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。

扩频的实现方法有两种： 跳频扩频(FHSS) ， 以及直接序列扩频(DSSS)。很多无线通信协议都在物理层上采用了扩频技术，例如蓝牙。
为什么要扩频？

虽然扩频看似会" 浪费"带宽，但它实际上是增加了频道的容量。Shannon-Hartley理论给出了频道容量与频道带宽之间的关系式式(1)：

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)：

但其关系却是非线性的。

对于一个有固定信噪比需求的系统，增加频道容量的唯一方式是提高频道带宽。因此，增加潜在用户的数量就可以补偿带宽的浪费。将一个信号分配到较大频带上还有以下优点：

(1)抗干扰。干扰机也是无线发射机，它会向某个特定频道持续发射大功率信号。收到这个功率信号的其它设备的噪声水平提高，从而无法使用这个频道。如果频道中有通信，整个消息信号就会丢失。而采用了扩频技术后，只有一小部分信号丢失。

(2)抗衰减。在无线系统中，每次传输的信号不可能都走相同路径。在信号真正到达接收机以前，它会面临多次反射(或折射)。

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。干扰会在所接收信号中产生失真或降低信号强度(衰减)。如果衰减足够大，

接收信号强度(RSS)水平降到了所需最低阈值以下，则接收机就不能成功地译码信号。

由于衰减取决于系统的实际环境，其模型为一种随机现象。但衰减已被认为仅对特定频率有主要影响。因此，扩频就提供了一种抑制衰减的措施， 因为衰减只影响到一小部分信号。

FHSS工作原理

跳频扩频方法是以固定的时间间隔，从一个子频道跳到另一个子频道，从而改变发射频率(图2)。如从时间平均角度看，FHSS需要高得多的带宽，不过其即时带宽等同于原消息信号的带宽。

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