我們將射頻信號(hào)可視化為時(shí)域中的波形和頻域中的不同形狀。這些形狀通常非常高且窄，表明大量傳輸?shù)哪芰考性谙鄬?duì)較小的頻率范圍內(nèi)：

結(jié)果表明，我們也可以生成一種非常不同的頻譜，即更寬、更短的頻譜。換句話說，我們可以更改射頻電路，使其生成的信號(hào)的傳輸功率分布在更寬的頻率范圍內(nèi)。這些信號(hào)被恰當(dāng)?shù)孛枋鰹椤皵U(kuò)頻信號(hào)”：

重要的是要理解，總的傳輸功率并沒有減少。發(fā)生變化的是峰值功率，因?yàn)閭鬏敼β时环植荚诟鼘挼念l帶上。

如何擴(kuò)頻

將標(biāo)準(zhǔn)的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為擴(kuò)頻信號(hào)是一個(gè)用帶寬交換峰值功率的過程。然而，我們不需要采取任何特定行動(dòng)來(lái)降低峰值功率：如果電路中其他所有元素保持不變，則整體傳輸功率也將保持不變。我們只需要增加信號(hào)的帶寬，其自然結(jié)果就是可用的射頻能量被分配到更寬、更短的頻譜中，就像上面所示的那樣。

從前面的內(nèi)容我們知道，射頻波形的帶寬對(duì)應(yīng)于基帶信號(hào)中存在的最高頻率。在幅度調(diào)制頁(yè)面中，我們看到了基帶頻譜的正負(fù)頻率如何向上移動(dòng)，以形成以載波頻率為中心的對(duì)稱頻譜。因此，如果我們?cè)诨鶐盘?hào)中使用更高的頻率，調(diào)制信號(hào)的帶寬就會(huì)增加。那么，我們可以通過將更高的頻率納入基帶信號(hào)來(lái)擴(kuò)頻。但是，我們?nèi)绾卧诓桓淖兓鶐畔⒌那闆r下實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)呢？

解決方案是所謂的擴(kuò)頻序列，也被稱為偽噪聲（PN）碼或偽隨機(jī)噪聲（PRN）碼。這是一個(gè)數(shù)字序列，旨在模擬隨機(jī)的1和0序列。基帶信號(hào)與擴(kuò)頻序列相乘，但邏輯零被視為負(fù)一，這樣在高邏輯期間波形保持不變，在低邏輯期間波形被反轉(zhuǎn)。以下圖表演示了這一過程：

如您所見，PN碼的頻率（稱為“碼片速率”，因?yàn)槊總€(gè)脈沖被稱為一個(gè)“碼片”）高于基帶信號(hào)的頻率。我們可以直觀地認(rèn)識(shí)到，以這種方式切割基帶信號(hào)將引入更高頻率的能量，實(shí)際上，頻譜的擴(kuò)展因子等于碼片速率與基帶數(shù)據(jù)速率的比率。

如何解擴(kuò)頻

我們現(xiàn)在已經(jīng)增加了基帶信號(hào)的帶寬，因此也增加了傳輸信號(hào)的帶寬，但信息似乎被嚴(yán)重改變了。我們?nèi)绾位謴?fù)最初在基帶波形中編碼的數(shù)據(jù)呢？實(shí)際上，這相當(dāng)簡(jiǎn)單（至少在理論上）：我們只需要將接收到的波形與相同的PN碼相乘。發(fā)射機(jī)乘以1的部分在接收時(shí)再次乘以1（即它們保持不變），而被反轉(zhuǎn)的部分將再次被反轉(zhuǎn)（即返回到它們的原始狀態(tài)）。

為什么要擴(kuò)頻？

到目前為止所描述的過程可能看起來(lái)是不必要的復(fù)雜性，但在某些情況下，這是非常值得的。其根本好處可以恰當(dāng)?shù)孛枋鰹椤斑x擇性”：擴(kuò)頻通信使接收機(jī)在從相關(guān)頻段中可能存在的各種其他信號(hào)中選擇所需信號(hào)方面擁有更大的能力。

這種選擇性來(lái)自于將接收到的信號(hào)與PN碼相乘的有趣效果：這種接收端的乘法只會(huì)解擴(kuò)頻所需的信號(hào)，或者更具體地說，只有最初用相同的PN碼乘以的信號(hào)才會(huì)被解擴(kuò)頻。如果不需要的信號(hào)具有窄帶（即非擴(kuò)頻）頻譜，PN碼會(huì)將其擴(kuò)頻。如果不需要的信號(hào)是用不同的PN碼創(chuàng)建的擴(kuò)頻信號(hào)，則反轉(zhuǎn)和非反轉(zhuǎn)的部分將不會(huì)與1和0對(duì)齊，因此它不會(huì)恢復(fù)到其原始狀態(tài)。

首先，讓我們考慮擴(kuò)頻是如何使系統(tǒng)對(duì)阻塞和干擾產(chǎn)生抵抗力的。如果在一個(gè)非擴(kuò)頻頻譜的中心頻率附近傳輸一個(gè)強(qiáng)干擾信號(hào)，接收器將很難將干擾與所需信號(hào)分離。但是，如果在傳輸前進(jìn)行擴(kuò)頻，解擴(kuò)頻操作將擴(kuò)頻干擾信號(hào)并恢復(fù)所需信號(hào)，從而降低干擾水平：

同樣的概念也適用于無(wú)線系統(tǒng)，其中多個(gè)設(shè)備必須共享有限的可用頻率范圍。這樣的系統(tǒng)可以采用各種方法來(lái)最小化與干擾相關(guān)的問題，擴(kuò)頻通信就是其中之一。不同的設(shè)備可以共享相同的頻段，并且它們的頻譜可以重疊；接收器通過PN碼選擇所需的信號(hào)，PN碼只會(huì)解擴(kuò)頻所需的信號(hào)。

跳頻

我們之前討論的擴(kuò)頻技術(shù)被稱為直接序列擴(kuò)頻（DSSS）。另一種方法是保持傳輸信號(hào)的窄帶特性，但周期性地改變載波頻率。這被稱為跳頻，如果傳輸在時(shí)間上進(jìn)行平均，它也能實(shí)現(xiàn)類似的峰值功率降低。與DSSS一樣，跳頻也提高了對(duì)干擾的抵抗力，因?yàn)楫?dāng)通信設(shè)備切換到新的載波頻率后，干擾信號(hào)將不再破壞所需的信號(hào)。

總結(jié)

擴(kuò)頻信號(hào)可以通過將現(xiàn)有的基帶信號(hào)與一個(gè)擴(kuò)頻序列（也稱為PN碼）相乘來(lái)創(chuàng)建。

通過用相同的PN碼乘以擴(kuò)頻信號(hào)，可以恢復(fù)原始信號(hào)。

擴(kuò)頻信號(hào)具有較低的峰值功率、相等的總功率和更寬的帶寬。換句話說，可用的傳輸功率被分布在更寬的頻率范圍內(nèi)。

擴(kuò)頻技術(shù)使系統(tǒng)對(duì)阻塞和干擾更具魯棒性。

類似的結(jié)果可以通過周期性改變信號(hào)的載波頻率來(lái)獲得，這種方法稱為跳頻。