通过慢速跳频减少无线通信中的干扰

本文要点

·  扩频中的跳频技术，通常用于无线个人区域网络和局域网应用。
·  慢速跳频属于跳频的一种，主要用于避免无线通信系统中的多路访问干扰。
·  慢速跳频扩频技术是无线局域网和无线个人区域网络通信中常用的一种技术。

当同一地点有多个电路使用同一频率或频段时，就会产生电磁干扰。来自不同设备的信号会相互干扰，导致控制失灵或干扰设备的正常运行。电磁干扰是无线通信中的一个严重问题。为了确保数据传输的安全性，有必要尽量减少这种干扰。

扩频技术是用于缓解干扰问题的一种信号调制方法。有一种称为跳频（Frequency Hopping）的扩频（Spread Spectrum）技术，通常用于无线个人区域网络和局域网应用。慢速跳频（Slow Frequency Hopping）属于跳频的一个子类别，主要用于避免无线通信系统中的多路访问干扰。

1. 跳频扩频技术

跳频扩频 (Frequency Hopping Spread Spectrum，即 FHSS) 技术指的是载波信号从一个频率随机跳转到另一个频率。注入信号的载波遵循只有发送端和接收端知道的特定跳频模式。跳频集的频率从 f1 到 fL 不等，其中 L 是可用于跳频的频率信道数量。在一个给定的时间内（称为跳频周期 th），传输的信号保持在带宽为 B 的特定跳频时段内。在给定的跳频时间内，传输信号的频率是恒定的。扩频带宽用 W 表示，W 将远远大于 B。

跳频扩频技术的优势

1. 增加带宽：通过跳频过程，待传输信号的窄带宽转换为宽带宽。

2. 克服信号衰减问题：衰减是指信号减弱的变化。但相隔几个兆赫的信号频率就不会同时衰减。因此，跳频能够通过分离信号来限制衰减和相关的通信故障。

3. 多径信道通信：多径信道通信经常面临信道干扰问题，使用跳频可有效防止这些干扰。

4. 提高频谱效率：在跳频中，每个带宽为 B 的信道都包含单载波频率，作为其中心频率。大部分信息都位于给定的信道频谱区域内，有助于提高频谱效率。

5. 防止干扰：载波信号的频率是跳变的，因此跳频具有很强的抗干扰性能。

2. 慢速跳频技术

跳频扩频技术分为两种：快速跳频和慢速跳频。在慢速跳频中，载波频率是定时变化的。发送端和接收端都知道创建的跳频序列。发送一个信号频率所需的时间比发送几个比特的数字信息所需的时间要长。不过，慢速频谱可以减少信号传输中的干扰和衰减。

在慢速跳频中，载波时间周期 Tc 大于符号时间周期 Ts。每次跳频都会传输多个符号。慢速跳频的 Tc 和 Ts 之间的关系为 Tc = N Ts。每隔 Tc 秒，信号的中心频率会根据跳频模式发生变化。慢速跳频扩频技术还采用了错误控制编码，以便恢复一次跳变过程中的比特损失。

慢速跳频技术的优势

除了具备跳频技术的一般优点，慢速跳频还有其自身特殊优势——

即使某一个跳频信号在接收端因窄带干扰而衰减，其他信号也能正确接收。也就是说，哪怕在慢速跳频中发生信号丢失，接收端也能重现原始信息。

总之，使用慢速跳频技术来确保信号传输安全，不仅有利于解决衰减和干扰等问题，还有助于实现无信号干扰的多重接入通信。

此外，进行电磁仿真可以帮助了解设计中的信号是否符合性能规格，并了解设计在电路/系统中是否存在意外的电磁耦合。

以下情况也应该进行电磁分析：

1. 正在进行设计（芯片、封装、电路板、系统），并且希望了解当前设计的电性性能，此时需要实现高性能和集成；
2. 在签核过程中，需要确定最终的设计结果是否和预想的一样好，此时相比于性能，则更关心精准度。

目前，Cadence 的产品组合提供多种电磁 (EM) 技术——Sigrity分析、Clarity 3D Solver、EMX 仿真器及 AWR AXIEM 分析和 Analyst 软件，可高效设计并准确分析基于慢速跳频扩频的无线通信系统，在5G通讯时代提供全面的解决方面。