展频（Spread Spectrum）技术

　  EMC电磁兼容行业来说，对于我们作为EMC电磁兼容整改方面应用来讲，展频（Spread Spectrum）技术也叫扩频，就是把时钟主频（不是晶振）进行适当的抖动（一般1-几十PPM），是应对接收机的QP测试的。 例如，现在的memory、LVDS等信号在EMI方面都采用了扩展频谱技术（SSC-Spread Spectrum clock）。这样可以分布频谱的能量将集中在clock主频中间的能量最大限度的向两边扩散，也就是将中心频率的能量分布到扩展的频率之间，以降低EMI接收机的QP检波器的读值。

　  通信行业来讲，应用最早的有CDMA手机，其中CDMA就是利用展频的通讯技术，因而可以减少手机之间的干扰，并且可以增加用户的容量，而且手机的功率还可以做的比较低，不但可以使使用时间更长，更重要的是可以降低电磁波辐射对人的伤害。CDMA的带宽可以扩展较大，还可以传输影像，这是第三代手机为什么选用CDMA的原因。

　  女演员海蒂拉玛和她的作曲家丈夫定义Spectrum(频谱)的概念早在1942年。该专利提出了一个重要的概念“展布频谱技术”此后的这个思路带给了我们这个世界不可思议的变化。50年代，纽约州的Sylvania公司（台积电老板张忠谋在美国的第一份工作，就是在这家半导体公司）开始以海蒂和乔治的专利为出发点作相关的研发。后来在60年代，相关的展频（Spread Spectrum）技术出现了，美国军方也开始在军事通讯系统中使用展频技术。80年代冷战结束后，美国军方解除了对展频技术的管制，允许其商业化。

　  由于无线通讯的传输介质是我们眼睛可以看到的空间，而我们大家是共用同一个空间，所有的讯号都往同一个空间里丢，所以相同的频率只能使用一次，造成无线通讯的频谱非常珍贵，一定要想办法在有限的频宽里，变出2倍、4倍、16倍、甚至更大倍数的频宽，展频技术就是为了这个目的而发明的。

函数的正交(Orthogonal)
在几何学上，正交就是「垂直」，大家都知道，平面上(二度空间)任意一个向量A都可以找到平行X轴与Y轴的二个互相垂直的正交向量Ax与Ay，而且Ax与Ay的方向是「完全无关」的；空间中(三度空间)任意一个向量A都可以找到平行X轴、Y轴与Z轴的三个互相垂直的正交向量Ax、Ay与Az，而且Ax、Ay与Az的方向是「完全无关」的，换句话说，当两个函数或两个数列「正交」，就代表这两个函数或数列「完全无关」，也可以说这两个函数或数列「差异很大，很容易分辨出来」。

窄频通讯与展频通讯
＞窄频通讯
窄频通讯是指利用很窄的频宽，很高的功率来传送资料，这种通讯方式最大的缺点是，每个使用者的通讯设备发射出来的电磁波功率都很高，所以每个人使用的频宽不能重复，而且两个频宽之间必须间隔保护带(Guard band)，才能避免不同的频宽彼此互相干扰，因此频率只能切割成有限的通道，提供给有限的人使用，例如：第二代行动电话GSM900系统所使用的分频多工(FDMA)技术，上传与下载都是每0.2MHz切割成一个语音通道，总共只有124个频道(f1~f124)，就是属于窄频通讯。此外，由于无线通讯的杂讯或干扰通常都是高功率的窄频讯号，所以只要干扰发生，就会把某一个频宽整个盖住而无法 ​​传送资料，如图12-5(a)所示。前面所介绍的分频多工接取(FDMA)就是属于窄频通讯，目前广泛地应用在第二代行动电话(GSM、GPRS)、无线式行动电话(PHS)等产品上。
＞展频通讯
展频通讯是指利用很宽的频宽，很低的功率来传送资料，如图12-5(b)所示，这种通讯方式最大的优点是，每个使用者的通讯设备发射出来的电磁波功率都很低，所以每个人使用的频宽可以重复，虽然通讯元件「只认频率不认人」，但是由于功率很低造成讯号传递不远，就算不同的人使用相同的频宽也不容易互相干扰；再加上频宽很宽，就算某个频宽发生杂讯或干扰，也会有某个频宽没有被干扰，我们可以利用这些没有被干扰到的频宽里的讯号来还原出完整的原始讯号，如图12-5(b)所示。目前最常使用的展频技术包括：跳频展频(FHSS)、直序展频(DSSS)、正交分频多工(OFDM)、分码多工(CDMA)、超宽频(UWB)等，广泛地应用在无线区域网路(IEEE802.11)、蓝芽无线传输(Bluetooth)、全球卫星定位系统(GPS)、无线USB、无线1394等产品上。
我们可以利用某种数学运算，将图12-5(a)中很窄的频宽里很高功率的讯号，转换成图12-5(b)中很宽的频宽里很低功率的讯号，例如：1MHz的窄频讯号我们需要10W(瓦特)的功率来传送；如果使用10MHz的展频讯号则只需要10mW的功率来传送。值得注意的是，展频讯号由于功率很低，甚至比背景杂讯还低，必须使用灵敏度较高的通讯元件才能侦测得到。

跳频展频(FHSS：Frequency Hopping Spread Spectrum)
由于ISM频带不需要申请使用执照，所以大家都可以任意使用，为了要解决不同设备之间互相干扰的问题，必须使用跳频展频(FHSS)技术。
跳频展频(FHSS)是让通讯设备所使用的通讯频率在极短的时间内不停地改变，以减少互相干扰的机会。如**图12-6所示，假设有A与B两台电脑都在使用无线滑鼠：
＞第0.01秒：电脑A使用2.40~2.41GHz，电脑B使用2.43~2.44GHz，频率不同，所以不会互相干扰。
＞第0.02秒：电脑A使用2.41~2.42GHz，电脑B使用2.41~2.42GHz，频率相同，所以会互相干扰。
＞第0.03秒：电脑A使用2.42~2.43GHz，电脑B使用2.40~2.41GHz，频率不同，所以不会互相干扰。
＞第0.04秒：电脑A使用2.43~2.44GHz，电脑B使用2.42~2.43GHz，频率不同，所以不会互相干扰。
虽然第0.02秒电脑A与电脑B互相干扰，但是干扰的时间只有短短的一瞬间而已，使用者不会发觉，怎么样，这么简单的方法，你(妳)猜到了吗？
FHSS主要的目的是在避免设备互相干扰，在同步且同时的情况下，传送端与接收端以特定型式的频率范围传送讯号，而且传送端与接收端经过一段极短的时间之后就同时切换到另外一个频率范围，不断地切换频率范围，能够减少在同一个特定的频率范围通讯受到干扰的机会，也不容易被窃听。此外，频率跳跃必须遵守美国联邦通讯委员会(FCC)的规定，跳频展频所展开的讯号，可以特别设计来避免杂讯或重复的频道，跳频讯号必须使用75个以上的频率范围，而且两个不同频宽之间跳跃的最大时间间隔为0.04秒，也就是每秒至少跳频2.5次，例如：蓝芽无线传输的规范是使用79个频率范围，每秒钟跳频1600次。
此外，FHSS并不是真的将一个窄频讯号进行某种数学运算变成展频讯号，而是传送端与接收端都必须在许多不同的频率范围跳来跳去，看起来好像也是在很宽的频宽上传送资料一样，因此也是属于一种展频技术。FHSS的优点在于成本较低，可以使用在低功率的短距离无线传输，因此一些以低成本为诉求的技术，例如：家用高周波(Home RF)、蓝芽无线传输(Bluetooth)等都是采用跳频展频技术。

直序展频(DSSS：Direct Sequence Spread Spectrum)
所有的无线通讯都会遇到一个问题，那就是资料传送的正确率很低，有线通讯的讯号在传送的过程中因为有介质(双绞铜线、同轴电缆、光纤)的保护，所以资料传送的正确率很高，但是无线通讯是将电磁波往空间里送，一会儿遇到闪电打雷，一会儿碰到高楼大厦被反射，怎么保证传送的讯号不会产生错误呢？如果可以提高正确率，则可以让资料传送更远的距离，为了增加无线通讯资料传送的正确率与传输距离，因此发展了直序展频(DSSS)技术。
直序展频(DSSS)的基本概念是：将原来1个位元(bit)的讯号，利用10个以上的碎片(Chip)来表示，我们可以想像成是将传送端要传送的数位讯号，用更多位元的数位讯号来表示，到达接收端以后再进行反运算与判断，以增加资料传送的正确率，如**图12-7所示。
＞假设传送端原本要传送的是数位讯号1，接收端收到1，代表传送正确，如图12-7(a)所示。
＞假设传送端原本要传送的是数位讯号1，接收端收到0，代表传送错误，如图12-7(b)所示。
＞假设传送端原本要传送的是数位讯号1，但是同时送出十个1代表一个1，在传送过程中部分正确部分错误，造成接收端收到七个1与三个0，由于1比0多，所以接收端判断传送过来的讯号为1，如图12-7(c)所示。DSSS可以使无线通讯的传输距离变长，反正有十个1来代表一个1，传送远一点了不起多错几个1而已，只要不错太多位元，接收端都可以正确地反运算并且判断出来。
值得注意的是，上面的说明只是概念而已，直序展频并不是真的用十个1来代表一个1，而是将原始的数位讯号(0或1)与一组「虚拟随机码(PN code：Pseudorandom codes)」做数学运算，**图12-8(a)是原始资料(只有2bit)，图12-8(b)是一组可能的PN码(11bit)，当2bit的原始资料与11bit的PN码运算以后，得到如图12-8(c)的结果(总共22bit)，前11bit代表资料0、后11bit代表资料1，依此类推将每个位元的资料都做相同的运算，让每个位元的资料里都「隐含」了密码，而且0与1的资料隐含了密码以后，彼此是正交的(差异很大，很容易分辨出来)，就算有几个位元传送错误，接收端还是可以利用数学运算还原，分辨出是0还是1。
「展频比率(Spreading Ratio)」是指原先一个位元的资料，展频以后使用多少个碎片(位元)来表示，展频比率越高，正确率愈高，但是却会占用更多的频宽(不过占用频宽没关系，因为展频通讯的特性就是，有很宽的频宽可以利用，而且功率很低，每个人使用的频宽可以重复却不 ​​会互相干扰)，目前IEEE802.11b标准的展频比率为11。DSSS一般都是应用在办公室、仓储、医院等特定用途的场所，或利用指向性天线作为建筑之间较长距离的无线传输，例如：无线区域网路(IEEE802.11b)、全球卫星定位系统( GPS)等。

正交分频多工(OFDM：Orthogonal FDM)
正交分频多工(OFDM)是使用数个互相正交(差异很大，很容易分辨出来)的小载波(Symbol)「载着」数位讯号传送出去，使用愈多的小载波则可以在有限的频宽里，变出2倍、4倍、16倍、甚至更大倍数的频宽。**图12-9(a)为传统使用分频多工(FDMA)的频谱图，每个人使用的频宽不能重复，而且两个频宽之间必须间隔保护带(Guard band)，图12 -9(b)为使用正交分频多工(OFDM)的频谱图，每个人使用的频宽(小载波)重叠，但是由于小载波互相正交(差异很大，很容易分辨出来)，所以就算重叠也不会互相干扰，显然使用正交分频多工拥有好几倍的频宽可以使用。
OFDM目前广泛地应用在无线区域网路(IEEE802.11a/g)、数位电视(DTV)、数位音讯广播(DAB)、超宽频(UWB)等产品上，将来第四代行动电话(4G)也会使用OFDM做为多工技术，可以大幅增加资料传输率。

分码多工接取(CDMA：Coed Division Multiplex Access)
将不同使用者的资料分别与特定的「密码(Code)」运算以后，再传送到资料通道，接收端以不同的密码来分辨要接收的讯号，这种密码称为「正交展频码」，其实CDMA技术里数位讯号(0或1)与正交展频码的运算原理与图12-8所示的DSSS运算原理类似，每个使用者都有一个唯一的正交展频码，接收端就利用这个唯一的正交展频码来分辨要接收的讯号，而且正交展频码比PN码长很多，传送与接收的元件必须进行大量的数学运算，所以通讯设备的成本比较高。