Распространение спектра
| полосы пропускания Модуляция |
|---|
 |
| Аналоговая модуляция |
| Цифровая модуляция |
| Иерархическая модуляция |
| Распространение спектра |
| См. также |
| Мультиплексирование |
|---|
 |
| Аналоговая модуляция |
| Связанные темы |
В телекоммуникациях , особенно в радиосвязи , расширение спектра — это методы, с помощью которых сигнал (например, электрический, электромагнитный или акустический), генерируемый с определенной полосой частот , намеренно расширяется в частотной области по более широкому диапазону частот . Методы расширения спектра используются для установления безопасной связи, повышения устойчивости к естественным помехам , шуму и помехам , для предотвращения обнаружения, для ограничения плотности потока мощности (например, в спутниковых нисходящих линиях связи ) и для обеспечения связи с множественным доступом.
Телекоммуникации
[ редактировать ]Расширенный спектр обычно использует последовательную шумоподобную структуру сигнала для расширения обычно узкополосного информационного сигнала по относительно широкой (радио) полосе частот. Приемник коррелирует полученные сигналы для получения исходного информационного сигнала. Первоначально существовало две мотивации: либо противостоять попыткам противника заглушить связь (анти-помех, или AJ), либо скрыть тот факт, что связь вообще имела место, что иногда называют 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 с частотной модуляцией (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 расширения 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 системах военной связи с 1950-х годов, «распространяют» радиосигнал в широком диапазоне частот, на несколько величин превышающих минимальные требования. Основным принципом расширения спектра является использование шумоподобных несущих волн и, как следует из названия, ширины полосы пропускания, намного более широкой, чем та, которая требуется для простой связи «точка-точка» с той же скоростью передачи данных.
- Устойчивость к помехам (помехам). Прямая последовательность (DS) хорошо противостоит 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 распределялась по всей полосе пропускания сигнала, где она часто не намного сильнее фонового шума. Напротив, в узкополосных системах, где полоса пропускания сигнала мала, качество принимаемого сигнала будет значительно снижено, если мощность помех будет сконцентрирована в полосе пропускания сигнала.
- Устойчивость к подслушиванию . Последовательность расширения (в системах DS) или схема скачкообразной перестройки частоты (в системах FH) часто неизвестна никому, для кого сигнал не предназначен, и в этом случае это скрывает сигнал и снижает вероятность того, что противник поймет его. Более того, для данной 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 одинакова, но поскольку сигнал мощность распределяется по широкой 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 расширяющие последовательности и сообщения не зашифрованы.
- Устойчивость к выцветанию . Широкая полоса пропускания, занимаемая сигналами с расширенным спектром, обеспечивает некоторое частотное разнесение; т. е. маловероятно, что сигнал столкнется с серьезными замираниями из-за многолучевого распространения по всей полосе пропускания. В системах прямой последовательности сигнал может быть обнаружен с помощью гребного приемника .
- Возможность множественного доступа, известная как множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA) или мультиплексирование с кодовым разделением каналов (CDM). Несколько пользователей могут одновременно вести передачу в одном и том же диапазоне частот, если они используют разные последовательности расширения.
Изобретение скачкообразной перестройки частоты
[ редактировать ]Идея защиты и предотвращения помех при радиопередаче восходит к зарождению радиоволновой передачи сигналов. В 1899 году Гульельмо Маркони экспериментировал с частотно-селективным приемом, пытаясь минимизировать помехи. [2] Концепция скачкообразной перестройки частоты была принята немецкой радиокомпанией Telefunken , а также описана в патенте США 1903 года Николы Теслы . [3] [4] пионера радио Джонатана Ценнека В немецкой книге «Беспроводная телеграфия» , вышедшей в 1908 году , описывается этот процесс и отмечается, что Telefunken использовал его ранее. [2] он использовался немецкими военными ограниченно В Первой мировой войне . [5] был выдвинут польским инженером Леонардом Данилевичем в 1929 году. [6] появился в патенте 1930-х годов Виллема Броертджеса ( патент США 1869659, выданный 2 августа 1932 года), а также в сверхсекретной Корпуса связи армии США времен Второй мировой войны системе связи под названием SIGSALY .
Во время Второй мировой войны Золотого века Голливуда актриса Хеди Ламарр -авангардист и композитор Джордж Антейл разработали устойчивую к помехам систему радионаведения для использования в торпедах союзников , запатентовав устройство по патенту США 2 292 387 «Секретная система связи» 11 августа. 1942. Их подход был уникален тем, что координация частот осуществлялась с помощью бумажных барабанов пианино - новый подход, который так и не был реализован на практике. [7]
Генерация тактового сигнала
[ редактировать ] | Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( январь 2020 г. ) |
Генерация тактового сигнала с расширенным спектром (SSCG) используется в некоторых синхронных цифровых системах , особенно в тех, которые содержат микропроцессоры, для уменьшения спектральной плотности электромагнитных помех (EMI), которые генерируют эти системы. Синхронная цифровая система — это система, которая управляется тактовым сигналом и из-за своей периодической природы имеет неизбежно узкий частотный спектр. Фактически, вся энергия идеального тактового сигнала будет сконцентрирована на одной частоте (желаемой тактовой частоте) и ее гармониках.
Фон
[ редактировать ]Практические синхронные цифровые системы излучают электромагнитную энергию в ряде узких полос, распределенных по тактовой частоте и ее гармоникам, в результате чего получается частотный спектр, который на определенных частотах может превышать нормативные пределы электромагнитных помех (например, установленные FCC в США). США, JEITA в Японии и IEC в Европе).
Синхронизация с расширенным спектром позволяет избежать этой проблемы за счет снижения пиковой излучаемой энергии и, следовательно, ее электромагнитных излучений и, таким образом, соответствует нормам электромагнитной совместимости (ЭМС). Этот метод стал популярным методом получения одобрения регулирующих органов, поскольку требует лишь простой модификации оборудования. Он еще более популярен в портативных электронных устройствах из-за более высоких тактовых частот и растущей интеграции ЖК-дисплеев высокого разрешения в устройства все меньшего размера. Поскольку эти устройства спроектированы так, чтобы быть легкими и недорогими, традиционные пассивные электронные меры по снижению электромагнитных помех, такие как конденсаторы или металлическое экранирование, нежизнеспособны. активного снижения электромагнитных помех, В этих случаях необходимы методы такие как синхронизация с расширенным спектром.
Метод
[ редактировать ]В системах PCIe, USB 3.0 и SATA наиболее распространенным методом является распространение с понижением частоты посредством частотной модуляции с помощью источника более низкой частоты. [8] Синхронизация с расширенным спектром, как и другие виды динамического изменения частоты , также может создавать проблемы для разработчиков. Основным из них является несовпадение тактового сигнала/данных или перекос тактового сигнала . Для системы фазовой автоподстройки частоты на приемной стороне требуется достаточно высокая полоса пропускания, чтобы правильно отслеживать тактовый сигнал с расширенным спектром. [9]
Несмотря на то, что совместимость SSC является обязательной для ресиверов SATA, [10] нередко можно обнаружить, что микросхемы расширения имеют проблемы с работой таких часов. Следовательно, возможность отключения синхронизации с расширенным спектром в компьютерных системах считается полезной. [11] [12] [13]
Эффект
[ редактировать ]Обратите внимание, что этот метод не снижает общую излучаемую энергию, и поэтому системы не обязательно менее склонны вызывать помехи. Распределение энергии по более широкой полосе пропускания эффективно снижает электрические и магнитные показания в узкой полосе пропускания. Типичные измерительные приемники , используемые испытательными лабораториями ЭМС, делят электромагнитный спектр на полосы частот шириной примерно 120 кГц. [14] Если бы тестируемая система излучала всю свою энергию в узкой полосе пропускания, она зарегистрировала бы большой пик. Распределение этой же энергии в более широкую полосу пропускания не позволяет системам передавать достаточно энергии в любую узкую полосу, чтобы превысить установленные законом пределы. Полезность этого метода как средства уменьшения реальных проблем с помехами часто обсуждается. [9] поскольку считается, что синхронизация с расширенным спектром скорее скрывает, чем решает проблемы с более высоким уровнем излучаемой энергии 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 расширения спектра, чтобы снизить измеренные выбросы до допустимых законом пределов. Однако в некоторых случаях функция расширения спектра может быть отключена пользователем. Например, в области персональных компьютеров некоторые разработчики BIOS включают возможность отключения генерации тактового сигнала с расширенным спектром в качестве пользовательской настройки, тем самым сводя на нет объект правил EMI. Это можно считать лазейкой , но обычно на нее не обращают внимания, пока расширение спектра включено по умолчанию.
См. также
[ редактировать ]- Расширение спектра прямой последовательности
- Электромагнитная совместимость (ЭМС)
- Электромагнитные помехи (ЭМИ)
- Распределение частот
- Расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты
- Джордж Антейл
- ИМЕЮ БЫСТРУЮ военную систему голосовой радиосвязи УВЧ со скачкообразной перестройкой частоты
- Хеди Ламарр
- Открытый спектр
- Ортогональный переменный коэффициент расширения (OVSF)
- Рефлектометрия с расширенным спектром во временной области
- Спектр расширения со скачкообразной перестройкой времени
- Сверхширокополосный
Примечания
[ редактировать ]- ^ Торриери, Дон (2018). Принципы систем связи с расширенным спектром, 4-е изд .
- ^ Jump up to: а б Кан, Дэвид (17 января 2014 г.). Как я обнаружил величайшего шпиона Второй мировой войны и другие истории об разведке и кодировании . ЦРК Пресс. ISBN 9781466561991 . Проверено 9 ноября 2022 г. - через Google Книги.
- ^ Тони Ротман, Случайные пути к скачку частоты, американский ученый, январь – февраль 2019 г., том 107, номер 1, страница 46 americanscientist.org
- ^ Джонатан Адольф Вильгельм Ценнек, Беспроводная телеграфия, McGraw-Hill Book Company, Incorporated, 1915, стр. 331
- ^ 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 получило одобрения, так как это была поистине варварская идея, заключающаяся в постоянном изменении частоты передатчика. Комиссия так и сделала: однако сочтите целесообразным предоставить мне 5000 злотых за выполнение модели и в качестве поощрения к дальнейшей работе». Цитируется по книге Владислава Козачука « Загадка: как был взломан немецкий машинный шифр и как он был прочитан союзниками во Второй мировой войне» , 1984, с. 27.
- ^ Ари Бен-Менахем, Историческая энциклопедия естественных и математических наук, Том 1, Springer Science & Business Media - 2009, страницы 4527-4530
- ^ «Тактирование с расширенным спектром» . Микросеми .
- ^ Jump up to: а б Пункт Медиа (19 марта 2013 г.). «Генерация тактового сигнала с расширенным спектром - теория и дебаты» . Интерференционная технология .
- ^ «Примечания по применению CATC SATracer / Trainer: синхронизация с расширенным спектром» (PDF) . КАТС . 2 июля 2003 года . Проверено 20 мая 2023 г.
- ^ Жесткие диски Western Digital Raid Edition III не распознаются RAID-контроллером (Thomas Krenn Wiki)
- ^ Система хранения данных Intel SS4000-E: жесткие диски, такие как Western Digital WD2500JS SATA, не распознаются. Почему это? (Центр реселлеров Intel)
- ^ Утилита SSC Toggle Utility — Barracuda 7200.9 на Wayback Machine (архивировано 29 апреля 2010 г.) (База знаний Seagate)
- ^ Американский национальный стандарт по приборам для измерения электромагнитного шума и напряженности поля, от 10 Гц до 40 ГГц — технические характеристики, ANSI C63.2-1996, раздел 8.2 Общая полоса пропускания
Источники
[ редактировать ]
В этой статье использованы общедоступные материалы из Федеральный стандарт 1037C . Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. (в поддержку MIL-STD-188 ). - Руководство NTIA по правилам и процедурам управления федеральными радиочастотами
- Глоссарий по безопасности национальных информационных систем
- История распространения спектра, изложенная в книге Говарда Рейнгольда «Умные мобы, следующая социальная революция» . ISBN 0-7382-0608-3
- Владислав Козачук , Загадка: 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. Уэтералл, Компьютерные сети , пятое издание.
