Расширенный спектр - Spread spectrum

Полоса пропускания модуляция
Аналоговая модуляция
Цифровая модуляция
Иерархическая модуляция
Расширенный спектр
Смотрите также
Мультиплексирование
Multiplexing diagram.svg
Аналоговая модуляция
похожие темы
Часть серия на
Антенны
Монтаж типичной сотовой антенны на вершине башни.
Методы

В телекоммуникации и радиосвязь, расширенный спектр методы - это методы, с помощью которых сигнал (например, электрический, электромагнитный или акустический сигнал), генерируемый определенным пропускная способность намеренно распространяется в частотная область, в результате чего сигнал с более широким пропускная способность. Эти методы используются по разным причинам, в том числе для установления безопасной связи, повышения устойчивости к естественным вмешательство, шум, и заклинивание, чтобы предотвратить обнаружение, чтобы ограничить плотность потока мощности (например, в спутник ссылки вниз ), а также для обеспечения связи с множественным доступом.

Телекоммуникации

Расширенный спектр обычно использует последовательный шум -подобная структура сигнала для нормального распространения узкополосный информационный сигнал по относительно широкополосный (радио) диапазон частот. Приемник коррелирует полученные сигналы для получения исходного информационного сигнала. Изначально было две мотивации: либо противостоять попыткам врага заглушить связь (anti-jam, или AJ), либо скрыть тот факт, что связь вообще имела место, что иногда называют низкая вероятность перехвата (LPI).[1]

Расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS), расширенный спектр прямой последовательности (DSSS), расширенный спектр со скачкообразной перестройкой времени (THSS), спектр распространения щебета (CSS), и комбинации этих методов представляют собой формы расширенного спектра. Первые два из этих методов используют последовательности псевдослучайных чисел, созданные с использованием генераторы псевдослучайных чисел - для определения и управления схемой 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 годов, «распространяют» радиосигнал в широком диапазоне частот, на несколько величин превышающих минимальные требования. Основным принципом расширенного спектра является использование шумоподобных несущих волн, и, как следует из названия, ширина полосы пропускания намного шире, чем требуется для простой связи точка-точка с той же скоростью передачи данных.
  • Устойчивость к заклинивание (вмешательство). Прямая последовательность (DS) хороша для противодействия непрерывным узкополосным помехам, тогда как скачкообразная перестройка частоты (FH) лучше противостоит 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, в которых ширина полосы сигнала мала, качество принимаемого сигнала будет значительно снижено, если мощность помех будет сосредоточена в полосе пропускания сигнала.
  • Устойчивость к подслушивание. 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 данного шума спектральная плотность мощности (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 по большой полосе 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 адекватную безопасность, если, как минимум, не используются длинные нелинейные последовательности расширения и сообщения не зашифрованы.
  • Устойчивость к угасание. Большая полоса пропускания, занимаемая сигналами с расширенным спектром, предлагает некоторое частотное разнесение; т.е. маловероятно, что сигнал встретит серьезную многолучевость затухание по всей полосе пропускания. В системах с прямой последовательностью сигнал может быть обнаружен с помощью приемник граблей.
  • Возможность множественного доступа, известная как Кодовым разделением множественного доступа (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

Дальнейшая информация: Расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты

Идея попытаться защитить и избежать помех в радиопередаче восходит к началу передачи радиоволн. В 1899 г. Гульельмо Маркони экспериментировал с частотно-избирательным приемом в попытке минимизировать помехи.[2] Концепция чего-либо Скачкообразная перестройка частоты был принят на вооружение немецкой радиокомпании Telefunken а также описан в патенте США 1903 г. Никола Тесла.[3][4] Пионер радио Джонатан Зеннек Немецкая книга 1908 года Беспроводная телеграфия описывает процесс и отмечает, что Telefunken использовал его ранее.[2] Он видел ограниченное использование немецкими военными в Первая Мировая Война,[5] был выдвинут Польский инженер Леонард Данилевич в 1929 г.,[6] обнаружен в патенте в 1930-х годах Виллемом Броертьесом (Патент США 1869659 , выпущенный 2 августа 1932 г.), а также в сверхсекретном Корпус связи армии США Вторая Мировая Война система связи названа СИГСАЛИ.

Во время Второй мировой войны Золотой век Голливуда актриса Хеди Ламарр и авангард композитор Джордж Антейл разработал предназначенную устойчивую к помехам систему радионаведения для использования в Союзных торпеды, запатентовав устройство под Патент США 2,292,387 «Секретная система связи» 11 августа 1942 года. Их подход был уникальным в том смысле, что согласование частот осуществлялось с помощью рулонов пианино для бумажных проигрывателей - новый подход, который никогда не применялся на практике.[7]

Генерация тактового сигнала

Широкий спектр современных импульсных источников питания (период нагрева), в т.ч. диаграмма водопада за несколько минут. Записано с помощью анализатора ЭМС NF-5030

Генерация тактовых импульсов с расширенным спектром (SSCG) используется в некоторых синхронные цифровые системы, особенно те, которые содержат микропроцессоры, чтобы уменьшить спектральную плотность электромагнитная интерференция (EMI), которые генерируют эти системы. Синхронная цифровая система - это система, управляемая тактовый сигнал 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, FCC В Соединенных Штатах, 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 излучения энергии и, следовательно, его электромагнитного излучения и, таким образом, соответствия электромагнитная совместимость (EMC) правила.

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 меньшие устройства. Поскольку эти устройства спроектированы как легкие и недорогие, традиционные пассивные электронные меры по снижению электромагнитных помех, такие как конденсаторы или металлическое экранирование, неприменимы. Активное снижение электромагнитных помех В этих случаях необходимы такие методы, как синхронизация с расширенным спектром.

Однако синхронизация с расширенным спектром, как и другие виды динамическое изменение частоты, также может создать проблемы для дизайнеров. Основным среди них является рассогласование часов / данных или перекос часов. Следовательно, возможность отключить синхронизацию с расширенным спектром в компьютерных системах считается полезной.

Обратите внимание, что этот метод не уменьшает общее излученный энергии, и поэтому системы не обязательно с меньшей вероятностью будут вызывать помехи. Распространение энергии по большей полосе пропускания эффективно снижает электрические и магнитные показания в узкой полосе пропускания. Типичный измерительные приемники Испытательные лаборатории EMC 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 скорее скрывает, чем решает проблемы с более высокой излучаемой энергией, путем простого использования лазеек в законодательстве по ЭМС 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 расширения спектра, чтобы снизить измеряемые излучения до приемлемых, установленных законом пределов. Однако в некоторых случаях функция расширения спектра может быть отключена пользователем. Например, в области персональных компьютеров некоторые BIOS Авторы включают возможность отключения генерации тактовых импульсов с расширенным спектром в качестве пользовательской настройки, тем самым побеждая объект правил EMI. Это можно считать лазейка, но обычно игнорируется, если по умолчанию включен расширенный спектр.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Торриери, Дон (2018). Принципы систем связи с расширенным спектром, 4-е изд..
  2. ^ а б Дэвид Кан, Как я обнаружил величайшего шпиона Второй мировой войны и другие истории разведки и кода, CRC Press - 2014, страницы 157-158
  3. ^ Тони Ротман, Случайные пути к скачкообразному изменению частоты, американский ученый, январь-февраль 2019 г., том 107, номер 1, стр. 46 americanscientist.org
  4. ^ Джонатан Адольф Вильгельм Зеннек, Беспроводная телеграфия, McGraw-Hill Book Company, Incorporated, 1915, стр. 331
  5. ^ Денис Винтер, Приказ Хейга - переоценка
  6. ^ Позднее Данилевич вспоминал: «В 1929 году мы сделали предложение Генеральный штаб устройство моей конструкции для секретной радиотелеграфии, которое, к счастью, не получило признания, поскольку это была поистине варварская идея, заключающаяся в постоянном изменении частоты передатчика. Однако комиссия сочла целесообразным присудить мне 5 000 злотых за создание модели и поощрение к дальнейшей работе ». Цитируется в Владислав Козачук, Enigma: как немецкий машинный шифр был взломан и как его прочитали союзники во время Второй мировой войны, 1984, с. 27.
  7. ^ Ари Бен-Менахем, Историческая энциклопедия естественных и математических наук, том 1, Springer Science & Business Media - 2009, страницы 4527-4530
  8. ^ Американский национальный стандарт для приборов для измерения электромагнитных шумов и напряженности поля, от 10 Гц до 40 ГГц - Технические характеристики, ANSI C63.2-1996, раздел 8.2 Общая полоса пропускания

Источники

внешняя ссылка