Расширенный спектр

В связи и радиосвязи , с расширением спектра методы являются методы , с помощью которых сигнал (например, электрические, электромагнитные или звуковой сигнал) генерируется с определенной шириной полосы преднамеренно распространяются в частотной области , в результате чего сигнал с более широкой полосой пропускания . Эти методы используются для различных причин, включая создание защищенной связи, повышая устойчивость к естественной интерференции , шумов и помех , чтобы предотвратить обнаружение, чтобы предельной плотности потока мощности (например, в спутниковой нисходящие ссылки ), а также для обеспечения связи с множественным доступом.

Телекоммуникации [ править ]

Расширенный спектр обычно использует структуру последовательного шумоподобного сигнала для расширения обычно узкополосного информационного сигнала по относительно широкополосному (радио) диапазону частот. Приемник коррелирует полученные сигналы, чтобы получить исходный информационный сигнал. Первоначально было две мотивации: либо сопротивляться попыткам противника заглушить связь (anti-jam, или AJ), либо скрыть тот факт, что связь вообще имела место, что иногда называется низкой вероятностью перехвата (LPI). ^[1]

Расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS), расширенный спектр с прямой последовательностью (DSSS), расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты (THSS), расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты (CSS) и комбинации этих методов являются формами расширенного спектра. Первые два из этих методов используют последовательности псевдослучайных чисел, созданные с помощью генераторов псевдослучайных чисел, для определения и управления шаблоном распространения сигнала по выделенной полосе пропускания. Стандарт беспроводной связи IEEE 802.11 использует в своем радиоинтерфейсе либо FHSS, либо DSSS.

• Методы, известные с 1940-х годов и используемые в военных системах связи с 1950-х, «распространяют» радиосигнал в широком диапазоне частот, на несколько значений выше минимального требования. Основным принципом расширенного спектра является использование шумоподобных несущих волн, и, как следует из названия, ширина полосы пропускания намного шире, чем требуется для простой двухточечной связи с той же скоростью передачи данных.
• Устойчивость к заклиниванию (помехам). Прямая последовательность (DS) хороша для противодействия непрерывным узкополосным помехам, тогда как скачкообразная перестройка частоты (FH) лучше противодействует импульсным помехам. В системах DS узкополосные помехи влияют на эффективность обнаружения примерно так же, как если бы мощность помех распределена по всей ширине полосы сигнала, где она часто не намного сильнее фонового шума. Напротив, в узкополосных системах, где ширина полосы сигнала мала, качество принимаемого сигнала будет значительно снижено, если мощность помех будет сосредоточена в полосе пропускания сигнала.
• Устойчивость к подслушиванию . Последовательность расширения (в системах DS) или шаблон скачкообразной перестройки частоты (в системах FH) часто неизвестны тем, для кого сигнал является непреднамеренным, и в этом случае он скрывает сигнал и снижает вероятность того, что злоумышленник его поймет. Более того, для заданной спектральной плотности мощности шума(PSD) системы с расширенным спектром требуют того же количества энергии на бит перед расширением, что и узкополосные системы, и, следовательно, такое же количество мощности, если скорость передачи данных перед расширением такая же, но поскольку мощность сигнала распространяется на большую полосу пропускания, PSD сигнала намного ниже - часто значительно ниже, чем PSD шума - так что злоумышленник может быть не в состоянии определить, существует ли сигнал вообще. Однако для критически важных приложений, особенно тех, которые используют коммерчески доступные радиостанции, радиостанции с расширенным спектром не обеспечивают адекватной безопасности, если, как минимум, не используются длинные нелинейные последовательности расширения и сообщения не зашифрованы.
• Устойчивость к выцветанию . Большая полоса пропускания, занимаемая сигналами с расширенным спектром, обеспечивает некоторое частотное разнесение; то есть маловероятно, что сигнал столкнется с серьезным замиранием из-за многолучевого распространения по всей его полосе пропускания. В системах с прямой последовательностью сигнал может быть обнаружен с помощью приемника граблей .
• Возможность множественного доступа, известная как множественный доступ с кодовым разделением (CDMA) или мультиплексирование с кодовым разделением (CDM). Несколько пользователей могут передавать одновременно в одной и той же полосе частот, если они используют разные последовательности расширения.

Изобретение скачкообразной перестройки частоты [ править ]

Идея попытаться защитить и избежать помех при радиопередаче восходит к началу передачи радиоволн. В 1899 году Гульельмо Маркони экспериментировал с частотно-избирательным приемом, пытаясь минимизировать помехи. ^[2] Концепция скачкообразной перестройки частоты была принята немецкой радиокомпанией Telefunken и также описана в патенте США 1903 года Николы Тесла . ^{[3] [4]} Пионер радио Джонатан Зеннек в немецкой книге 1908 года « Беспроводная телеграфия» описывает процесс и отмечает, что Telefunken использовал его ранее. ^[2]Он видел ограниченное использование немецкой военных в Первой мировой войне , ^[5] был предложен польский инженер Леонард Данилвикс в 1929 году ^[6] показали , в патенте в 1930 Виллема Broertjes ( Патент США 1,869,659 , выданном 2 августа , 1932), и в сверхсекретной системе связи Войска связи США времен Второй мировой войны под названием SIGSALY .

Во время Второй мировой войны голливудская актриса Золотого века Хеди Ламарр и авангардный композитор Джордж Антейл разработали устойчивую к помехам систему радионаведения для использования в торпедах союзников , запатентовав устройство в соответствии с патентом США 2292387 «Секретная система связи» 11 августа. 1942. Их подход был уникален тем, что согласование частот осуществлялось с помощью пианино для бумажных проигрывателей - новый подход, который так и не был реализован на практике. ^[7]

Генерация тактового сигнала [ править ]

Генерация тактовых импульсов с расширенным спектром (SSCG) используется в некоторых синхронных цифровых системах , особенно содержащих микропроцессоры, для уменьшения спектральной плотности электромагнитных помех (EMI), которые эти системы создают. Синхронная цифровая система - это система, управляемая тактовым сигналом.и из-за своей периодической природы имеет неизбежно узкий частотный спектр. Фактически, в идеальном тактовом сигнале вся энергия сконцентрирована на одной частоте (желаемой тактовой частоте) и ее гармониках. Практические синхронные цифровые системы излучают электромагнитную энергию в нескольких узких полосах частот, разбросанных по тактовой частоте и ее гармоникам, в результате чего частотный спектр на определенных частотах может превышать нормативные пределы для электромагнитных помех (например, установленные Федеральной комиссией связи США в США. Штаты, JEITA в Японии и IEC в Европе).

Синхронизация с расширенным спектром позволяет избежать этой проблемы за счет использования одного из ранее описанных методов для уменьшения пикового излучаемого излучения и, следовательно, его электромагнитного излучения и, таким образом, соответствия нормам электромагнитной совместимости (EMC).

Это стало популярным методом получения одобрения регулирующих органов, поскольку требует лишь простой модификации оборудования. Он даже более популярен в портативных электронных устройствах из-за более высоких тактовых частот и все большей интеграции ЖК-дисплеев с высоким разрешением во все более мелкие устройства. Поскольку эти устройства спроектированы как легкие и недорогие, традиционные пассивные электронные меры по снижению электромагнитных помех, такие как конденсаторы или металлическое экранирование, неэффективны. В этих случаях необходимы активные методы уменьшения электромагнитных помех , такие как синхронизация с расширенным спектром.

Однако синхронизация с расширенным спектром, как и другие виды динамического изменения частоты , также может создавать проблемы для разработчиков. Основным среди них является рассогласование часов / данных или рассогласование часов . Следовательно, возможность отключать синхронизацию с расширенным спектром в компьютерных системах считается полезной.

Обратите внимание, что этот метод не снижает общую излучаемую энергию, и поэтому вероятность возникновения помех в системе не обязательно. Распространение энергии по большей полосе пропускания эффективно снижает электрические и магнитные показания в узкой полосе пропускания. Типичные измерительные приемники, используемые испытательными лабораториями ЭМС, разделяют электромагнитный спектр на полосы частот шириной примерно 120 кГц. ^[8]Если бы тестируемая система излучала всю свою энергию в узкой полосе пропускания, она зарегистрировала бы большой пик. Распределение той же энергии в большей полосе пропускания не позволяет системам вкладывать достаточно энергии в любую одну узкую полосу, чтобы превысить установленные законом ограничения. Полезность этого метода как средства уменьшения реальных проблем с помехами часто обсуждается, поскольку считается, что синхронизация с расширенным спектром скрывает, а не решает проблемы с более высокой излучаемой энергией путем простого использования лазеек в законодательстве по электромагнитной совместимости или процедурах сертификации. Эта ситуация приводит к тому, что электронное оборудование, чувствительное к узкой полосе пропускания, испытывает гораздо меньше помех, в то время как оборудование с широкополосной чувствительностью или даже работающее на других более высоких частотах (например, радиоприемник, настроенный на другую станцию) будет испытывать больше помех.

Сертификационные испытания FCC часто завершаются с включенной функцией расширенного спектра, чтобы снизить измеряемые излучения до допустимых законодательных пределов. Однако в некоторых случаях функция расширения спектра может быть отключена пользователем. Например, в области персональных компьютеров некоторые разработчики BIOS включают возможность отключать генерацию тактовых импульсов с расширенным спектром в качестве пользовательской настройки, тем самым нарушая правила EMI. Это можно рассматривать как лазейку , но, как правило, на нее не обращают внимания, если по умолчанию включен расширенный спектр.

См. Также [ править ]

• Расширенный спектр прямой последовательности
• Электромагнитная совместимость (ЭМС)
• Электромагнитные помехи (EMI)
• Распределение частот
• Расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты
• Джордж Антейл
• БЫСТРАЯ военная система УВЧ-радиосвязи со скачкообразной перестройкой частоты
• Хеди Ламарр
• Открытый спектр
• Ортогональный переменный коэффициент расширения (OVSF)
• Рефлектометрия с расширенным спектром во временной области
• Расширенный спектр со скачкообразной перестройкой времени
• Сверхширокополосный

Заметки [ править ]

Источники [ править ]

•  Эта статья включает  материалы, являющиеся общественным достоянием, из документа Управления общих служб : «Федеральный стандарт 1037C» .(в поддержку MIL-STD-188 )
• Руководство NTIA по правилам и процедурам для федерального управления радиочастотами
• Глоссарий по безопасности национальных информационных систем
• История по расширенному спектру, как это дано в "Умных мобах, Следующая социальная революция", Говард Рейнгольд , ISBN 0-7382-0608-3 
• 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 . 
• Эндрю С. Таненбаум и Дэвид Дж. Ветералл, Компьютерные сети , пятое издание.

Внешние ссылки [ править ]

• Краткая история расширенного спектра
• CDMA и расширенный спектр
• Информационный бюллетень Spread Spectrum Scene