扩频通信是一种技术。这种技术把信号变得很宽。无线电通信需要传送信号。信号的频率有范围。这个范围叫做带宽。普通通信的带宽比较窄。扩频通信的带宽很宽。它比普通通信宽很多倍。扩频通信把原始信号扩展了。扩展到一个很宽的频带上。这个过程就像把一杯水倒进一个大桶。水还在桶里。但是变得很淡。别人不容易发现这桶水。只有知道方法的人才能把水重新收集起来。通信过程也是这样。有用的信号被隐藏起来。别人很难干扰它。别人也很难发现它。这种技术很早就有了。最初用在军事领域。军队需要保密的通信。扩频通信很保密。后来这种技术用到民用领域。现在我们生活中就有扩频通信。

扩频通信怎么工作。我们先讲一个简单的比喻。两个人要在房间里说话。房间里很吵。很多人都在说话。直接说话听不清楚。两个人可以约定一个办法。一个人用很慢的语速说话。一个字说很长时间。另一个人仔细听。他能从嘈杂的声音里分辨出这些字。别的说话声变得像背景噪音。有用的话就被听到了。扩频通信的原理有点像这样。它把一个简单的信号变成复杂的信号。这个复杂的信号占据很宽的频率。信号的能量分散开了。在任何一个频率点上看。信号的能量都很小。它和背景噪音差不多。不知道这个信号规律的人。他收到这个信号也以为这是噪音。只有接收端知道信号的规律。接收端按照这个规律处理信号。它把分散的能量收集起来。重新恢复成原始信号。干扰信号通常只在一个频率上。扩频通信的信号在很多频率上。干扰信号只能影响一小部分。大部分信号还是好的。所以扩频通信抗干扰能力强。

扩频通信的关键是扩频码。扩频码是一个序列。这个序列由很多数字组成。这些数字只有两种。一种是正一，一种是负一。发送端用这个序列去改变信号。原始信号是窄带的。扩频码是宽带的。两者相乘得到扩频信号。扩频信号是宽带的。接收端也有一模一样的扩频码。接收端用这个扩频码处理收到的信号。两者相乘再积分。积分是一个数学运算。它能把信号的能量积累起来。扩频码和信号匹配的时候。积分得到一个很大的值。这个值代表原始信号。如果扩频码和信号不匹配。积分结果很小。就像噪音一样。不同的用户可以用不同的扩频码。大家同时在同一个频段通信。接收端只用自己那个扩频码。它只能解出自己需要的信号。别的用户的信号看起来像噪音。这就是码分多址。很多用户共享同一个频率资源。

扩频通信有几种类型。直接序列扩频是一种。直接序列扩频用扩频码直接调制信号。扩频码的速率很高。这个速率叫做码片速率。码片速率比信息速率高很多倍。这个倍数叫做处理增益。处理增益越大。扩频带宽越宽。抗干扰能力越强。跳频扩频是另一种。跳频扩频让载波频率跳变。按照一个预定的序列跳变。发射机和接收机同步跳变。频率跳变的规律由扩频码决定。外人不知道跳变规律。他无法跟踪这个信号。跳频扩频也能抗干扰。干扰机只能干扰某一个频率。信号跳到别的频率就安全了。还有一种叫跳时扩频。跳时扩频把信号分成小段。这些小段在时间上随机出现。接收机知道出现的时间。它能正确接收信号。别人不知道时间。他收不到完整信号。实际系统中常常混合使用这些技术。

扩频通信有很多好处。第一个好处是抗干扰。扩频信号像噪音。干扰信号很难瞄准它。瞄准式干扰需要知道信号频率。扩频信号的频率很宽。干扰机必须用很大的功率覆盖整个频带。这很难做到。第二个好处是保密。不知道扩频码的人无法解调信号。他即使收到信号也没用。信号看起来就是一片噪音。第三个好处是多址能力。很多用户共享频带。大家用不同的扩频码。系统可以容纳很多用户。第四个好处是抗多径干扰。无线电波遇到障碍物会反射。接收机收到多个路径的信号。这些信号互相干扰。扩频通信的扩频码有优良的相关特性。接收机能区分不同路径的信号。它能把它们分开合并。这反而提高了信号质量。

扩频通信用在很多地方。全球定位系统用扩频技术。卫星发射扩频信号。地面接收机处理这个信号。它计算卫星信号的到达时间。根据时间算出自己的位置。扩频信号抗干扰能力强。定位精度很高。民用领域有无线局域网。无线局域网也用扩频技术。Wi-Fi的标准里包含扩频通信。Wi-Fi设备在拥挤的频段工作。扩频技术帮助它减少干扰。蓝牙技术也用跳频扩频。蓝牙设备连接手机和耳机。跳频技术避免和其他设备冲突。它让连接更稳定。第三代移动通信也建立在扩频基础上。CDMA就是码分多址。它让很多人同时打电话。每个人的声音被扩频码分开。系统容量提高了。军事通信更是依赖扩频。军队的通信必须保密。必须抗干扰。扩频技术满足这些要求。

扩频通信不是完美的。它有一些缺点。扩频通信需要很宽的带宽。带宽是一种资源。宽带宽意味着占用更多频谱。频谱是有限的。这限制了它的应用。扩频通信系统比较复杂。发送端需要产生扩频码。接收端需要同步扩频码。同步过程很关键。同步不准就无法解调。同步技术有难度。扩频通信有远近效应。近处的用户信号强。远处的用户信号弱。强信号会掩盖弱信号。系统需要功率控制。功率控制让所有用户信号强度差不多。功率控制增加系统复杂性。这些缺点需要克服。工程师们一直在改进扩频系统。

实现扩频通信需要硬件和软件。硬件部分有射频电路。射频电路处理高频信号。它把基带信号变到射频。或者把射频信号变回基带。数字电路部分产生扩频码。数字电路处理数字信号。它完成扩频和解扩。软件部分控制整个系统。软件实现同步算法。软件实现功率控制。软件管理多个用户。现代扩频系统大量使用数字信号处理。数字信号处理器很快。它能实时处理高速扩频码。专用集成电路也常用。专用集成电路体积小。专用集成电路功耗低。它在手机里很重要。

扩频通信还在发展。新的扩频码不断被研究。新的扩频码有更好的特性。它们互相关更小。自相关更尖锐。这有利于提高系统容量。提高抗干扰能力。新的调制方式结合扩频。调制方式影响频谱效率。频谱效率高意味着用更少的带宽传更多数据。这是一个重要方向。扩频通信和别的技术结合。它和正交频分复用结合。它和多输入多输出结合。这些结合产生更强大的系统。未来无线通信离不开扩频技术。

我们每天用的手机里有扩频技术。我们上的无线网络里有扩频技术。我们开车用的导航里有扩频技术。扩频技术让通信更可靠。它让通信更安全。它让更多人能同时通信。理解扩频技术的基本原理很重要。这个原理并不神秘。它就是用宽带的信号隐藏窄带的信息。发送端把信号扩展开。接收端把信号收拢来。中间用特定的码作为钥匙。不知道钥匙的人打不开。知道钥匙的人顺利打开。这就是扩频通信。一种简单而智慧的方法。