扩频技术（Spread Spectrum）概述

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扩频技术通过将信号的频谱扩展至远大于原始带宽进行传输，从而提升抗干扰、抗截获和多址能力。主要包括以下四种类型：

  1. 直接序列扩频（DSSS）
  2. 跳频扩频（FHSS）
  3. 跳时扩频（THSS）
  4. 线性调频扩频（Chirp Spread Spectrum）

1. 直接序列扩频（DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum）

原理

  • 将原始信号与高速伪随机码（PN码）相乘，扩展信号带宽。
  • 接收端通过相同的PN码进行相关解调，恢复原始信号。

关键特点

  • 抗窄带干扰：干扰信号在解扩时被扩散到宽频带，功率密度降低。
  • 隐蔽性：信号功率谱密度低，难以被检测。
  • 多址能力：不同用户分配不同PN码（CDMA）。

数学表示

  • 发送信号：s(t)=d(t)⋅p(t)⋅cos⁡(2πfct)s(t)=d(t)⋅p(t)⋅cos(2πfc​t)
    • d(t)d(t)：原始数据
    • p(t)p(t)：伪随机码（码片速率远高于数据速率）
  • 处理增益（Processing Gain）：Gp=BW扩频BW原始Gp​=BW原始​BW扩频​​

应用场景

  • Wi-Fi（802.11b）：使用DSSS（11-chip Barker码）。
  • GPS：C/A码扩频，抗干扰。
  • 3G CDMA（IS-95）：用户区分靠Walsh码。

2. 跳频扩频（FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum）

原理

  • 信号载波频率按伪随机序列快速跳变（如每秒数百至数千跳）。
  • 收发双方同步跳频图案。

关键特点

  • 抗频率选择性干扰：干扰仅影响部分频点。
  • 低截获概率：短时占用多个频点，难以跟踪。
  • 兼容窄带系统：可与非跳频设备共享频谱。

跳频模式

  • 慢跳频（Slow FHSS）：多个符号周期跳一次（如GSM）。
  • 快跳频（Fast FHSS）：每个符号周期跳多次（如军事通信）。

应用场景

  • 蓝牙（Bluetooth）：每秒1600跳，79个1 MHz信道。
  • 军事抗干扰通信（如Link-16战术数据链）。
  • 早期Wi-Fi（802.11）：2.4 GHz频段跳频避免干扰。

3. 跳时扩频（THSS, Time Hopping Spread Spectrum）

原理

  • 信号在时域上以伪随机序列分配短脉冲，非连续发送。
  • 接收端按相同时间图案解调。

关键特点

  • 抗多径干扰：短脉冲减少码间串扰。
  • 低功耗：适合突发通信（如物联网）。
  • 与DSSS/FHSS结合：形成混合扩频（如超宽带UWB）。

应用场景

  • 超宽带（UWB）：高精度定位（如Apple AirTag）。
  • 卫星测距：抗多径延迟。

4. 线性调频扩频（Chirp Spread Spectrum）

原理

  • 信号频率随时间线性变化（如从f1f1​扫至f2f2​）。
  • 接收端通过匹配滤波器检测频率变化规律。

关键特点

  • 抗多普勒效应：适合高速移动场景（如雷达）。
  • 简单实现：无需复杂PN码同步。

应用场景

  • 雷达系统（如FMCW雷达）。
  • LoRa远距离通信：Chirp信号抗频偏。

对比总结表

技术核心机制优势劣势典型应用
DSSS伪随机码扩频抗窄带干扰，多址能力强同步要求高Wi-Fi、GPS、CDMA
FHSS频率伪随机跳变抗宽带干扰，隐蔽性好跳频同步复杂蓝牙、军事通信
THSS时隙伪随机分配抗多径，低功耗吞吐量低UWB、卫星通信
Chirp频率线性扫频抗多普勒，实现简单频谱效率较低LoRa、雷达

技术选择建议

  • 抗干扰优先：DSSS（固定干扰）或 FHSS（动态干扰）。
  • 低功耗/短距离：THSS（如UWB）。
  • 远距离/移动场景：Chirp（如LoRa）。

现代通信系统（如5G）常结合多种扩频技术优化性能。