Spektrum rozproszenia częstotliwości - Frequency-hopping spread spectrum

Spektrum rozproszone z przeskokiem częstotliwości ( FHSS ) to metoda transmisji sygnałów radiowych poprzez szybką zmianę częstotliwości nośnej wśród wielu różnych częstotliwości zajmujących duże pasmo widmowe. Zmiany są kontrolowane przez kod znany zarówno nadajnikowi jak i odbiornikowi . FHSS służy do unikania zakłóceń, zapobiegania podsłuchiwaniu i umożliwiania komunikacji z wielokrotnym dostępem z podziałem kodu (CDMA).

Dostępne pasmo częstotliwości podzielone jest na mniejsze podpasma. Sygnały szybko zmieniają („przeskakują”) swoje częstotliwości nośne pomiędzy środkowymi częstotliwościami tych podpasm w określonej kolejności. Zakłócenia o określonej częstotliwości wpłyną na sygnał tylko przez krótki czas.

FHSS oferuje cztery główne zalety w porównaniu z transmisją o stałej częstotliwości:

Sygnały FHSS są bardzo odporne na zakłócenia wąskopasmowe, ponieważ sygnał przeskakuje do innego pasma częstotliwości.
Sygnały są trudne do przechwycenia, jeśli wzorzec przeskoków częstotliwości nie jest znany.
Zagłuszanie jest również trudne, jeśli wzór jest nieznany; złośliwa osoba może zablokować sygnał tylko na jeden okres przeskoku, jeśli sekwencja rozprzestrzeniania się jest nieznana.
Transmisje FHSS mogą dzielić pasmo częstotliwości z wieloma typami transmisji konwencjonalnych przy minimalnych wzajemnych zakłóceniach. Sygnały FHSS minimalizują zakłócenia w komunikacji wąskopasmowej i na odwrót.

zastosowanie wojskowe

Sygnały o widmie rozproszonym są wysoce odporne na celowe zagłuszanie , chyba że przeciwnik ma wiedzę o wzorcu przeskoków częstotliwości. Radiotelefony wojskowe generują wzór przeskoku częstotliwości pod kontrolą tajnego klucza bezpieczeństwa transmisji (TRANSEC), który z wyprzedzeniem współdzielą nadawca i odbiorca. Ten klucz jest generowany przez urządzenia takie jak KY-57 Speech Security Equipment. Amerykańskie radiotelefony wojskowe, które wykorzystują przeskok częstotliwości, obejmują rodzinę JTIDS/MIDS, system komunikacji mobilnej HAVE QUICK oraz radio SINCGARS Combat Net Radio, Link-16 .

Zastosowanie cywilne

W Stanach Zjednoczonych, odkąd Federalna Komisja Łączności (FCC) zmieniła zasady zezwalające na systemy FHSS w nieregulowanym paśmie 2,4 GHz, wiele urządzeń konsumenckich w tym paśmie używało różnych trybów FHSS. eFCC CFR 47 część 15.247 obejmuje przepisy w USA dla pasm 902-928 MHz, 2400-2483,5 MHz i 5725-5850 MHz oraz wymagania dotyczące przeskoku częstotliwości

Niektóre krótkofalówki, które wykorzystują technologię FHSS, zostały opracowane do nielicencjonowanego użytku w paśmie 900 MHz. Technologia FHSS jest również wykorzystywana w wielu hobbystycznych nadajnikach i odbiornikach używanych w modelach samochodów, samolotów i dronów sterowanych radiowo . Osiągnięto rodzaj wielodostępu, który pozwala na równoczesną obsługę setek par nadajnik/odbiornik w tym samym paśmie, w przeciwieństwie do poprzednich systemów sterowanych radiowo FM lub AM, które miały ograniczoną liczbę jednoczesnych kanałów.

Względy techniczne

Ogólna szerokość pasma wymagana do przeskoku częstotliwości jest znacznie szersza niż wymagana do przesyłania tych samych informacji przy użyciu tylko jednej częstotliwości nośnej . Jednakże, ponieważ transmisja odbywa się tylko w niewielkiej części tego pasma w danym momencie, przepustowość chwilowej interferencji jest w rzeczywistości taka sama. Nie zapewniając dodatkowej ochrony przed szerokopasmowym szumem termicznym , podejście z przeskokiem częstotliwości zmniejsza degradację powodowaną przez wąskopasmowe źródła zakłóceń.

Jednym z wyzwań związanych z systemami przeskoku częstotliwości jest synchronizacja nadajnika i odbiornika. Jednym ze sposobów jest uzyskanie gwarancji, że nadajnik będzie wykorzystywał wszystkie kanały w ustalonym czasie. Odbiornik może następnie znaleźć nadajnik, wybierając losowy kanał i nasłuchując poprawnych danych na tym kanale. Dane nadajnika są identyfikowane przez specjalną sekwencję danych, która prawdopodobnie nie występuje w segmencie danych dla tego kanału, a segment może mieć również sumę kontrolną do sprawdzania integralności i dalszej identyfikacji. Nadajnik i odbiornik mogą korzystać ze stałych tabel wzorców przeskoków częstotliwości, dzięki czemu po zsynchronizowaniu mogą utrzymywać komunikację, podążając za tabelą.

W USA część 15 FCC dotycząca nielicencjonowanych systemów z widmem rozproszonym w pasmach 902-928 MHz i 2,4 GHz pozwala na większą moc niż jest to dozwolone dla systemów bez widma rozproszonego. Zarówno systemy FHSS, jak i systemy z rozproszonym widmem z sekwencją bezpośrednią (DSSS) mogą przesyłać z mocą 1 wata, co stanowi tysiąckrotny wzrost w stosunku do limitu 1 miliwata w systemach bez widma rozproszonego. Federal Communications Commission (FCC) określa również minimalną liczbę kanałów częstotliwościowych i maksymalny czas przebywania dla każdego kanału.

Wielu wynalazców

W 1899 Guglielmo Marconi eksperymentował z odbiorem selektywnym częstotliwościowo, próbując zminimalizować zakłócenia.

Najwcześniejsze wzmianki o przeskakiwaniu częstotliwości w otwartej literaturze znajdują się w amerykańskim patencie 725,605 przyznanym Nikoli Tesli 17 marca 1903 oraz w książce pioniera radia Jonathana Zennecka Wireless Telegraphy (niemiecki, 1908, angielskie tłumaczenie McGraw Hill, 1915), chociaż Zenneck sam twierdzi, że Telefunken już tego próbował. Nikola Tesla nie wspomina wprost słowa „przeskakiwanie częstotliwości”, ale z pewnością nawiązuje do niego. Zatytułowany Method of Signaling , patent opisuje system, który umożliwiłby komunikację radiową bez niebezpieczeństwa zakłócenia, przechwycenia lub zakłócenia w jakikolwiek sposób sygnałów lub wiadomości .

Wojsko niemieckie w ograniczonym stopniu wykorzystywało przeskakiwanie częstotliwości do komunikacji między stałymi punktami dowodzenia podczas I wojny światowej, aby zapobiec podsłuchiwaniu przez siły brytyjskie, które nie miały technologii umożliwiającej śledzenie sekwencji. Książka Jonathana Zennecka Telegrafia bezprzewodowa została pierwotnie opublikowana w języku niemieckim w 1908 roku, ale została również przetłumaczona na język angielski w 1915 roku, gdy wróg zaczął używać przeskakiwania częstotliwości na linii frontu. Zenneck był niemieckim fizykiem i inżynierem elektrykiem, który zainteresował się radiem, uczęszczając na wykłady Tesli na temat „nauk bezprzewodowych”. Telegrafia bezprzewodowa zawiera sekcję o przeskakiwaniu częstotliwości, a ponieważ przez wiele lat stała się standardowym tekstem, prawdopodobnie wprowadziła tę technologię do pokolenia inżynierów.

Polski inżynier i wynalazca, Leonard Danilewicz , wpadł na pomysł w 1929 roku kilka innych patentów zostały wykonane w 1930 roku, w tym jeden przez Willem Broertjes ( US Patent 1,869,659 , wydanym 02 sierpnia 1932).

Podczas II wojny światowej The US Army Signal Corps było wynalezienie systemu komunikacyjnego o nazwie SIGSALY , który zawierał widmie rozproszonym w jednym kontekście częstotliwości. Jednak SIGSALY był ściśle tajnym systemem komunikacji, więc jego istnienie stało się znane dopiero w latach 80. XX wieku.

W 1942 roku aktorka Hedy Lamarr i kompozytor George Antheil otrzymali patent USA nr 2 292 387 za swój „Secret Communications System” – wczesną wersję przeskakiwania częstotliwości za pomocą rolki fortepianu, aby zmienić pomiędzy 88 częstotliwościami, aby utrudnić wrogom wykrycie lub zacięcie torped sterowanych radiowo. , został odrzucony przez Marynarkę Wojenną Stanów Zjednoczonych, a następnie przejęty jako „własność obcych” w 1942 r. (Lamarr był Austriakiem), ale został złożony w aktach bez wzmianki o wyprodukowaniu działającego urządzenia. Pomysł Lamarra i Antheila został ponownie odkryty w latach 50. XX wieku podczas poszukiwań patentów, kiedy prywatne firmy niezależnie rozwijały wielokrotny dostęp z podziałem kodu z sekwencją bezpośrednią, formę widma rozproszonego bez przeskakiwania częstotliwości i od tego czasu był wielokrotnie cytowany. W 1957 roku inżynierowie z Sylvania Electronic Systems Division przyjęli opatentowaną koncepcję w połączeniu z niedawno wynalezionym tranzystorem. W 1962 roku US Navy w końcu wykorzystała tę technologię podczas kryzysu kubańskiego ; Patent Lamarra i Antheila wygasł.

Praktyczne zastosowanie przeskoku częstotliwości opracował Ray Zinn , współzałożyciel firmy Micrel Corporation. Zinn opracował metodę umożliwiającą działanie urządzeń radiowych bez konieczności synchronizacji odbiornika z nadajnikiem. Wykorzystując tryby przeskakiwania częstotliwości i przemiatania, metoda Zinna jest stosowana przede wszystkim w aplikacjach bezprzewodowych o niskiej szybkości transmisji danych, takich jak pomiary mediów, monitorowanie i pomiary maszyn i urządzeń oraz zdalne sterowanie. W 2006 Zinn otrzymał patent US 6.996.399 za „Urządzenie bezprzewodowe i metodę wykorzystującą tryby przeskoku częstotliwości i przemiatania”.

Wariacje

Adaptacyjne widmo z przeskokiem częstotliwości ( AFH ) stosowane w technologii Bluetooth poprawia odporność na zakłócenia częstotliwości radiowych poprzez unikanie zatłoczonych częstotliwości w sekwencji przeskoków. Ten rodzaj transmisji adaptacyjnej jest łatwiejszy do wdrożenia w FHSS niż w DSSS .

Kluczową ideą AFH jest używanie tylko „dobrych” częstotliwości, unikając „złych” kanałów częstotliwości – być może te „złe” kanały częstotliwości doświadczają zanikania selektywnego częstotliwości , a może jakaś osoba trzecia próbuje komunikować się na tych pasmach, a może te zespoły są aktywnie zagłuszane. Dlatego AFH należy uzupełnić mechanizmem wykrywania dobrych/złych kanałów.

Jeśli jednak zakłócenia częstotliwości radiowej same w sobie są dynamiczne, to strategia „usuwania złych kanałów” zastosowana w AFH może nie działać dobrze. Na przykład, jeśli istnieje kilka kolokowanych sieci przeskoków częstotliwości (takich jak Bluetooth Piconet ), to wzajemnie się one zakłócają, a strategia AFH nie pozwala uniknąć tych zakłóceń.

Problem dynamicznych zakłóceń, stopniowej redukcji dostępnych kanałów przeskoku i wstecznej kompatybilności ze starszymi urządzeniami Bluetooth został rozwiązany w wersji 1.2 standardu Bluetooth (2003). Taka sytuacja może się często zdarzyć w scenariuszach wykorzystujących nielicencjonowane widmo .

Ponadto oczekuje się, że dynamiczne zakłócenia częstotliwości radiowych wystąpią w scenariuszach związanych z radiem kognitywnym , gdzie sieci i urządzenia powinny działać zwinnie pod względem częstotliwości .

Modulacja chirp może być postrzegana jako forma przeskakiwania częstotliwości, która po prostu skanuje dostępne częstotliwości w kolejności komunikowania się.

Przeskakiwanie częstotliwości można nakładać na inne modulacje lub przebiegi w celu zwiększenia wydajności systemu.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Władysław Kozaczuk , Enigma. Jak złamano niemiecki szyfr maszynowy i jak go odczytali alianci podczas II wojny światowej , pod redakcją i przekładem Christophera Kasparka , dr n. med. Frederick, University Publications of America, 1984, ISBN 0-89093-547 -5 .

Languages

In other projects