一种无线超远距离传输技术：扩频技术

扩展频谱技术是用比信号带宽宽得多的频带宽度来传输信息的技术。扩频通信是将待传送的信息数据用伪随机编码(扩频序列:Spred Seqence)调制,实现频谱扩展后再传输；接收端采用同的编码进行解调及相关处理,恢复原始信息数据。它是一种宽带的编码传输系统。

在研究扩频通信技术之前，我们要先研究通信系统中的几个基本问题

1、传输的有效性一一带宽与频谱问题:

2、传输的可靠性一一信道与干扰问题:

3、传输的安全性一一截获与对抗问题

有效性、可靠性和安全性通常是矛盾的。一般情况下,要增加系统的有效性,就得降低可靠性，反之亦然。在实际中，常常依据实际系统的要求采取相对统一的办法，即在满足一定的可靠性指标下,尽量提高消息的传输速率,即有效性；或者,在维持一定有效性的条件下尽可能提高系统的可靠性。

不同的扩频技术发展就是在上述的三个方面中不断寻找平衡的过程。

扩频通信在发射链路上，信息通过扩频调制后再通过射频调制方法将信号发出，在接收链路上同样采用下变频后扩频解扩的方案。可以理解为在原有的射频收发路径上分别增加了扩频调制和扩频解扩两个模块。扩频通信方式与常规的窄带通信方式的区别如下:

1、信息的频谱扩展后形成宽带传输

2、用扩频码序列来展宽信号频谱

3、相关处理后恢复成窄带信息数据

扩频通信的基本过程如下图所示。基带数据信号通过扩频调制处理,变为射频频段更宽的数据信号,信号的功率密度变小了,表达为原有数据与扩频序列(SS)的乘积:(DataIn)X(SS Code)

如上图所示。解扩解调处理的过程为,在射频频段的信号通过下变频和解扩后,恢复成为原有的基带数据，如下图所示。

可以看到扩频调制处理是在能量不变的情况下把基带的数据搬移到射频频段,且便的频谱带宽增加。同理,解扩与解调过程是把在射频频段的宽带宽信号恢复到原有的基频段。可以看到扩频前后,代表信号总能量的阴影长方形的面积是不变的。

在上述的扩频调制与解扩解调过程中,可以带来通信系统抗干扰能力强、隐蔽性强、抗多径干扰、扩频多址、频谱利用率高、精确定位测距等优点。芮捷的各类低功耗传感器就是采用扩频通信技术。

1）抗干扰能力强

扩频技术的抗干扰能力强,分为抗宽带干扰和抗窄带干扰。宽带干扰可以理解为基底噪声较高的干扰信号,窄带干扰为脉冲信号。

针对宽带于扰的情况,从下图中可以看到,原本干扰源已经在整个频段完全覆盖了有效信号，经过解扩之后,干扰信号变成了平坦的噪声,而有效信号变成了窄带信号,且在有效带宽内的信号强度远大于干扰信号,这样就可以解调出有效信号。

针对窄带脉冲干扰情况,从下图中可以看到一个非常大的脉冲信号在有效信号的频带内。当经过解扩之后干扰信号就变成了平坦的噪声,而有效信变成了窄带信号,且在有效带宽内的信号强度远大于干扰信号,这样就可以解调出有效信号。

LoRa超强的抗干扰能力就是来源于这两个扩频抗干扰的特点。这就是LoRa抗于扰能力强的原因。

扩频通信在空间传输时所占用的带宽相对较宽，而接收端又采用相关检测的办法来解扩,使有用宽带信号恢复成窄带信号,而把非所需信号扩展成宽带信号,然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。这样,对于各种干扰信号,因其在接收端的非相关性,解扩后窄带信号中只有很微弱的成分,信噪比很高,因此抗干扰性强。在商用的通信系统中,扩频通信是能够工作在负信噪比条件下的通信方式。就比如 LoRa 可以在-20dB 之下的信噪比条件下工作。

2）隐蔽性强

隐蔽性强又叫作可检性低(Low Probability of Intercept,LPI),不容易被侦破,对各种窄带通信系统的干扰很小。如下图所示,扩频前数据高于噪声基底,其信号非常容易被检测；当信号被扩频后,信号完全在噪声基底之下,无法通过能量强度的方式检测出来。

由于扩频信号在相对较宽的频带上被扩展了,单位频带内的功率很小,信号湮没在噪声里,一般不容易被发现,而想进一步检测信号的参数(如伪随机编码序列)就更加困难,因此说其隐蔽性好。再者,由于扩频信号具有很低的功率谱密度,它对使用的各种窄带通信系统的干扰很小。在安全性上 LoRa 技术也继承了扩频技术的优点,一般设备很难侦破和干扰到LoRa信号。

3）抗多径、衰落

当使用扩频技术后，当信号解扩时会通过正交解调或编码校验，大大增强了抗频率选择性衰落。同样LoRa技术继承了扩频的此项优点，可以快速实现城市社区内远距离的网络覆盖和高速运动场景中的稳定传输。

4）扩频多址

扩频技术具有扩频多址(SSMA)能力，易于实现码分多址(CDMA)技术在同样的宽带信号中，可以存在多组非相关的数据共存。

于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出有用信号。这样一来，在一宽频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。

5）频谱利用率高

扩频技术具有频谱利用率高，容量大的特点，可有效利用纠错技术、正交波形编码技术、话音激活技术等

6）精确定位测距

扩频技术能实现精确地定时、测距与定位。UWB技术就是利用该特点，发射超短时长超大带宽的脉冲信号，从而实现精确定位的。LoRa的2.4GHz芯片SX1280也是利用扩频技术该特点实现测距定位的。

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审核编辑：汤梓红