Расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты

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 перед передачей на фиксированной частоте:

1. Сигналы FHSS обладают высокой устойчивостью к узкополосным помехам, поскольку сигнал переходит в другую полосу частот.
2. Сигналы трудно перехватить, если неизвестен шаблон скачкообразной перестройки частоты.
   1. Зажим также затруднен, если узор неизвестен; злоумышленник может заглушить сигнал только на один период переключения, если последовательность распространения неизвестна.
3. 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 для моделей 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 на 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.

Одна из проблем систем со скачкообразной перестройкой частоты - синхронизировать передатчик и приемник. Один из подходов - это гарантия того, 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. Как FHSS, так 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 в попытке 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 беспроводной телеграфии ( на немецком языке , 1908, английский перевод McGraw Hill, 1915), хотя Ценнеком сам утверждает, что Telefunken уже попробовал это. Никола Тесла не упоминает напрямую фразу «скачкообразная перестройка частоты», но, безусловно, ссылается 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. Ценнек был немецким физиком и инженером-электриком, который заинтересовался радио, посещая лекции Теслы по «беспроводным наукам». Беспроводная телеграфия включает в себя раздел о скачкообразной перестройке частоты, и, поскольку он стал стандартным текстом 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 актриса Хеди Ламарр и композитор Джордж Антейл получили патент США 2 292 387 на свою «Секретную систему связи». Эта предполагаемая ранняя версия скачкообразной перестройки частоты должна была использовать пианино для переключения между 88 частотами и была предназначена для того, чтобы врагу было труднее обнаружить или подавить радиоуправляемые торпеды , но нет никаких записей о том, что работающее устройство когда-либо использовалось. произведено. Патент был вновь открыт в 1950-х годах во время патентных поисков, когда частные компании независимо разработали множественный доступ с кодовым разделением каналов с прямой последовательностью, форму расширенного спектра без скачкообразной перестройки частоты, и с тех пор неоднократно цитировался.

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 с использованием режимов скачкообразной перестройки частоты и развертки».

Варианты [ править ]

Адаптивный расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты ( AFH ), используемый в Bluetooth, повышает устойчивость к радиочастотным помехам , избегая переполненных частот в последовательности скачкообразной перестройки. Такого рода адаптивную передачу проще реализовать с помощью 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 заглушаются. Следовательно, AFH должен быть дополнен механизмом обнаружения хороших / плохих каналов.

Однако если радиочастотные помехи сами по себе являются динамическими, то стратегия «удаления плохого канала», применяемая в AFH, может не работать. Например, если имеется 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 скачкообразных каналов и обратной совместимости с устаревшими устройствами Bluetooth была решена в версии 1.2 стандарта Bluetooth (2003). Такая ситуация часто может происходить в сценариях, в которых используется нелицензированный спектр .

Кроме того, ожидается, что динамические радиочастотные помехи будут возникать 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 сигналов для повышения производительности системы.

См. Также [ править ]

• Динамическое скачкообразное изменение частоты
• Список нескольких открытий
• Последовательность максимальной длины
• Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов
• Радиочастотная развертка

Примечания [ править ]

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 .