Расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты

Расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты ( FHSS ) — это метод передачи радиосигналов путем быстрого изменения несущей частоты среди множества частот, занимающих большую спектральную полосу. Изменения контролируются кодом, известным как передатчику , так и приемнику . FHSS используется для предотвращения помех, предотвращения подслушивания и обеспечения связи множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA).

Полоса частот разделена на более мелкие поддиапазоны. Сигналы быстро меняют («скачком») свои несущие частоты среди центральных частот этих поддиапазонов в определенном порядке. Помехи на определенной частоте будут влиять на сигнал только в течение короткого интервала времени. ^[1]

FHSS предлагает четыре основных преимущества по сравнению с передачей с фиксированной частотой:

Сигналы FHSS обладают высокой устойчивостью к узкополосным помехам , поскольку сигнал переключается в другую полосу частот.
Сигналы трудно перехватить, если неизвестен характер скачкообразной перестройки частоты.
Постановка помех также затруднена, если закономерность неизвестна; сигнал может быть заглушен только на один период скачкообразной перестройки, если последовательность расширения неизвестна.
Передачи FHSS могут использовать полосу частот многих типов обычных передач с минимальными взаимными помехами. Сигналы FHSS создают минимальные помехи для узкополосной связи, и наоборот.

Использование

Военный

Сигналы с расширенным спектром очень устойчивы к преднамеренным помехам , если противник не знает схемы скачкообразной перестройки частоты. Военные радиостанции генерируют шаблон скачкообразной перестройки частоты под контролем секретного ключа безопасности передачи (TRANSEC), которым отправитель и получатель заранее делятся. Этот ключ генерируется такими устройствами, как оборудование для защиты речи KY-57. Военные радиостанции США, использующие скачкообразную перестройку частоты, включают семейство JTIDS/MIDS, систему авиационной мобильной связи HAVE QUICK и SINCGARS боевую сетевую радиостанцию , Link-16 .

Гражданский

В США после того, как Федеральная комиссия по связи (FCC) внесла поправки в правила, разрешающие системам FHSS работать в нерегулируемом диапазоне 2,4 ГГц, многие потребительские устройства в этом диапазоне используют различные режимы FHSS. eFCC CFR 47, часть 15.247, охватывает правила США для диапазонов 902–928 МГц, 2400–2483,5 МГц и 5725–5850 МГц, а также требования к скачку частоты. ^[2]

Некоторые рации , использующие технологию FHSS, были разработаны для нелицензионного использования в диапазоне 900 МГц. Технология FHSS также используется во многих любительских передатчиках и приемниках, используемых в радиоуправляемых моделях автомобилей, самолетов и дронов. Достигается своего рода множественный доступ, позволяющий одновременно работать сотням пар передатчик/приемник в одном и том же диапазоне, в отличие от предыдущих радиоуправляемых систем FM или AM, которые имели ограниченное количество одновременных каналов.

Технические соображения

Общая полоса пропускания, необходимая для скачкообразной перестройки частоты, намного шире, чем та, которая требуется для передачи той же информации с использованием только одной несущей частоты . Но поскольку в любой момент времени передача происходит только в небольшой части этой полосы пропускания, мгновенная полоса пропускания помех на самом деле одинакова. Не обеспечивая дополнительной защиты от широкополосного теплового шума , подход со скачкообразной перестройкой частоты снижает ухудшение качества, вызванное источниками узкополосных помех.

Одной из проблем систем со скачкообразной перестройкой частоты является синхронизация передатчика и приемника. Один из подходов состоит в том, чтобы иметь гарантию того, что передатчик будет использовать все каналы в течение фиксированного периода 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 появится в сегменте данных для этого канала, а также сегмент может иметь контрольную сумму для проверки целостности и дальнейшей идентификации. Передатчик и приемник могут использовать фиксированные таблицы шаблонов скачкообразной перестройки частоты, так что после синхронизации они могут поддерживать связь, следуя таблице.

В США часть 15 FCC о нелицензионных системах с расширенным спектром в диапазонах 902–928 МГц и 2,4 ГГц разрешает большую мощность, чем разрешено для систем с нерасширенным спектром. Как системы FHSS, так и системы с расширенным спектром прямой последовательности (DSSS) могут передавать мощность 1 Вт, что в тысячу раз больше, чем предел в 1 милливатт для систем без расширения спектра. FCC также предписывает минимальное количество частотных каналов и максимальное время задержки для каждого канала.

Происхождение

В 1899 году Гульельмо Маркони экспериментировал с частотно-селективным приемом, пытаясь минимизировать помехи. ^[3]

Самые ранние упоминания о скачкообразной перестройке частоты в открытой литературе содержатся в патенте США № 725605 , выданном Николе Тесле 17 марта 1903 года. ^[4] пионера радио Джонатана Ценнека и в книге «Беспроводная телеграфия» (немецкий, 1908 г., английский перевод McGraw Hill, 1915 г.): ^[5]^[а] хотя Зеннек пишет, что Telefunken это уже пробовала. Никола Тесла не упоминает словосочетание «прыжковая частота» напрямую, но определенно намекает на него. Патент, озаглавленный «Метод сигнализации» , описывает систему, которая позволит осуществлять радиосвязь без какой-либо опасности того, что сигналы или сообщения будут нарушены, перехвачены или каким-либо образом помехи . ^[6]

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, позволяющих отслеживать последовательность действий. ^[7] Книга Джонатана Ценнека «Беспроводная телеграфия» была первоначально опубликована на немецком языке в 1908 году, но была переведена на английский в 1915 году, когда противник начал использовать скачкообразную перестройку частоты на линии фронта.

В 1920 году Отто Б. Блэквелл, Де Лосс К. Мартин и Гилберт С. Вернам подали заявку на патент на «секретную систему связи», выданную в виде патента США № 1 598 673 в 1926 году. В этом патенте описывался метод передачи сигналов на нескольких частотах. случайным образом в целях секретности, предвидя ключевые особенности более поздних систем скачкообразной перестройки частоты. ^[4]

Польский утверждал , инженер и изобретатель Леонард Данилевич что предложил концепцию скачкообразной перестройки частоты в 1929 году польскому генеральному штабу , но она была отвергнута. ^[8]

В 1932 году Виллему Броертьесу был выдан патент США № 1 869 659 под названием «Метод сохранения секретности при передаче беспроводных телеграфных сообщений», в котором описывается система, в которой «сообщения передаются посредством группы частот... известных отправителю». и приемник только и чередуются по желанию во время передачи сообщений».

Во время Второй мировой войны изобретал Корпус связи армии США систему связи под названием SIGSALY , которая включала расширенный спектр в одночастотном контексте. Но 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». ^[9]^[10] ранняя версия скачкообразной перестройки частоты с использованием пианино радиоуправляемые торпеды для переключения между 88 частотами, чтобы врагам было труднее обнаружить или заглушить . Затем они передали патент ВМС США . ^[11]

Идеи скачкообразной перестройки частоты, возможно, были заново открыты в 1950-х годах во время патентных поисков, когда частные компании независимо разрабатывали множественный доступ с кодовым разделением прямой последовательности , форму расширенного спектра без скачкообразной перестройки частоты. ^{[ нужна ссылка ]} В 1957 году инженеры подразделения электронных систем Sylvania приняли аналогичную идею, используя недавно изобретенный транзистор вместо технологии часового механизма Ламарра и Антейла. ^[9]^{[ сомнительно – обсудить ]} В 1962 году ВМС США использовали работу подразделения электронных систем Сильвании во время кубинского ракетного кризиса . ^[12]

Практическое применение скачкообразной перестройки частоты разработал Рэй Зинн , соучредитель корпорации Micrel. Зинн разработал метод, позволяющий радиоустройствам работать без необходимости синхронизации приемника 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, использующие режимы скачкообразной перестройки частоты и развертки».

Вариации

Адаптивный расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты ( AFH ), используемый в Bluetooth, повышает устойчивость к радиочастотным помехам , избегая переполнения частот в последовательности скачкообразного изменения частоты. Такой вид адаптивной передачи легче реализовать с помощью FHSS, чем с DSSS .

Ключевая идея AFH заключается в том, чтобы использовать только «хорошие» частоты и избегать «плохих» — тех, на которых наблюдается частотно-избирательное затухание , тех, на которых третья сторона пытается связаться, или тех, которые активно глушатся. Поэтому AFH должен быть дополнен механизмом обнаружения хороших и плохих каналов.

Но если радиочастотные помехи сами по себе являются динамическими, то стратегия AFH по «удалению плохих каналов» может не сработать. Например, если существует несколько совмещенных сетей со скачкообразной перестройкой частоты (например, Bluetooth Piconet ), они создают взаимные помехи, и стратегия AFH не позволяет избежать этих помех.

Проблема динамических помех, постепенного сокращения доступных каналов переключения и обратной совместимости с устаревшими устройствами Bluetooth была решена в версии 1.2 стандарта Bluetooth (2003 г.). Такая ситуация часто может возникнуть в сценариях, использующих нелицензируемый спектр .

Кроме того, ожидается, что динамические радиочастотные помехи возникнут в сценариях, связанных с когнитивным радио , где сети и устройства должны работать с гибкой частотой .

Чирп-модуляцию можно рассматривать как форму скачкообразного изменения частоты, при которой для связи просто последовательно сканируются доступные частоты.

Скачкообразная перестройка частоты может накладываться на другие модуляции или сигналы для повышения производительности системы.

См. также

Примечания

^ «Более того, аппарат можно устроить так, чтобы длина волны легко и быстро менялась, а затем изменялась длина волны в соответствии с заранее заданной программой, возможно, автоматически. (Этот метод был принят в свое время компанией Telefunken Co. )» Ценнек описывает дополнительные методы безопасности, включая синхронизацию приема только с подмножеством передачи.

Ссылки

^ Торриери, Дон (2018). Принципы систем связи с расширенным спектром, 4-е изд .
^ «47 CFR § 15.247 — Работа в диапазонах 902–928 МГц, 2400–2483,5 МГц и 5725–5850 МГц» . ЛИИ/Институт правовой информации . Law.cornell.edu . Проверено 17 декабря 2019 г.
^ Кан, Дэвид (2014). Как я обнаружил величайшего шпиона Второй мировой войны и другие истории об разведке и кодировании . Публикации Ауэрбаха . п. 158. ИСБН 9781466561991 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Ротман, Тони (январь – февраль 2019 г.). «Случайные пути к скачку частоты» . Американский учёный . Том. 107, нет. 1. п. 46. дои : 10.1511/2019.107.1.46 . Проверено 27 марта 2024 г.
^ Зеннек, Джонатан (август 1915 г.) [1908]. «Приемники». Беспроводная телеграфия . Перевод Силиг, Альфред (5-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. п. 331.
^ «Краткая история распространения спектра» . ЭЭ Таймс . 26 января 2012 г.
^ Денис Винтер. Приказ Хейга – переоценка .
↑ Данилевич позже вспоминал: «В 1929 году мы предложили Генеральному штабу устройство моей конструкции для секретной радиотелеграфии, которое, к счастью, не получило признания, так как это была поистине варварская идея, заключающаяся в постоянном изменении частоты передатчика. Однако комиссия это сделала. , сочтите целесообразным предоставить мне 5000 злотых за выполнение модели и в качестве поощрения к дальнейшей работе." Цитируется в Владислав Козачук (1984). Загадка: как был взломан немецкий машинный шифр и как его прочитали союзники во Второй мировой войне . п. 27.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Июнь 1941 года: Хеди Ламарр и Джордж Антейл подают патент на скачкообразную перестройку радиочастоты» . Новости АПС . Том. 20, нет. 6. Июнь 2011.
^ Веннер, Мелинда (3 июня 2008 г.). «Хеди Ламарр: Не просто красивое лицо» . Научный американец .
^ Янку, Андрей (19 мая 2018 г.). «Выступление директора Андрея Янку на Дне военных изобретений 2018» . Ведомство США по патентам и товарным знакам . Министерство торговли США . Проверено 25 февраля 2024 г.
^ Комиссариат, Тушна (1 августа 2018 г.). «Повесть о двух жизнях» . Мир физики .

Библиография

Тони Ротман (январь – февраль 2019 г.). «Случайные пути к скачку частоты» . Американский учёный . 107 (1): 46. дои : 10.1511/2019.107.1.46 .
Владислав Козачук (1984). Кристофер Каспарек (ред.). Загадка: как был взломан немецкий машинный шифр и как его прочитали союзники во Второй мировой войне . Перевод Кристофера Каспарека . Фредерик, доктор медицинских наук: Университетские публикации Америки. ISBN 0-89093-547-5 .

[Zennek1915-6] «Более того, аппарат можно устроить так, чтобы длина волны легко и быстро менялась, а затем изменялась длина волны в соответствии с заранее заданной программой, возможно, автоматически. (Этот метод был принят в свое время компанией Telefunken Co. )» Ценнек описывает дополнительные методы безопасности, включая синхронизацию приема только с подмножеством передачи.

[ref_1-1] Торриери, Дон (2018). Принципы систем связи с расширенным спектром, 4-е изд .

[2] «47 CFR § 15.247 — Работа в диапазонах 902–928 МГц, 2400–2483,5 МГц и 5725–5850 МГц» . ЛИИ/Институт правовой информации . Law.cornell.edu . Проверено 17 декабря 2019 г.

[3] Кан, Дэвид (2014). Как я обнаружил величайшего шпиона Второй мировой войны и другие истории об разведке и кодировании . Публикации Ауэрбаха . п. 158. ИСБН 9781466561991 .

[American_Scientist-4] Перейти обратно: ^а ^б Ротман, Тони (январь – февраль 2019 г.). «Случайные пути к скачку частоты» . Американский учёный . Том. 107, нет. 1. п. 46. дои : 10.1511/2019.107.1.46 . Проверено 27 марта 2024 г.

[Zenneck1915-5] Зеннек, Джонатан (август 1915 г.) [1908]. «Приемники». Беспроводная телеграфия . Перевод Силиг, Альфред (5-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. п. 331.

[eetimes-7] «Краткая история распространения спектра» . ЭЭ Таймс . 26 января 2012 г.

[winter-8] Денис Винтер. Приказ Хейга – переоценка .

[9] Данилевич позже вспоминал: «В 1929 году мы предложили Генеральному штабу устройство моей конструкции для секретной радиотелеграфии, которое, к счастью, не получило признания, так как это была поистине варварская идея, заключающаяся в постоянном изменении частоты передатчика. Однако комиссия это сделала. , сочтите целесообразным предоставить мне 5000 злотых за выполнение модели и в качестве поощрения к дальнейшей работе." Цитируется в Владислав Козачук (1984). Загадка: как был взломан немецкий машинный шифр и как его прочитали союзники во Второй мировой войне . п. 27.

[apt-news-10] Перейти обратно: ^а ^б «Июнь 1941 года: Хеди Ламарр и Джордж Антейл подают патент на скачкообразную перестройку радиочастоты» . Новости АПС . Том. 20, нет. 6. Июнь 2011.

[11] Веннер, Мелинда (3 июня 2008 г.). «Хеди Ламарр: Не просто красивое лицо» . Научный американец .

[12] Янку, Андрей (19 мая 2018 г.). «Выступление директора Андрея Янку на Дне военных изобретений 2018» . Ведомство США по патентам и товарным знакам . Министерство торговли США . Проверено 25 февраля 2024 г.

[13] Комиссариат, Тушна (1 августа 2018 г.). «Повесть о двух жизнях» . Мир физики .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[а]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]