理解扩频射频通信

我们将射频信号可视化为时域中的波形和频域中的不同形状。这些形状通常非常高且窄，表明大量传输的能量集中在相对较小的频率范围内：

结果表明，我们也可以生成一种非常不同的频谱，即更宽、更短的频谱。换句话说，我们可以更改射频电路，使其生成的信号的传输功率分布在更宽的频率范围内。这些信号被恰当地描述为“扩频信号”：

重要的是要理解，总的传输功率并没有减少。发生变化的是峰值功率，因为传输功率被分布在更宽的频带上。

如何扩频

将标准的射频信号转换为扩频信号是一个用带宽交换峰值功率的过程。然而，我们不需要采取任何特定行动来降低峰值功率：如果电路中其他所有元素保持不变，则整体传输功率也将保持不变。我们只需要增加信号的带宽，其自然结果就是可用的射频能量被分配到更宽、更短的频谱中，就像上面所示的那样。

从前面的内容我们知道，射频波形的带宽对应于基带信号中存在的最高频率。在幅度调制页面中，我们看到了基带频谱的正负频率如何向上移动，以形成以载波频率为中心的对称频谱。因此，如果我们在基带信号中使用更高的频率，调制信号的带宽就会增加。那么，我们可以通过将更高的频率纳入基带信号来扩频。但是，我们如何在不改变基带信息的情况下实现这一点呢？

解决方案是所谓的扩频序列，也被称为伪噪声（PN）码或伪随机噪声（PRN）码。这是一个数字序列，旨在模拟随机的1和0序列。基带信号与扩频序列相乘，但逻辑零被视为负一，这样在高逻辑期间波形保持不变，在低逻辑期间波形被反转。以下图表演示了这一过程：

如您所见，PN码的频率（称为“码片速率”，因为每个脉冲被称为一个“码片”）高于基带信号的频率。我们可以直观地认识到，以这种方式切割基带信号将引入更高频率的能量，实际上，频谱的扩展因子等于码片速率与基带数据速率的比率。

如何解扩频

我们现在已经增加了基带信号的带宽，因此也增加了传输信号的带宽，但信息似乎被严重改变了。我们如何恢复最初在基带波形中编码的数据呢？实际上，这相当简单（至少在理论上）：我们只需要将接收到的波形与相同的PN码相乘。发射机乘以1的部分在接收时再次乘以1（即它们保持不变），而被反转的部分将再次被反转（即返回到它们的原始状态）。

为什么要扩频？

到目前为止所描述的过程可能看起来是不必要的复杂性，但在某些情况下，这是非常值得的。其根本好处可以恰当地描述为“选择性”：扩频通信使接收机在从相关频段中可能存在的各种其他信号中选择所需信号方面拥有更大的能力。

这种选择性来自于将接收到的信号与PN码相乘的有趣效果：这种接收端的乘法只会解扩频所需的信号，或者更具体地说，只有最初用相同的PN码乘以的信号才会被解扩频。如果不需要的信号具有窄带（即非扩频）频谱，PN码会将其扩频。如果不需要的信号是用不同的PN码创建的扩频信号，则反转和非反转的部分将不会与1和0对齐，因此它不会恢复到其原始状态。

首先，让我们考虑扩频是如何使系统对阻塞和干扰产生抵抗力的。如果在一个非扩频频谱的中心频率附近传输一个强干扰信号，接收器将很难将干扰与所需信号分离。但是，如果在传输前进行扩频，解扩频操作将扩频干扰信号并恢复所需信号，从而降低干扰水平：