擴展頻譜技術是用比信號帶寬寬得多的頻帶寬度來傳輸信息的技術。擴頻通信是將待傳送的信息數據用偽隨機編碼(擴頻序列:Spred Seqence)調制,實現頻譜擴展后再傳輸；接收端采用同的編碼進行解調及相關處理,恢復原始信息數據。它是一種寬帶的編碼傳輸系統。

在研究擴頻通信技術之前，我們要先研究通信系統中的幾個基本問題

1、傳輸的有效性一一帶寬與頻譜問題:

2、傳輸的可靠性一一信道與干擾問題:

3、傳輸的安全性一一截獲與對抗問題

有效性、可靠性和安全性通常是矛盾的。一般情況下,要增加系統的有效性,就得降低可靠性，反之亦然。在實際中，常常依據實際系統的要求采取相對統一的辦法，即在滿足一定的可靠性指標下,盡量提高消息的傳輸速率,即有效性；或者,在維持一定有效性的條件下盡可能提高系統的可靠性。

不同的擴頻技術發展就是在上述的三個方面中不斷尋找平衡的過程。

擴頻通信在發射鏈路上，信息通過擴頻調制后再通過射頻調制方法將信號發出，在接收鏈路上同樣采用下變頻后擴頻解擴的方案。可以理解為在原有的射頻收發路徑上分別增加了擴頻調制和擴頻解擴兩個模塊。擴頻通信方式與常規的窄帶通信方式的區別如下:

1、信息的頻譜擴展后形成寬帶傳輸

2、用擴頻碼序列來展寬信號頻譜

3、相關處理后恢復成窄帶信息數據

擴頻通信的基本過程如下圖所示。基帶數據信號通過擴頻調制處理,變為射頻頻段更寬的數據信號,信號的功率密度變小了,表達為原有數據與擴頻序列(SS)的乘積:(DataIn)X(SS Code)

如上圖所示。解擴解調處理的過程為,在射頻頻段的信號通過下變頻和解擴后,恢復成為原有的基帶數據，如下圖所示。

可以看到擴頻調制處理是在能量不變的情況下把基帶的數據搬移到射頻頻段,且便的頻譜帶寬增加。同理,解擴與解調過程是把在射頻頻段的寬帶寬信號恢復到原有的基頻段。可以看到擴頻前后,代表信號總能量的陰影長方形的面積是不變的。

在上述的擴頻調制與解擴解調過程中,可以帶來通信系統抗干擾能力強、隱蔽性強、抗多徑干擾、擴頻多址、頻譜利用率高、精確定位測距等優點。芮捷的各類低功耗傳感器就是采用擴頻通信技術。

1）抗干擾能力強

擴頻技術的抗干擾能力強,分為抗寬帶干擾和抗窄帶干擾。寬帶干擾可以理解為基底噪聲較高的干擾信號,窄帶干擾為脈沖信號。

針對寬帶于擾的情況,從下圖中可以看到,原本干擾源已經在整個頻段完全覆蓋了有效信號，經過解擴之后,干擾信號變成了平坦的噪聲,而有效信號變成了窄帶信號,且在有效帶寬內的信號強度遠大于干擾信號,這樣就可以解調出有效信號。

針對窄帶脈沖干擾情況,從下圖中可以看到一個非常大的脈沖信號在有效信號的頻帶內。當經過解擴之后干擾信號就變成了平坦的噪聲,而有效信變成了窄帶信號,且在有效帶寬內的信號強度遠大于干擾信號,這樣就可以解調出有效信號。

LoRa超強的抗干擾能力就是來源于這兩個擴頻抗干擾的特點。這就是LoRa抗于擾能力強的原因。

擴頻通信在空間傳輸時所占用的帶寬相對較寬，而接收端又采用相關檢測的辦法來解擴,使有用寬帶信號恢復成窄帶信號,而把非所需信號擴展成寬帶信號,然后通過窄帶濾波技術提取有用的信號。這樣,對于各種干擾信號,因其在接收端的非相關性,解擴后窄帶信號中只有很微弱的成分,信噪比很高,因此抗干擾性強。在商用的通信系統中,擴頻通信是能夠工作在負信噪比條件下的通信方式。就比如 LoRa 可以在-20dB 之下的信噪比條件下工作。

2）隱蔽性強

隱蔽性強又叫作可檢性低(Low Probability of Intercept,LPI),不容易被偵破,對各種窄帶通信系統的干擾很小。如下圖所示,擴頻前數據高于噪聲基底,其信號非常容易被檢測；當信號被擴頻后,信號完全在噪聲基底之下,無法通過能量強度的方式檢測出來。

由于擴頻信號在相對較寬的頻帶上被擴展了,單位頻帶內的功率很小,信號湮沒在噪聲里,一般不容易被發現,而想進一步檢測信號的參數(如偽隨機編碼序列)就更加困難,因此說其隱蔽性好。再者,由于擴頻信號具有很低的功率譜密度,它對使用的各種窄帶通信系統的干擾很小。在安全性上 LoRa 技術也繼承了擴頻技術的優點,一般設備很難偵破和干擾到LoRa信號。

3）抗多徑、衰落

當使用擴頻技術后，當信號解擴時會通過正交解調或編碼校驗，大大增強了抗頻率選擇性衰落。同樣LoRa技術繼承了擴頻的此項優點，可以快速實現城市社區內遠距離的網絡覆蓋和高速運動場景中的穩定傳輸。

4）擴頻多址

擴頻技術具有擴頻多址(SSMA)能力，易于實現碼分多址(CDMA)技術在同樣的寬帶信號中，可以存在多組非相關的數據共存。

于在擴頻通信中存在擴頻碼序列的擴頻調制，充分利用各種不同碼型的擴頻碼序列之間優良的自相關特性和互相關特性，在接收端利用相關檢測技術進行解擴，則在分配給不同用戶碼型的情況下可以區分不同用戶的信號，提取出有用信號。這樣一來，在一寬頻帶上許多對用戶可以同時通話而互不干擾。

5）頻譜利用率高

擴頻技術具有頻譜利用率高，容量大的特點，可有效利用糾錯技術、正交波形編碼技術、話音激活技術等

6）精確定位測距

擴頻技術能實現精確地定時、測距與定位。UWB技術就是利用該特點，發射超短時長超大帶寬的脈沖信號，從而實現精確定位的。LoRa的2.4GHz芯片SX1280也是利用擴頻技術該特點實現測距定位的。

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審核編輯：湯梓紅