| Модуляция полосы пропускания |
|---|
| Аналоговая модуляция |
| Цифровая модуляция |
| Иерархическая модуляция |
| Расширенный спектр |
| Смотрите также |
| Мультиплексирование |
|---|
| Аналоговая модуляция |
|
Цепной режим (постоянная полоса пропускания) |
|
Статистическое мультиплексирование (переменная полоса пропускания) |
|
| похожие темы |
|
Расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты ( FHSS ) - это метод передачи радиосигналов путем быстрого изменения несущей частоты среди множества различных частот, занимающих большую спектральную полосу. Изменения контролируются кодом, известным как передатчику, так и приемнику . FHSS используется для предотвращения помех, предотвращения подслушивания и для обеспечения связи множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA).
Доступная полоса частот разделена на более мелкие поддиапазоны. Сигналы быстро изменяют («скачкообразно») свои несущие частоты среди центральных частот этих поддиапазонов в заранее определенном порядке. Помехи на определенной частоте повлияют на сигнал только в течение короткого интервала. [1]
FHSS предлагает три основных преимущества по сравнению с передачей на фиксированной частоте:
- Сигналы FHSS очень устойчивы к узкополосным помехам, поскольку сигнал переходит в другую полосу частот.
- Сигналы трудно перехватить, если неизвестен шаблон скачкообразной перестройки частоты.
- Заклинивание также затруднено, если узор неизвестен; злоумышленник может заглушить сигнал только на один период переключения, если последовательность распространения неизвестна.
- Передачи FHSS могут совместно использовать полосу частот со многими типами обычных передач с минимальными взаимными помехами. Сигналы FHSS добавляют минимальные помехи узкополосной связи, и наоборот.
Военное использование [ править ]
Сигналы с расширенным спектром обладают высокой устойчивостью к преднамеренным помехам , если противник не имеет знания о скачкообразной перестройке частоты шаблона. Военные радиостанции генерируют шаблон скачкообразной перестройки частоты под управлением секретного ключа безопасности передачи (TRANSEC), который отправитель и получатель заранее совместно используют. Этот ключ генерируется такими устройствами, как Speech Security Equipment KY-57 . Военные радиостанции США, использующие скачкообразную перестройку частоты, включают семейство JTIDS / MIDS, систему авиационной мобильной связи HAVE QUICK и радиостанцию SINCGARS Combat Net Radio, Link-16 .
Гражданское использование [ править ]
В США, поскольку Федеральная комиссия по связи (FCC) внесла поправки в правила, разрешающие использование систем FHSS в нерегулируемом диапазоне 2,4 ГГц, многие потребительские устройства в этом диапазоне использовали различные режимы FHSS. eFCC CFR 47, часть 15.247, охватывает правила в США для диапазонов 902–928 МГц, 2400–2483,5 МГц и 5725–5850 МГц, а также требования к скачкообразной перестройке частоты [2]
Некоторые рации , в которых используется технология FHSS, были разработаны для нелицензионного использования в диапазоне 900 МГц. Технология FHSS также используется во многих любительских радиоуправляемых передатчиках и приемниках, используемых в моделях автомобилей, самолетов и дронов. Достигается тип множественного доступа, позволяющий одновременно работать сотням пар передатчик / приемник в одном и том же диапазоне, в отличие от предыдущих систем радиоуправления FM или AM, которые имели ограниченное количество одновременных каналов.
Технические соображения [ править ]
Общая полоса пропускания, необходимая для скачкообразной перестройки частоты, намного шире, чем необходимая для передачи той же информации с использованием только одной несущей частоты . Однако, поскольку передача происходит только в небольшой части этой полосы пропускания в любой момент времени, мгновенная ширина полосы помех действительно такая же. Не обеспечивая дополнительной защиты от широкополосного теплового шума , метод скачкообразной перестройки частоты снижает ухудшение характеристик, вызванное источниками узкополосных помех.
Одной из проблем систем со скачкообразной перестройкой частоты является синхронизация передатчика и приемника. Один из подходов состоит в том, чтобы иметь гарантию, что передатчик будет использовать все каналы в фиксированный период времени. Затем приемник может найти передатчик, выбрав случайный канал и прослушивая действительные данные на этом канале. Данные передатчика идентифицируются специальной последовательностью данных, которая вряд ли возникнет в сегменте данных для этого канала, и этот сегмент также может иметь контрольную сумму для проверки целостности и дальнейшей идентификации. Передатчик и приемник могут использовать фиксированные таблицы шаблонов скачкообразной перестройки частоты, чтобы после синхронизации они могли поддерживать связь, следуя таблице.
В США часть 15 FCC о нелицензированных системах с расширенным спектром в диапазонах 902–928 МГц и 2,4 ГГц допускает большую мощность, чем разрешено для систем без расширенного спектра. И FHSS, и системы с расширенным спектром с прямой последовательностью (DSSS) могут передавать на 1 ватт, что в тысячу раз больше предела в 1 милливатт для систем без расширенного спектра. Федеральная комиссия по связи (FCC) , также предписывает минимальное количество частотных каналов и максимальное время задержки для каждого канала.
Несколько изобретателей [ править ]
В 1899 году Гульельмо Маркони экспериментировал с частотно-избирательным приемом, пытаясь минимизировать помехи. [3]
Самые ранние упоминания о скачкообразной перестройки частоты в открытой литературе в патенте США 725,605 присужденной Никола Тесла 17 марта 1903 года и в радио пионер Джонатан Ценнека книги «s беспроволочной телеграфии (немецкий, 1908, английский перевод McGraw Hill, 1915), хотя сам Ценнеком заявляет, что Telefunken уже попробовал это. Никола Тесла прямо не упоминает фразу «скачкообразная перестройка частоты», но, безусловно, намекает на нее. В патенте, получившем название « Метод сигнализации» , описана система, которая позволяет осуществлять радиосвязь без какой-либо опасности нарушения, перехвата или вмешательства в сигналы или сообщения . [4]
Немецкие военные ограниченно использовали скачкообразную перестройку частоты для связи между фиксированными командными пунктами во время Первой мировой войны, чтобы предотвратить подслушивание британскими войсками, у которых не было технологий для отслеживания последовательности. [5] Книга Джонатана Зеннека « Беспроводная телеграфия» была первоначально опубликована на немецком языке в 1908 году, но была также переведена на английский в 1915 году, когда противник начал использовать скачкообразную перестройку частоты на линии фронта. Зеннек был немецким физиком и инженером-электриком, который заинтересовался радио, посещая лекции Теслы по «беспроводным наукам». Беспроводная телеграфия включает раздел о скачкообразной перестройке частоты, и, поскольку он стал стандартом на многие годы, он, вероятно, представил технологию поколению инженеров. [4]
Польский инженер и изобретатель, Леонард Данилвикс , придумали идею в 1929 году [6] Некоторые другие патенты были сделаны в 1930 - х годах, в том числе один Виллем Broertjes ( Патент США 1,869,659 , выданном 2 августа 1932 г.).
Во время Второй мировой войны , то армии США связист изобретал систему связи под названием SIGSALY , которые включены расширения спектра в одном контексте частот. Однако SIGSALY была сверхсекретной системой связи, поэтому о ее существовании не было известно до 1980-х годов.
В 1942 году актрисы Хеди Ламарр и композитор Антейл получили патент США 2,292,387 за их «Систему секретной связи» [7] [8] ранняя версия скачкообразной перестройки частоты с помощью пиано-ролл для изменения среди 88 частот , чтобы сделать радио управляемых торпед труднее Для обнаружения или подавления врагов он был отклонен ВМС США, а затем изъят как «чужая собственность» в 1942 году (Хеди был австрийцем), но был отправлен в архив без каких-либо записей о производстве работающего устройства. Идея Ламарра и Антейла была переоткрыта в 1950-х годах во время патентных поисков, когда частные компании независимо друг от друга разрабатывали множественный доступ с кодовым разделением прямой последовательности., форма расширенного спектра без скачкообразной перестройки частоты, и с тех пор неоднократно цитировалась. В 1957 году инженеры подразделения электронных систем Sylvania внедрили запатентованную концепцию в сочетании с недавно изобретенным транзистором. [7], а в 1962 году ВМС США, наконец, использовали эту технологию во время кубинского ракетного кризиса , срок действия патента Ламарра и Антейла истек. [9]
Практическое применение скачкообразной перестройки частоты разработал Рэй Зинн , соучредитель Micrel Corporation. Зинн разработал метод, позволяющий радиоустройствам работать без необходимости синхронизировать приемник с передатчиком. Используя режимы скачкообразной перестройки частоты и развертки, метод Зинна в основном применяется в беспроводных приложениях с низкой скоростью передачи данных, таких как учет коммунальных услуг, мониторинг и измерение машин и оборудования, а также дистанционное управление. В 2006 году Зинн получил патент США 6,996,399 на свое «Беспроводное устройство и метод, использующий режимы скачкообразной перестройки частоты и развертки».
Варианты [ править ]
Адаптивный расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты ( AFH ), используемый в Bluetooth, улучшает устойчивость к радиочастотным помехам , избегая переполненных частот в последовательности скачкообразной перестройки. Такого рода адаптивную передачу проще реализовать с FHSS, чем с DSSS .
Ключевая идея AFH состоит в том, чтобы использовать только «хорошие» частоты, избегая «плохих» частотных каналов - возможно, эти «плохие» частотные каналы испытывают частотно-избирательное замирание , или, возможно, какая-то третья сторона пытается установить связь на этих диапазонах, или, возможно, эти группы активно глушатся. Следовательно, AFH следует дополнить механизмом обнаружения хороших / плохих каналов.
Однако, если радиочастотные помехи сами по себе являются динамическими, то стратегия «удаления плохого канала», применяемая в AFH, может не сработать. Например, если существует несколько совместно размещенных сетей со скачкообразной перестройкой частоты (как Bluetooth Piconet ), то они создают взаимные помехи, и стратегия AFH не позволяет избежать этих помех.
Проблема динамических помех, постепенного сокращения доступных каналов переключения и обратной совместимости с устаревшими устройствами Bluetooth была решена в версии 1.2 стандарта Bluetooth (2003). Такая ситуация часто может произойти в сценариях, использующих нелицензированный спектр .
Кроме того, ожидается, что динамические радиочастотные помехи возникнут в сценариях, связанных с когнитивным радио , когда сети и устройства должны работать с быстрой перестройкой частоты .
Модуляцию ЛЧМ можно рассматривать как форму скачкообразной перестройки частоты, которая просто сканирует доступные частоты в последовательном порядке для связи.
Скачкообразная перестройка частоты может быть наложена на другие модуляции или формы сигнала для повышения производительности системы.
См. Также [ править ]
- Динамическое скачкообразное изменение частоты
- Список множественных открытий
- Последовательность максимальной длины
- Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов
- Радиочастотная развертка
Заметки [ править ]
- ^ Торриери, Дон (2018). Принципы систем связи с расширенным спектром, 4-е изд .
- ^ «47 CFR § 15.247 - Работа в диапазонах 902–928 МГц, 2400–2483,5 МГц и 5725–5850 МГц» . LII / Институт правовой информации . law.cornell.edu . Проверено 17 декабря 2019 .
- ^ Кан, Дэвид (2014). Как я обнаружил величайшего шпиона Второй мировой войны и другие истории разведки и кода . Публикации Ауэрбаха . п. 158. ISBN. 9781466561991.
- ^ a b eetimes.com: Краткая история распространения спектра
- ↑ Денис Винтер, Команда Хейга - Переоценка
- ^ Данилевич позже вспоминал: «В 1929 году мы предложили Генеральному штабу устройство моей конструкции для секретной радиотелеграфии, которое, к счастью, не нашло признания, поскольку это была поистине варварская идея, заключающаяся в постоянном изменении частоты передатчика. Однако комиссия это сделала. , счел нужным предоставить мне 5 000 злотых за создание модели и поощрение к дальнейшей работе ». Цитируется по Владиславу Козачуку , « Загадка: как был взломан немецкий машинный шифр и как его прочитали союзники во Второй мировой войне» , 1984, с. 27.
- ^ a b «Июнь 1941: Хеди Ламарр и Джордж Антейл подают патент на скачкообразную перестройку радиочастоты» . Новости APS . Vol. 20 нет. 6. Июнь 2011 г.
- ↑ Веннер, Мелинда (3 июня 2008 г.). «Хеди Ламарр: Не только красивое лицо» . Scientific American .
- ↑ Наркомат, Тушна (1 августа 2018 г.). «Сказка о двух жизнях» . Мир физики .
Ссылки [ править ]
- Владислав Козачук , Enigma: Как немецкий машинный шифр был взломан и как он был прочитан союзниками во Второй мировой войне , отредактированный и переведенный Кристофером Каспареком , Фредериком, доктором медицины, Университетские публикации Америки, 1984, ISBN 0-89093-547 -5 .
