擴頻

擴頻（Spread Spectrum，SS）是將傳輸信號的頻譜（spectrum）打散到較其原始頻寬更寬的一種通信技術，常用於無線通信領域。

基本介紹

• 中文名：擴頻
• 外文名：Spread Spectrum
• 簡稱：SS
• 領域：信息科學

簡介

擴頻（Spread Spectrum，SS）是將傳輸信號的頻譜（spectrum）打散到較其原始頻寬更寬的一種通信技術，常用於無線通信領域。比較嚴格的定義則分成兩個部分：

1. 擴頻調製之後，其信號傳輸頻寬應遠大於原始信號；
2. 傳輸端會採用一個獨特的碼（code），此碼與傳送數據是無關的，接收端也必須使用這個獨特的碼才能解擴頻以獲得傳輸端的數據。

代表性的擴頻方式有兩種：

• 直接序列擴頻（簡稱直序擴頻，Direct-sequence spread spectrum，DSSS）
• 跳頻（Frequency-hopping spread spectrum，FHSS）

擴頻通信

所謂擴展頻譜通信，可簡單表述如下：“擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻頻寬度遠大於所傳信息必需的最小頻寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調製的方法來實現的，與所傳信息數據無關；在接收端則用同樣的碼進行相關同步接收、解擴及恢復所傳信息數據”。

特點

一、信號的頻譜被展寬了。 我們知道，傳輸任何信息都需要一定的頻寬，稱為信息頻寬。例如人類的語音的信息頻寬為300Hz --- 3400Hz，電視圖像信息頻寬為數MHz。為了充分利用頻率資源，通常都是儘量採用大體相當的頻寬的信號來傳輸信息。在無線電通信中射頻信號的頻寬與所傳信息的頻寬是相比擬的。如用調幅信號來傳送語音信息，其頻寬為語音信息頻寬的兩倍；電視廣播射頻信號頻寬也只是其視頻信號頻寬的一倍多。這些都屬於窄帶通信。一般的調頻信號，或脈衝編碼調製信號，它們的頻寬與信息頻寬之比也只有幾到十幾。擴展頻譜通信信號頻寬與信息頻寬之比則高達100 --- 1000，屬於寬頻通信。 為什麼要用這樣寬的頻帶的信號來傳輸信息呢? 這樣豈不太浪費寶貴的頻率資源了嗎?

二、採用擴頻碼序列調製的方式來展寬信號頻譜。 我們知道，在時間上有限的信號，其頻譜是無限的。例如很窄的脈衝信號，其頻譜則很寬。信號的頻頻寬度與其持續時間近似成反比。1微秒的脈衝的頻寬約為1MHz。因此，如果用限窄的脈衝序列被所傳信息調製，則可產生很寬頻帶的信號。如下面介紹的直接序列擴頻系統就是採用這種方法獲得擴頻信號。這種很窄的脈衝碼序列，其碼速率是很高的，稱為擴頻碼序列。這裡需要說明的一點是所採用的擴頻碼序列與所傳信息數據是無關的，也就是說它與一般的正弦載波信號一樣，絲毫不影響信息傳輸的透明性。擴頻碼序列僅僅起擴展信號頻譜的作用。

三、在接收端用相關解調來解擴 正如在一般的窄帶通信中，已調信號在接收端都要進行解調來恢復所傳的信息。在擴頻通信中接收端則用與傳送端相同的擴頻碼序列與收到的擴頻信號進行相關解調，恢復所傳的信息。換句話說，這種相關解調起到解擴的作用。即把擴展以後的信號又恢復成原來所傳的信息。這種在發端把窄帶信息擴展成寬頻信號，而在收端又將其解擴成窄帶信息的處理過程，會帶來一系列好處。弄清楚擴頻和解擴處理過程的機制，是理解擴頻通信本質的關鍵所在。

直接序列擴頻

直接序列擴頻（英語：direct-sequence spread spectrum，DSSS），簡稱直擴（DS），是一種調製技術。就是在傳送端，直接用高碼率的擴頻碼序列去擴展信號的頻譜，在接收端，用相同的擴頻碼序列將信號解擴，把展寬的信號還原到原始狀態。其名稱中的“擴頻”來自這樣一個事實，即載波信號發生設備的發射頻率充滿了整個頻寬（頻譜）。在一些IEEE 802.11標準中，使用了DSSS技術來調製信號。

跳頻擴頻

跳頻擴頻（Frequency-hopping spread spectrum,FHSS）是擴頻技術的一種；經由載波快速在不同頻率中切換，並在接收與發射端使用一種偽隨機的過程。

發展歷史

在二次世界大戰時，公眾形象為花瓶的好萊塢艷星海蒂·拉瑪（Hedy Lamarr）提供了不停更換無線電頻率以躲避干擾及偵察的概念，但是問題在於如何同步化（現代則可以使用計算機來同步）；而前衛音樂家喬治·安塞爾（George Antheil）則提供了使用自動演奏鋼琴的原理來達到傳送端與收訊端同步的方法，兩人共同發明了該技術，並於1942年8月11日獲得專利（美國專利 2,292,387）。但由於是花瓶演員及音樂家發明的技術，加上自動演奏鋼琴的大體積，此項發想在當時難以說服軍方使用。直到電晶體發明以後，此技術才開始套用在軍事上，一直到現代，海蒂·拉瑪的天才才真正獲得廣泛的認同。

擴頻原本套用在軍事和情報系統，主要的概念是將數據信號擴展成較寬的頻譜，使得信號不易被干擾和截取。後來技術開放，便套用到CDMA（2G手機通信）、無線區域網路（WLAN，也就是IEEE802.11系列）等領域。

優點與用途

• 對背景的噪聲（noise）、干擾（interference）以及自體多路徑干擾（Multipath interference）有免疫力。
• 對人為的刻意干擾（jamming）信號有良好的抵禦能力，這也是擴頻最早套用于軍方通信系統中對抗人為的干擾重要原因其一。
• 較良好的隱密性，通信過程被截收的可能性較低。這是因為擴頻後，單位頻率的功率值降低，截收者不易透過頻譜分析儀獲得敵方通信的信息；即使電波被接收了，由於截收者不知道擴頻碼的內涵，因此無法恢復編碼的信息。所以擴頻通信亦具有簡單的保密通信能力。
• 降低電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）
• 若對電子設備的時鐘頻率產生器（Clock generator）做擴頻，也就是刻意在時鐘頻率信號（Clock signal）中添加抖動（jitter），則可以將特定造成電磁干擾的能量由特定頻率打散，進而減輕其干擾程度，本質上和通信技術的擴頻是相同的。
• 在個人計算機的BIOS設定中常常可以看到“Spread Spectrum”的選項。此處這個選項的主要目的是用於降低電磁干擾，依據不同的系統配置可能能夠有效降低電磁輻射的量。但是副作用是降低了信號的清晰度，對超頻之後的系統穩定性影響較大。
• 藉由擴頻技術，可以達成碼分多址（CDMA）通信，讓多個用戶能夠獨立地同時使用更大的頻寬。