信号在真正到达接收器之前可能要经过多次反射（或折射）（图2）。

图2：通过多个路径发射信号

这些反射会产生多个波阵面，它们相互间会产生有益或有害的干扰。这种干扰会导致接收信号失真（多路径失真）或接收信号强度减弱（衰减）。如果衰减非常严重，导致接收信号强度（RSS）水平降低到所需的最低阈值以下，则会造成接收器无法成功解码信号（图3）。

图3：多路径发射造成的衰减

由于衰减取决于系统物理环境等众多因素，因此它通常被建模为一种随机现象。但是，我们发现在给定系统中衰减效应仅对某些特定的频率有显著影响。这就说明扩频技术具有很好的抗衰减性，因为衰减仅对一小部分信号产生影响。信号损坏的部分一定程度上可通过在协议上层采用适当的纠错方法进行恢复。如果纠错失败，那么只需将损坏的数据包重新发送，就能恢复丢失的信息了。

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《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 FHSS 跳频扩频技术，顾名思义，说明这种技术涉及传输频率在子频道之间的转换。频道切换，或者说跳跃，是在一定时间间隔内进行的（图4）。因此，FHSS时间平均视图需要更高的带宽，虽然其即时带宽与原始消息信号的即时带宽相同。不同子频道之间的跳跃根据预定的序列实现，也就是跳频序列。每个接收器都必须知道相应发射器所使用的跳频序列，从而随时保持同步。跳频序列同时也作为较低层的安全机制以防止窃听，因为接收器不知道跳频序列就不可能成功解码消息信号。

图4：跳频的时间域视图

FHSS的另一个优势就是能应对“远近问题”，也就是能抑制目标接收器附近其它工作状态的发射器所产生的干扰。如果没有FHSS，附近某个特定频道的外来发射器产生的高功率水平会对接收器产生很高的噪声。如果刚好在该特定频道进行通信，就会让接收器致盲，从而彻底阻断通信。但是有了FHSS，接收带宽将会更大。因此最差的情况就是部分跳频被阻止，这会迫使系统在不是最佳的条件下工作，但仍能保持正常工作。

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《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 DSSS 直接序列扩频（DSSS）技术，是在通道上发射消息信号之前，将消息信号的每个位乘以位（或码片）序列，从而实现扩频。所得的信号在较宽的频率范围上扩展，因为码片序列（也就是伪噪声码，PN码）包含多个频率组件。这里所用的乘法是一种逻辑XOR运算，它将每个位拆分为k个码片，k是PN码的长度（图5）。

图5：采用PN码（或码片序列）进行信号扩展

由于PN码为每个传输位添加了冗余位模式，这种扩频会直接影响系统的有效数据速率。对于Rp的物理信号速率而言，有效数据速率Re将为：

虽然数据速率下降，但更强的信号抗干扰性可作为补偿。如果模式中的一个或多个位在传输中受到损坏，则原始数据通过采用适当纠错方法处理冗余位仍可进行恢复。为了解码接收到的信号，接收器必须了解发射器所使用的PN码。它可以可视化，就好像每个接收器都在整个频谱中寻找特定的位模式（PN码）。这个过程很像人类社交中的“鸡尾酒会效应”，心理学家认为，鸡尾酒会上人们可以把听觉（和视觉）注意力关注在某种特定的刺激因素上同时过滤掉其它各种刺激因素。“鸡尾酒会”这个命名说的就是参加派对的人能在嘈杂的房间中只专注于某一个对话。这个效应就是让大多数人们只“收听”单个声音，而“关掉”所有其它声音。“鸡尾酒会”同样可用于描述另一种现象，即人们能从一开始并未关注的某个刺激因素中听到某个关键词，如从另一个对话中听到某人的名字。类似于这种现象，PN码让DSSS接收器能在噪声环境中实现“选择性注意力”。利用PN码，DSSS接收器只“调准（tune in）”到相应的发射器，而将其它发射的信号都作为噪声。正是由于这种“选择性注意力”，信号才能提高抗干扰能力，而且DSSS接收器的最低SNR需求也能够有所降低。 FHSS将所有发射的能量在某个时间点都集中在一个次级频带上，与之不同的是，DSSS的能量分布更加均匀。DSSS系统在一组频率上同时发射信号，因此其工作范围相比于FHSS系统而言覆盖了更宽的频带。但是，这种均匀性也导致DSSS的远近问题更为关键。不过，DSSS的PN码可提供防窃听安全机制，类似于FHSS的跳频序列。但与跳频序列不同的是，一个序列必须满足更严格的要求（如正交性）才能用作为一个PN码，我们将在本系列下一部分中详细讨论上述要求。

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