上次讲解了802.11a/g之后使用的正交频分多路复用调制方式OFDM，这次将对OFDM相反(虽然是概念但经常被混淆)的“频率扩展方式”进行简单的解说。

频率扩展的优点
以前也多次提到过，扩频是指“通信中载波频率(在相当大的范围内，并且频繁地)变化”的通信方式。以电视为例，某节目最初5分钟在2个频道播放，但过了5分钟突然切换到8个频道，再过5分钟又切换到4个频道。在实际的扩频通信中，这可以在几毫秒到几微秒的短时间内发生。

那么匆匆忙忙地换频道到底有什么好处呢?
(1)抗频率选择性干扰能力增强
(2)对漫反射条件下的符号间干扰更强
(3)窃听变得困难
拥有以上的优点。

(1)是最容易理解的优点。在不进行扩展的固定载波频率方式的情况下，对使用的频率发出干扰电波的话通信就不能成立。但是，在扩展方式下，频率是不断运动的，即使某个瞬间受到干扰，下一个瞬间也能摆脱干扰。这里所说的“干扰”不一定是指肆意的电波干扰，还包括由于半波长延迟的通信波的干扰导致的电波强度下降(频率选择性衰减)，以及与使用相同通信方式的其他站的冲突(频带内干扰)。后者的优点是CDMA方式的优点，在同一频带内可容纳多个通信电台。

关于(2)的理解，在漫反射较多的环境中，延迟的电波重叠到达的话(多路径干扰)，即使不发生衰落，时间轴偏移的信息也会重合，就像电视上的重影图像一样，可以正确读取信息（符号间干扰）。

但是，如果采用扩频方式，随着时间的不同，频率也会不同，因此在某个时间发送的信息“A”会因反射而延迟，数微秒后发送的信息会被延迟。即使重叠在“B”上，由于两者的载波频率(概率较高)不同，也不会相互抵消。相反，根据信息“A”的频率，可以推算出“原本是在什么时间发送的信息延迟了”，再将其合成，就可以提高接收精度。这被称为“耙子处理”。Rake是指“耙子”，是因为将延迟元件组合成几级并重新合成信号的电路与耙子相似而命名的，延迟元件的数量称为“Finger”，像4-Finger Rake一样。

扩频后，从多路径干扰后的波形也可以重现原信号

(3)也是比较容易理解的优点。在单载波方式中，只要频率一致，信号就可以随意接收(该信号是否被加密另当别论)，但在频率比较频繁的扩频方式中，“接收信号”本身就不是很容易。因此，可实现不易窃听、安全性高的特性。

该性质在正常节点之间进行通信时也会成为问题。因为必须在通信开始前使彼此使用的频率转变模式一致(同期捕捉)，例如蓝牙从断开状态到通信可能的延迟比其他方式要长一些。

关于DSSS 方式
那么，扩频有跳跃技术(Frequency Hopping Spectrum Spreading, FHSS)和直接序列(Direct Sequence Spectrum)Spreading:DSSS)两种方式。关于FH已经提到过很多次，直观上也容易理解，所以这次对DS方式稍微详细说明一下。
在DS方式中，对载有数据的调制波形(基带)，用乘法逻辑(XOR)合成数倍于其频率的载波。并且DS使用的载波不是普通的稳定频率波，而是使用从伪随机数系列生成的接近噪声的波形(PN系列:Pseudo-random Noise)。
用方波来表现载波的话，在稳定频率下0和1总是以一定的间隔出现，但是在伪随机数波形下，乍一看0和1以荒唐的间隔出现。因此，载波的频率…也就是说，“0和1出现的间隔”不是固定的，而是分散在很大的范围内，也就是“频率扩展”。
将这种“一看就乱”的载波在基带上XOR合成的波形当然也是具有“广范围扩展”频谱的“一看就乱”的波形，但是再次将同样的载波信息XOR通过合成可以播放原来的基带波形。简单来说，这就是DS扩展方式的工作原理。

DSSS方式的调制原理

DSSS方式的基带波形和调制波形的相互转换，用图像来比喻的话可能更容易理解。如果把0和1随机出现的PN序列绘制成二维图，就会变成像噪声一样的沙尘暴图像。如果在这里对基带图像进行异逻辑合成(XOR)，合成后的图像也会变成类似噪声的图像。从合成后的图像“只”推测原图像是极其困难的，不过，如果对合成中使用的PN系列再进行XOR合成的话原图像能再生。伪随机数系列和XOR合成是密码处理的基本，DS方式可以说是天生就具有加密功能的方式。

DS方式中PN合成和分离的图像

DS方式中的PN系列载波也被称为芯片波形(chip stream)，芯片波形和基带的比率被称为“扩展比”或“芯片比”。例如IEEE802.11的原始基带的调制周期为1M符号/秒，而撕裂周期为22Mcps，扩展比是1:22。

DS中的频谱遵循sinc分布(上次OFDM的时候也说明过)，不过，非扩展方式的频谱数据的调制周期…也就是说，与遵循基带的符号间隔不同，DS方式遵循的不是基带而是载波的芯片间隔。并且，相对于OFDM硬要延长符号调制周期而缩小每个子载波的占用频带，DS方式是以比基带更短的间隔“转动”信号，反过来扩大频带(注※)。OFDM和扩频技术“看似相似，其实是完全相反的技术”，希望大家从这一点上也能感受到。
(注※)但是，通过将OFDM窄频带的子载波密密麻麻地横向排列，可以长时间（数百μ秒到几毫秒）占用一定的带宽，而扩频只会“扩大概率”，而某一瞬间占用的频率（由基带确定）仅为窄带宽度。虽然从上次开始重复了好几次同样的事情，但请务必理解OFDM方式和扩频方式是决定性的不同点。

实用化的扩展方式
话说回来，这么好的扩频方式，现在作为电脑周边的通信技术已经不怎么被使用了。其主要原因是(再次)难以提高传输速度。IEEE802原始IEEE802是1M符号/秒×2bit/符号，最大2Mbps，改良后的802.11b是CCK采用了这样巧妙的技术(※注)，芯片频率也略微提高了，提高到1.375M符号/秒×8bit/符号的最高11Mbps。但是，通过DS方式提高速度的做法已经达到了极限，为了追求更高的速度，802.11a/g就采用了OFDM。
(※注) CCK不是基带波形，而是芯片波形。如果是CCK-64的话，要准备64种频率转变模式，每个符号6bit=64种，从中选择一个芯片波形发送。在接收端，从“以哪种模式同步捕获”的信息中得到log2(64)=6bit。基带上的QPSK的2bit/符号加上芯片波形的6bit/符号就变成了8bit/符号。需要注意的是，CCK这种方式仅限于一个码元周期内多个码片波形叠加的情况，即扩展比高的情况。

802.11无线LAN以外的主流通信方式中蓝牙采用FH方式，802.15.4采用DS方式的扩频。蓝牙作为FH系统跳跃周期短（625μsec单位）是其特征，由此对干扰性能等虽然提高了，但在同步捕捉延迟和耗电等方面缺点也很多，蓝牙LE在40条中每会话选择37条数据信道使用，与其说是FH扩展，不如说是接近FTDMA（频时分割）的方式。

802.15.4（Zigbee）的特点是作为DS方式使用比较低的芯片频率（2Mcps），将2.4GHz ISM频带80MHz设为5MHz宽×可分割成16条信道。因为符号速率为62.5KHz，所以扩展比高达1:32，通过与从16种芯片图案中选择1种的CCK相似的调制方式（16-ary O-QPSK），以4 bit/符号实现了250Kbps的数据速率。

但是，芯片频率低削弱了DS“抗频率选择性干扰能力强”的特点，例如，与同样ISM频带、占用22MHz带宽的WiFi (OFDM)发生冲突时，4频道都不能使用了。因此，像DUST Networks公司的产品一样，也有一边使用802.15.4一边在信道间跳跃，提高对频率选择性干扰的耐性的系统。

以前也介绍过与MB-OFDM争夺以沙上楼阁结束的IEEE802.15.3a标准地位的DS-UWB。DS-UWB通过使用非常高(1.3GHz)的芯片频率，能够在3.1 ~ 4.4GHz的大范围内进行通信，是DS方式的理想体现。但是，产品化的XS 110是一次调制简单的BPSK（1bit/符号），因为是用高符号率（220MHz）补充每个符号信息量少的设计，所以扩展比不高为1:6，而且由于应用了速率为1/2的FEC，所以数据速率低至110Mbps。

DS扩展的“容纳数量多”、“抗漫反射能力强”等特点作为手机的通信方式得到了高度评价，作为所谓2G手机的CDMA方式奠定了一个时代。但是，随着对数据通信的需求比语音通话更高，在所谓3G手机的CDMA2000(※注)中，使用3个带宽的x3 MC模式和一次调制使用16QAM的HDR，尽管在不同模式下实现了高速化，但仍然赶不上需求，最终LTE采用了与无线LAN原理相同的OFDM方式。但是，相对于电波(频率)平分使用的DSSS/CDMA, OFDM占据全部频率使用，所以对于运营商来说，如果不在服务区域内使用家庭基站并增设基站的话，就无法发挥LTE本来的性能（用户增加的话速度可能会锐减）。
(※注)3G手机网络有着复杂离奇的标准化战争历史。3G标准(IMT-2000)包括美国高通公司提出的CDMA2000和以NTT DOCOMO为中心提出的W-CDMA两种(不直接兼容)方式。CDMA2000阵营中有作为继EV-DO Rev.A之后的发展型，将速度提高到DS方式极限的EV-DO Rev.B(未发)，以及采用OFDM的EV-DO Rev.C(后来改为UMB：Ultra Mobile Broadband，在与LTE的竞争中落败)等，另一方面W-CDMA阵营的高速化技术包括HSPA, HSPA+，有DS-HSPA等。这些过渡性的高速化技术被称为3.5G或3.75G等模棱两可的称呼，各运营商以不同的商品名进行营销也使事态变得晦涩难懂。

方式	一次変調	符号速率	最大数据速率	扩散方式
802.11 (DS)	BPSK/QPSK	1MHz	2Mbps	DSSS(22Mcps)
802.11 (FH)	2-GFSK/4-GFSK	1MHz	2Mbps	FHSS(100msec/hop)
802.11b	QPSK + CCK-4/CCK-64	1.375MHz	11Mbps	DSSS(22Mcps)
Bluetooth +EDR	2-GFSK/QPSK/8PSK	1MHz	3Mbps	FHSS(625usec/hop)
802.15.4 (Zigbee)	16-ary O-QPSK	62.5KHz	250Kbps	DSSS(2Mcps)
XS110 DS-UWB	BPSK	220MHz	110Mbps(1/2 FEC)	DSSS(1320Mcps)
CDMA/One	QPSK (down) O-QPSK (up)	19.2KHz(down) 28.8KHz(up)	9600bps(down, 1/2 FEC) 9600bps(up, 1/3 FEC)	DSSS(1.2288Mcps)

总结
以上是对频率扩频的简单解说。现在无线通信技术的发展趋势是LTE和802.11ac/ad，通过关注更宽的带宽来实现更高速度的数据通信的技术的话题很盛行，对于扩频有“对了，以前那个很流行啊”的气氛。就连手机业界也热衷于推广使用OFDM的LTE，甚至推进VoLTE，停止传统的语音线路，统一使用数据线路的LTE……
但是DSSS方式所具有的CDMA特性和基于Rake处理的高接收性能是OFDM所没有的特点，我认为两者应该根据用途、特性来区分使用。并不是所有的OFDM都能提高速度，特别是IOT/M2M (Internet of Things / Machine To Machine)。我个人认为，在传感器网络中，应该重新评价低耗电量、高可靠性的DS扩展和脉冲无线。
但是，在这个世界上，比起具有理论上美丽、智能的工作原理的技术，即使是华而不实的技术，“现在就在那里，姑且可以使用”的技术往往会存活下来，并成为标准。将现有3G移动网络强行OFDM化的LTE，挤掉了基于新方式的网络重构为前提的WiMax和AXGP，“事实上的4G”风靡一时的现状或许就是典型的例子。手机网络的世界暂时将LTE的服务区域扩大竞争贯穿始终，不过，混战模样的IOT/M2M市场究竟会如何发展，这2 ~ 3年将是胜负的关键，目前也无法断言。

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