展频(Spread Spectrum)

本文介绍了展频技术,如频率跳变展频(FHSS)和直接序列展频(DSSS),以及它们如何增强无线通信的抗干扰性和安全性。通过MatLab示例展示了原始信号与展频信号的波形和频谱差异。

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"展频" (Spread Spectrum) 是一种通信技术,它通过扩展信号在频谱上的占用宽度来增强信号的抗干扰能力和安全性。这种技术主要用于无线通信,例如在蜂窝网络、Wi-Fi和卫星通信中。展频技术的关键优势包括抵抗窄带干扰、减少被检测和拦截的风险以及提高信号质量。

展频技术有几种不同的形式,包括:

  1. 频率跳变展频(FHSS):在这种技术中,信号在一系列频率之间快速跳变,使得信号在任何特定频率上的时间都很短,从而难以被干扰或拦截。
  2. 直接序列展频(DSSS):在这种方法中,原始信号通过与一个伪随机噪声序列相结合来扩展。这种扩展的信号占据了比原始信号更宽的频段,从而提高了其抗干扰能力。
  3. 时分码多址(TD-CDMA)和码分多址(CDMA):这些是利用展频技术的移动通信系统,它们允许多个用户共享同一频谱资源。

展频对比:

原始信号和展频信号的波形对比:

左侧的图:展示了一个未经展频的原始信号。这是一个简单的正弦波,频率和幅度在整个时间段内保持不变。

右侧的图:展示了一个使用频率跳变展频技术(FHSS)的信号。在这个例子中,信号在几个不同的频率之间跳变,导致波形看起来比原始信号更复杂。这种跳变增加了信号的带宽,并提高了抗干扰能力

左侧图:这是未经展频的原始信号的频谱图。可以看到,信号集中在一个特定的频率(这里是5 Hz),显示为频谱上的一个尖峰。

右侧图:这是使用频率跳变展频技术(FHSS)的信号的频谱图。与原始信号相比,展频信号的能量分布在多个频率上,这些频率对应于信号在不同频率之间的跳变。这种分布方式使得信号在整个频谱上更加分散,提高了其对干扰的抵抗能力;

使用MatLab实现处理:

% 时间向量
t = linspace(0, 1, 1000);

% 生成简单的正弦波信号(未展频)
original_signal = sin(2 * pi * 5 * t);

% 生成展频信号(使用频率跳变技术)
frequencies = [5, 10, 15, 20, 25]; % 跳变频率
spread_signal = sum(sin(2 * pi * frequencies' * t), 1);

% 计算傅里叶变换
yf_original = fft(original_signal);
yf_spread = fft(spread_signal);

% 生成频率向量
xf = linspace(0, 1000, length(t));

% 绘制原始信号和展频信号的波形
figure;
subplot(2,1,1);
plot(t, original_signal);
title('Original Signal (Non-Spread Spectrum)');
xlabel('Time');
ylabel('Amplitude');

subplot(2,1,2);
plot(t, spread_signal);
title('Spread Spectrum Signal (FHSS)');
xlabel('Time');
ylabel('Amplitude');

% 绘制原始信号和展频信号的频谱
figure;
subplot(2,1,1);
plot(xf, abs(yf_original));
title('Spectrum of Original Signal (Non-Spread Spectrum)');
xlabel('Frequency (Hz)');
ylabel('Amplitude');

subplot(2,1,2);
plot(xf, abs(yf_spread));
title('Spectrum of Spread Spectrum Signal (FHSS)');
xlabel('Frequency (Hz)');
ylabel('Amplitude');

### HAL_TIM_PeriodElapsedCallback 函数功能与用法 #### 1. 功能描述 `HAL_TIM_PeriodElapsedCallback` 是 STM32 HAL 库中的回调函数,用于处理定时器周期结束事件。当定时器的计数值达到设定的最大值并触发更新事件时,该回调函数会被调用[^1]。 此函数的主要作用是在中断服务程序中被自动调用,允许用户在不修改底层驱动的情况下实现自定义逻辑。它通常用来响应特定的时间间隔到达后的动作,例如刷新数据、切换状态或其他实时任务调度[^2]。 --- #### 2. 定义形式 以下是 `HAL_TIM_PeriodElapsedCallback` 的典型定义: ```c void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { // 用户可以在此处编写自己的代码来处理定时器周期溢出事件 } ``` - **参数说明** - `TIM_HandleTypeDef *htim`: 这是一个指向定时器句柄结构体的指针,包含了配置和运行状态的信息。通过这个句柄,可以在回调函数内部访问当前定时器的相关属性或重新设置其行为。 --- #### 3. 使用方法 为了使能这一回调机制,需完成以下几个步骤: 1. 初始化定时器:利用 `HAL_TIM_Base_Init` 或其他初始化接口完成硬件资源分配以及基础参数配置(如预分系数、计数器周期等)。 2. 启动带中断模式的定时器:调用 `HAL_TIM_Base_Start_IT(htim)` 来开启定时器及其关联的中断请求。这一步会启用相应的中断线,并注册默认的中断服务例程(ISR)[^1]。 3. 实现回调函数:根据实际需求重写 `HAL_TIM_PeriodElapsedCallback` 方法的内容。每当发生一次完整的计数循环后,即进入下一轮计数前,都会跳转到此处执行指定的操作[^3]。 4. 清除标志位/中断挂起比特 (可选): 如果需要手动管理某些特殊类型的干扰信号,则可能还需要借助宏指令如 __HAL_TIM_CLEAR_IT() 对应位置零操作。 --- #### 示例代码片段 下面示了一个简单的应用案例——每秒钟点亮 LED 一次: ```c #include "stm32f4xx_hal.h" // 假设已正确设置了 GPIO 和 TIM 句柄 htim2 uint8_t led_state = 0; void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim){ if(htim->Instance == TIM2){ // 判断是否来自 TIM2 中断 if(led_state == 0){ HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET); // 打开LED led_state = 1; } else { HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET); // 关闭LED led_state = 0; } } } int main(void){ /* MCU Initialization */ // 配置GPIO PA5作为输出端口 // 设置 TIM2 参数 TIM_HandleTypeDef timHandle; timHandle.Instance = TIM2; timHandle.Init.Prescaler = 8399; // 设定预分值使得率接近1KHz timHandle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; timHandle.Init.Period = 9999; // 计数至最大值约等于一秒 timHandle.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; if(HAL_TIM_Base_Init(&timHandle) != HAL_OK){ Error_Handler(); } // 开启 IT 模式的定时器 HAL_TIM_Base_Start_IT(&timHandle); while(1); } ``` 上述例子示了如何结合外部设备控制形成规律性的脉冲序列。 ---
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