跳频扩频技术(Frequency-Hopping Spread Spectrum，简称FHSS)是一种无线通信中常用的扩频方式。其核心原理是通过伪随机码序列控制载波频率在多个预设频率之间进行离散变化，从而实现信号的扩频传输。
在FHSS技术中，发送端和接收端设备会按照预定的算法或规律，使载波频率不断跳跃，以避免干扰和窃听。这种频率的快速切换使得信号对非特定接收器而言表现为脉冲噪声，从而提高了通信的安全性和抗干扰能力。
FHSS技术广泛应用于各种无线通信领域，如蓝牙、WiFi、LoRa等。例如，在蓝牙技术中，经典蓝牙和低功耗蓝牙都采用了FHSS技术来增强信号的抗干扰能力。此外，FHSS也被用于物联网设备、远程传感器网络以及卫星通信等需要长距离、低功耗和高可靠性的应用场景。
FHSS技术的一个显著优点是其出色的隐蔽性和抗干扰能力，使其在需要高安全性的局域网和其他无线通信系统中表现出色。然而，由于FHSS技术需要频繁地切换频率，因此在某些情况下可能会增加系统的复杂性和成本。
FHSS技术通过伪随机码序列控制载波频率的快速跳变，提高了无线通信的抗干扰能力和安全性，适用于多种复杂的无线通信环境。
一、 跳频扩频技术(FHSS)的历史发展和未来趋势
跳频扩频技术(FHSS)的历史发展和未来趋势可以从多个方面进行分析。
1. 历史发展
跳频扩频技术(FHSS)的历史可以追溯到20世纪中叶。1949年，美国空军发明了一种新的跳频通信系统，这标志着跳频技术的诞生和发展。最初，这项技术并没有引起美国军方的重视，直到20世纪80年代才被军方用于战场上的无线通讯系统。随后，跳频扩频技术逐渐应用于民用领域，包括蓝牙、WiFi和3G移动通讯等。
在IEEE802.11协议的发展过程中，跳频扩频技术曾被定义为物理层速率的一部分，但目前已经被废弃，标准文档中早已看不到它的身影。尽管如此，跳频扩频技术在蓝牙和其他无线通信标准中仍然得到了广泛应用。
2. 未来趋势
尽管跳频扩频技术在某些领域已经被其他技术所取代，但它在新兴的物联网(IoT)和卫星通信领域仍有巨大的应用潜力。例如，LoRaWAN标准最近增强了长程跳频扩频(LR-FHSS)功能，以更好地优化频谱，满足大规模IoT网络的预期容量要求。LR-FHSS在未来在电力采集、密集区域的物联网数据采集以及卫星数据采集上都有更多的创新空间。
此外，跳频扩频技术在提高通信质量和可靠性方面仍然具有显著优势。通过使用伪随机频率跳变序列，跳频扩频技术可以显著提高通信系统的抗干扰能力。这种特性使得跳频扩频技术在未来的无线网络中仍然具有重要的应用前景。
跳频扩频技术(FHSS)自20世纪中叶诞生以来，经历了从军事应用到民用领域的广泛推广。
二、 FHSS技术在蓝牙和WiFi中的具体应用和优势
FHSS(频率跳变扩频)技术在蓝牙和WiFi中的应用和优势如下：
1. 在蓝牙中的应用和优势：
抗干扰能力：蓝牙使用FHSS技术，通过在多个频率之间快速切换来增强抗干扰能力。这种技术使得蓝牙信号能够在多个信道之间跳跃，从而避免了单一频率上的干扰。
安全性：FHSS技术支持AES-128加密算法，这保证了数据传输的安全性。
频谱效率：蓝牙采用FHSS技术，使用79个信道，每个信道占用1MHz，信号以1600Hz的速率在这些信道间随机跳跃，使得蓝牙设备能够在2.4GHz ISM频段内高效地使用频谱。
广泛的应用领域：由于其低功耗和低成本的特点，FHSS技术被广泛应用于手机、耳机、汽车等众多领域，并且随着蓝牙技术的发展，其应用范围还在不断扩大。
2. 在WiFi中的应用和优势：
抗干扰能力：WiFi同样采用FHSS技术，通过伪随机码调制，使载波的中心频率不断跳跃改变，从而避免了固定频率上的干扰。
历史背景：WiFi技术的发展受到了早期FHSS技术的启发，最初由好莱坞女演员海蒂·拉玛提出，并用于二战期间的通信中。
频谱使用：FHSS技术使得WiFi能够在未经许可的2.4GHz ISM频段中高效地使用频谱，避免了单一频率上的干扰问题。
三、 FHSS技术在频繁切换频率时增加的系统复杂性和成本问题?
FHSS(跳频扩频)技术在频繁切换频率时会增加系统的复杂性和成本，主要原因在于其需要在不同的频率上进行快速切换，并且在接收与发射端使用一种虚拟随机的过程。为了解决这一问题，可以采取以下几种方法：
优化设计和算法：利用智能优化设计技术，如Ansys optiSLang，通过伴随求导(Derivative)等方法，实现对系统参数的快速调谐和优化。这种方法可以提高设计效率，降低使用门槛，并选择更智能的算法来应对复杂的设计挑战。
选择合适的应用场景：FHSS技术在需要低成本的应用中较占优势，因此可以选择在这些场景中使用FHSS技术，以减少系统的复杂性和成本。例如，在恶劣环境中或大覆盖范围的应用中，FHSS技术可以提供更好的抗干扰和抗阻塞能力。
结合其他技术：在某些情况下，可以将FHSS技术与其他技术(如DSSS技术)结合使用，以平衡性能和成本。DSSS技术在需要最佳可靠性的应用中具有较佳的优势，而FHSS技术则在低成本应用中占优。
四、 FHSS技术在物联网设备和远程传感器网络中的应用
FHSS(频率跳变扩频)技术在物联网设备和远程传感器网络中的应用案例包括多个领域。首先，FHSS技术是监控和数据采集(SCADA)网络的核心技术之一，尤其适用于工业物联网，因为其能够提供可靠的通信和数据传输。
此外，FHSS技术被集成到LoRa平台中，增强了LoRa芯片的网络容量和抗干扰能力，使其能够实现从传感器到卫星的低功耗、可靠的直接通信。这种集成已经在畜牧业、环境管理、森林防火以及航运等领域得到应用。通过LR-FHSS(长距离跳频扩频)，LoRa技术可以更好地优化频谱，从而支持大规模IoT网络的需求。
Semtech的LoRa平台增加了对LR-FHSS的支持，这不仅有助于为偏远地区提供高性价比的连接服务，还推动了智慧工业和智慧园区等领域的应用创新。LR-FHSS技术的集成使得设备能够在多个频段上运行，增强了模块的灵活性，满足了不同应用需求。
五、 FHSS技术与其他扩频技术(如直接序列扩频DSSS)相比，有哪些显著的优势和劣势?
FHSS(跳频扩频)技术与其他扩频技术，如DSSS(直接序列扩频)，在多个方面存在显著的优势和劣势。
1. 优势：
低成本应用：FHSS技术在低成本应用中具有明显优势，因为其系统架构相对简单，成本较低。
抗干扰能力：FHSS通过频繁改变载波频率来避免干扰，从而提高了通信系统的抗干扰能力。
保密性：由于FHSS信号在不同的频率上跳变，使得信号难以被截获和分析，从而提高了通信的保密性。
2. 劣势：
传输距离和抗噪声能力：FHSS系统通常使用FSK调制方式，这使得其传输距离和抗噪声能力较差。
复杂度和系统要求：虽然FHSS系统在某些方面简单，但其整体复杂度和对非线性功率放大器的需求可能增加系统的复杂性和成本。
3. DSSS技术优势：
高可靠性应用：DSSS技术在高可靠性应用中表现优异，特别是在多径环境下具有显著的性能优势。
保密性和抗干扰能力：DSSS通过与伪随机码序列相乘来扩展信号频谱，使其功率频谱密度比噪声还要低，从而提高了信号的保密性和抗干扰能力。
适用于低速率数据传输：DSSS技术适用于低速率数据传输，且能够有效应对多径衰落问题。
4. DSSS技术劣势：
高发射功率需求：DSSS系统需要较高的发射功率，这可能导致更高的能耗和成本。
系统复杂度：DSSS系统的实现相对复杂，需要更多的硬件和软件支持。
