一種無線超遠距離傳輸技術(shù)：擴頻技術(shù)

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

在研究擴頻通信技術(shù)之前，我們要先研究通信系統(tǒng)中的幾個基本問題

1、傳輸?shù)挠行砸灰粠捙c頻譜問題:

2、傳輸?shù)目煽啃砸灰恍诺琅c干擾問題:

3、傳輸?shù)陌踩砸灰唤孬@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(tǒng)的有效性,就得降低可靠性，反之亦然。在實際中，常常依據(jù)實際系統(tǒng)的要求采取相對統(tǒng)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(tǒng)的可靠性。

不同的擴頻技術(shù)發(fā)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(fā)射鏈路上，信息通過擴頻調(diào)制后再通過射頻調(diào)制方法將信號發(fā)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(fā)路徑上分別增加了擴頻調(diào)制和擴頻解擴兩個模塊。擴頻通信方式與常規(guī)的窄帶通信方式的區(qū)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(guān)處理后恢復(fù)成窄帶信息數(shù)據(jù)

擴頻通信的基本過程如下圖所示?；鶐?shù)據(jù)信號通過擴頻調(diào)制處理,變?yōu)樯漕l頻段更寬的數(shù)據(jù)信號,信號的功率密度變小了,表達為原有數(shù)據(jù)與擴頻序列(SS)的乘積:(DataIn)X(SS Code)

如上圖所示。解擴解調(diào)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(fù)成為原有的基帶數(shù)據(jù)，如下圖所示。

可以看到擴頻調(diào)制處理是在能量不變的情況下把基帶的數(shù)據(jù)搬移到射頻頻段,且便的頻譜帶寬增加。同理,解擴與解調(diào)過程是把在射頻頻段的寬帶寬信號恢復(fù)到原有的基頻段?？梢钥吹綌U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(diào)制與解擴解調(diào)過程中,可以帶來通信系統(tǒng)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(yōu)點。芮捷的各類低功耗傳感器就是采用擴頻通信技術(shù)。

1）抗干擾能力強

擴頻技術(shù)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(jīng)在整個頻段完全覆蓋了有效信號，經(jīng)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(nèi)的信號強度遠大于干擾信號,這樣就可以解調(diào)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(nèi)。當經(jīng)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(nèi)的信號強度遠大于干擾信號,這樣就可以解調(diào)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(guān)檢測的辦法來解擴,使有用寬帶信號恢復(fù)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(shù)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(guān)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(tǒng)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(tǒng)的干擾很小。如下圖所示,擴頻前數(shù)據(jù)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(nèi)的功率很小,信號湮沒在噪聲里,一般不容易被發(fā)現(xiàn),而想進一步檢測信號的參數(shù)(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(tǒng)的干擾很小。在安全性上 LoRa 技術(shù)也繼承了擴頻技術(shù)的優(yōu)點,一般設(shè)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(shù)后，當信號解擴時會通過正交解調(diào)或編碼校驗，大大增強了抗頻率選擇性衰落。同樣LoRa技術(shù)繼承了擴頻的此項優(yōu)點，可以快速實現(xiàn)城市社區(qū)內(nèi)遠距離的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和高速運動場景中的穩(wěn)定傳輸。

4）擴頻多址

擴頻技術(shù)具有擴頻多址(SSMA)能力，易于實現(xiàn)碼分多址(CDMA)技術(shù)在同樣的寬帶信號中，可以存在多組非相關(guān)的數(shù)據(jù)共存。

于在擴頻通信中存在擴頻碼序列的擴頻調(diào)制，充分利用各種不同碼型的擴頻碼序列之間優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，在接收端利用相關(guān)檢測技術(shù)進行解擴，則在分配給不同用戶碼型的情況下可以區(qū)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(shù)具有頻譜利用率高，容量大的特點，可有效利用糾錯技術(shù)、正交波形編碼技術(shù)、話音激活技術(shù)等

6）精確定位測距

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

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審核編輯：湯梓紅