Spread Spectrum

Spread Spectrum

Spread Spectrum，SS，中文称为扩频。是将传输信号的频谱（spectrum）打散到较其原始带宽更宽的一种通信技术，常用于无线通信领域。

比较严格的定义则分成两个部分：

• 扩频调制之后，其信号传输带宽应远大于原始信号；
• 传输端会采用一个独特的码（code），此码与发送数据是无关的，接收端也必须使用这个独特的码才能解扩频以获得传输端的数据。

代表性的扩频方式有两种：

• 直接串行扩频（简称直序扩频，Direct-sequence spread spectrum，DSSS）
• 跳频（Frequency-hopping spread spectrum，FHSS）

发展历史

在二次世界大战时，公众形象为花瓶的好莱坞艳星海蒂·拉玛（Hedy Lamarr）提供了不停更换无线电频率以躲避干扰及侦察的概念，但是问题在于如何同步化（现代则可以使用电脑来同步）；而前卫音乐家乔治·安塞尔（George Antheil）则提供了使用自动演奏钢琴的原理来达到发送端与收讯端同步的方法，两人共同发明了该技术，并于1942年8月11日获得专利（美国专利第2,292,387号）。但由于是花瓶演员及音乐家发明的技术，加上自动演奏钢琴的大体积，此项发想在当时难以说服军方使用。直到晶体管发明以后，此技术才开始应用在军事上，一直到现代，海蒂·拉玛的天才才真正获得广泛的认同。

扩频原本应用在军事和情报系统，主要的概念是将数据信号扩展成较宽的频谱，使得信号不易被干扰和截取。后来技术开放，便应用到CDMA（2G手机通信）、无线局域网（WLAN，也就是IEEE 802.11系列）等领域。

优点与用途

• 对背景的噪声（noise）、干扰（interference）以及自体多路径干扰（Multipath interference）有免疫力。
• 对人为的刻意干扰（jamming）信号有良好的抵御能力，这也是扩频最早应用于军方通信系统中对抗人为的干扰重要原因其一。
• 较良好的隐密性，通信过程被截收的可能性较低。这是因为扩频后，单位频率的功率值降低，截收者不易透过频谱分析仪获得敌方通信的信息；即使电波被接收了，由于截收者不知道扩频码的内涵，因此无法恢复编码的信息。所以扩频通信亦具有简单的保密通信能力。
• 降低电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）
• 若对电子设备的时脉产生器（Clock generator）做扩频，也就是刻意在时脉信号（Clock signal）中添加抖动（jitter），则可以将特定造成电磁干扰的能量由特定频率打散，进而减轻其干扰程度，本质上和通信技术的扩频是相同的。
• 在个人计算机的BIOS设置中常常可以看到“Spread Spectrum”的选项。此处这个选项的主要目的是用于降低电磁干扰，依据不同的系统配置可能能够有效降低电磁辐射的量。但是副作用是降低了信号的清晰度，对超频之后的系统稳定性影响较大。
• 借由扩频技术，可以达成码分多址（CDMA）通信，让多个用户能够独立地同时使用更大的带宽。

EMC中的扩频技术

传统排除电磁破干扰需要再回路中加入磁珠，滤波器，接地回路，以及金属封罩。其原理是通过调制输出信号使输出信号的电磁干扰扩散到更大的频谱上。应用于数码相机，投影机，影印机，扫描仪，监视系统，电子音乐设备，汽车导航。

调制过程可以在标称频率的一侧(向下扩展 Down Spread)，或50%向上和50% 降(中心扩展 Center Spread)，三种展频方式。

以100MHz SSC为例，其中心频率在99.500 MHz和100.500 MHz之间调制，中心调制百分比为0.5%；如果向下扩展为0.5%， 频率范围在99.500 MHz 和 100.0 MHz 之间。向下扩展 0.5% 等同于中心扩展0.25%。 99.500 ~ 100.0MHz (向下扩展0.5%)等于中心频率99.750MHz （中心扩展0.25%）。

100MHz 中心调制 0.5% (C0.5)=99.500MHz~100.500MHz之间调制 100MHz 向下调制 0.5% (D0.5)=99.500MHz~100.000MHz之间调制=中心频率99.750中心扩展0.25% (C0.25)

展频幅度计算方法

展频的计算方式可用时钟的最高频率减去最低频率而得BW(SPAN)= FMAX– FMIN

而一般会以展频频宽除以原始频率来表示时钟展频的程度BW% = ( BW / FREF)* 100%

调制方式

连续调制

连续模拟调制

• 调幅 AM（SSB · DSB）
• 调频 FM
• 调角 PM

连续数字调制

• ASK（OOK · QAM）
• FSK（MSK · GFSK）
• PSK（CPM）

其它连续调制

SM （模拟）

脉冲调制

• 模拟 PAM · PDM · PPM
• 数字 PCM · PWM

扩频调制

CSS · DSSS · THSS · FHSS