Rozszerzać zakres - Spread spectrum

Modulacja pasma
Modulacja analogowa
Modulacja cyfrowa
Modulacja hierarchiczna
Rozszerzać zakres
Zobacz też
Multipleksowanie
Schemat multipleksowania.svg
Modulacja analogowa
powiązane tematy

W telekomunikacji i komunikacji radiowej , kodową techniki sposoby, dzięki któremu sygnał (na przykład sygnał elektryczny, elektromagnetycznych lub akustycznych) generowane z danym paśmie jest celowo rozmieszczone w domenie częstotliwości , w wyniku czego sygnał o większej przepustowości . Techniki te są wykorzystywane z różnych powodów, w tym do ustanowienia bezpiecznej komunikacji, zwiększenia odporności na naturalne zakłócenia , szumu i zagłuszania , aby zapobiec wykryciu, ograniczyć gęstość strumienia mocy (np. w łączach satelitarnych ) i umożliwić wielokrotne dostęp do komunikacji.

Telekomunikacja

Widmo rozproszone na ogół wykorzystuje sekwencyjną strukturę sygnału podobną do szumu do rozproszenia normalnie wąskopasmowego sygnału informacyjnego na stosunkowo szerokopasmowe (radiowe) pasmo częstotliwości. Odbiornik koreluje odebrane sygnały w celu odzyskania oryginalnego sygnału informacyjnego. Początkowo były dwie motywacje: albo opierać się próbom wroga, aby zablokować komunikację (anti-jam, lub AJ), albo ukryć fakt, że komunikacja miała miejsce, czasami nazywana niskim prawdopodobieństwem przechwycenia (LPI).

Widmo rozproszone z przeskokiem częstotliwości (FHSS), widmo rozproszone z sekwencją bezpośrednią (DSSS), widmo rozproszone z przeskokiem w czasie (THSS), widmo rozproszone chirp (CSS) i kombinacje tych technik stanowią formy widma rozproszonego. Pierwsze dwie z tych technik wykorzystują sekwencje liczb pseudolosowych — utworzone za pomocą generatorów liczb pseudolosowych — w celu określenia i kontrolowania wzorca rozprzestrzeniania się sygnału w przydzielonej szerokości pasma. Standard bezprzewodowy IEEE 802.11 wykorzystuje w swoim interfejsie radiowym FHSS lub DSSS.

  • Techniki znane od lat 40. XX wieku i stosowane w wojskowych systemach łączności od lat 50. XX wieku „rozprowadzają” sygnał radiowy w szerokim zakresie częstotliwości o kilka wielkości wyższych od wymaganego minimum. Podstawową zasadą widma rozproszonego jest wykorzystanie fal nośnych podobnych do szumu i, jak sama nazwa wskazuje, szerokości pasma znacznie szerszego niż wymagane do prostej komunikacji punkt-punkt przy tej samej szybkości transmisji danych.
  • Odporność na zacinanie (zakłócenia). Sekwencja bezpośrednia (DS) jest dobra w opieraniu się zagłuszaniu wąskopasmowym w czasie ciągłym, podczas gdy przeskakiwanie częstotliwości (FH) jest lepsze w opieraniu się zagłuszaniu impulsów. W systemach DS zagłuszanie wąskopasmowe wpływa na wydajność wykrywania mniej więcej tak samo, jak gdyby moc zagłuszania była rozłożona na całe pasmo sygnału, gdzie często nie będzie znacznie silniejsza niż szum tła. W przeciwieństwie do tego, w systemach wąskopasmowych, w których szerokość pasma sygnału jest niska, jakość odbieranego sygnału zostanie poważnie obniżona, jeśli moc zagłuszania zostanie skoncentrowana na szerokości pasma sygnału.
  • Odporność na podsłuchiwanie . Sekwencja rozprzestrzeniania się (w systemach DS) lub wzorzec przeskoku częstotliwości (w systemach FH) jest często nieznana każdemu, dla kogo sygnał jest niezamierzony, w takim przypadku zaciemnia sygnał i zmniejsza szansę, że przeciwnik zrozumie go. Co więcej, dla danej gęstości widmowej mocy szumu (PSD), systemy o widmie rozproszonym wymagają takiej samej ilości energii na bit przed rozproszeniem, jak systemy wąskopasmowe, a zatem taką samą ilość mocy, jeśli przepływność przed rozproszeniem jest taka sama, ale ponieważ sygnał moc jest rozłożona na dużą szerokość pasma, PSD sygnału jest znacznie niższy — często znacznie niższy niż PSD szumu — tak, że przeciwnik może nie być w stanie określić, czy sygnał w ogóle istnieje. Jednak w przypadku zastosowań o znaczeniu krytycznym, szczególnie tych wykorzystujących dostępne w handlu radia, radia o widmie rozproszonym nie zapewniają odpowiedniego zabezpieczenia, chyba że stosuje się co najmniej długie nieliniowe sekwencje rozpraszające, a komunikaty są szyfrowane.
  • Odporność na blaknięcie . Wysokie pasmo zajmowane przez sygnały o widmie rozproszonym oferuje pewną różnorodność częstotliwości; tj. jest mało prawdopodobne, aby sygnał napotkał poważne wielościeżkowe zanikanie w całej szerokości pasma. W systemach o sekwencji bezpośredniej sygnał można wykryć za pomocą odbiornika rake .
  • Możliwość wielokrotnego dostępu, znana jako wielokrotny dostęp z podziałem kodu (CDMA) lub multipleksacja z podziałem kodu (CDM). Wielu użytkowników może nadawać jednocześnie w tym samym paśmie częstotliwości, o ile używają różnych sekwencji rozprzestrzeniania.

Wynalezienie przeskakiwania częstotliwości

Dalsze informacje: Spektrum rozproszone z przeskokiem częstotliwości

Idea ochrony i unikania zakłóceń transmisji radiowych sięga początków sygnalizacji radiowej. W 1899 Guglielmo Marconi eksperymentował z odbiorem selektywnym częstotliwościowo, próbując zminimalizować zakłócenia. Koncepcja przeskakiwania częstotliwości została przyjęta przez niemiecką firmę radiową Telefunken i została również opisana w części amerykańskiego patentu z 1903 r. przez Nikolę Teslę . Pionier radiowy, Jonathan Zenneck z 1908 roku, niemiecka książka Wireless Telegraphy opisuje ten proces i zauważa, że Telefunken używał go wcześniej. Był w ograniczonym stopniu używany przez niemieckie wojsko podczas I wojny światowej , został przedstawiony przez polskiego inżyniera Leonarda Danilewicza w 1929 r., w latach 30. pojawił się w patencie Willema Broertjesa ( patent USA 1 869 659 , wydany 2 sierpnia 1932 r.) oraz w ściśle tajny system łączności US Army Signal Corps II wojny światowej o nazwie SIGSALY .

Podczas II wojny światowej, aktorka Złotego Wieku Hollywood Hedy Lamarr i awangardowy kompozytor George Antheil opracowali zamierzony odporny na zagłuszanie system naprowadzania radiowego do użycia w torpedach alianckich , patentując urządzenie pod patentem USA nr 2 292 387 „Secret Communications System” 11 sierpnia, 1942. Ich podejście było wyjątkowe, ponieważ koordynację częstotliwości przeprowadzono za pomocą papierowych rolek fortepianowych - nowatorskie podejście, które nigdy nie zostało zastosowane w praktyce.

Generowanie sygnału zegara

Szerokie spektrum nowoczesnego zasilacza impulsowego (okres nagrzewania) w tym m.in. schemat wodospadu w ciągu kilku minut. Zarejestrowano za pomocą analizatora EMC NF-5030

Generacja zegara widma rozproszonego (SSCG) jest stosowana w niektórych synchronicznych systemach cyfrowych , zwłaszcza zawierających mikroprocesory, w celu zmniejszenia gęstości widmowej zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) generowanych przez te systemy. Synchroniczny system cyfrowy to taki, który jest sterowany sygnałem zegarowym i ze względu na swój okresowy charakter ma nieuchronnie wąskie spektrum częstotliwości. W rzeczywistości, idealny sygnał zegarowy miałby całą swoją energię skoncentrowaną na jednej częstotliwości (pożądanej częstotliwości zegara) i jej harmonicznych. Praktyczne synchroniczne systemy cyfrowe emitują energię elektromagnetyczną w wielu wąskich pasmach rozłożonych na częstotliwości zegara i jej harmonicznych, co skutkuje widmem częstotliwości, które przy pewnych częstotliwościach może przekraczać limity regulacyjne dla zakłóceń elektromagnetycznych (np. te określone przez FCC w Stanach Zjednoczonych). państw, JEITA w Japonii i IEC w Europie).

Taktowanie widma rozproszonego pozwala uniknąć tego problemu, stosując jedną z wcześniej opisanych metod w celu zmniejszenia szczytowej energii promieniowania, a tym samym jej emisji elektromagnetycznych, a zatem zgodności z przepisami dotyczącymi kompatybilności elektromagnetycznej (EMC).

Stała się popularną techniką uzyskiwania aprobaty regulacyjnej, ponieważ wymaga jedynie prostej modyfikacji sprzętu. Jest jeszcze bardziej popularny w przenośnych urządzeniach elektronicznych ze względu na szybsze taktowanie i coraz większą integrację wyświetlaczy LCD o wysokiej rozdzielczości z coraz mniejszymi urządzeniami. Ponieważ urządzenia te zostały zaprojektowane tak, aby były lekkie i niedrogie, tradycyjne pasywne środki elektroniczne mające na celu zmniejszenie EMI, takie jak kondensatory lub metalowe ekrany, nie są opłacalne. W takich przypadkach potrzebne są aktywne techniki redukcji EMI , takie jak taktowanie widma rozproszonego.

Jednak taktowanie widma rozproszonego, podobnie jak inne rodzaje dynamicznych zmian częstotliwości , może również stanowić wyzwanie dla projektantów. Głównym z nich jest rozbieżność zegara/danych lub przesunięcie zegara . W związku z tym uważa się, że przydatna jest możliwość wyłączenia taktowania widma rozproszonego w systemach komputerowych.

Należy zauważyć, że ta metoda nie zmniejsza całkowitej energii promieniowania , a zatem systemy niekoniecznie muszą powodować zakłócenia. Rozprowadzanie energii w większej szerokości pasma skutecznie zmniejsza odczyty elektryczne i magnetyczne w wąskich pasmach. Typowe odbiorniki pomiarowe używane przez laboratoria badawcze EMC dzielą widmo elektromagnetyczne na pasma częstotliwości o szerokości około 120 kHz. Gdyby testowany system wypromieniował całą swoją energię w wąskim paśmie, zarejestrowałby duży szczyt. Dystrybucja tej samej energii w większym paśmie uniemożliwia systemom dostarczanie wystarczającej ilości energii do jednego wąskopasmowego pasma, aby przekroczyć ustawowe limity. Przydatność tej metody jako środka do zmniejszenia rzeczywistych problemów z zakłóceniami jest często dyskutowana, ponieważ uważa się, że taktowanie widma rozproszonego raczej ukrywa niż rozwiązuje problemy z wyższą energią promieniowaną przez proste wykorzystanie luk w przepisach EMC lub procedurach certyfikacji. Sytuacja ta powoduje, że sprzęt elektroniczny wrażliwy na wąskie pasmo (pasma) doświadcza znacznie mniej zakłóceń, podczas gdy urządzenia o czułości szerokopasmowej lub nawet pracujące na innych wyższych częstotliwościach (takie jak odbiornik radiowy dostrojony do innej stacji) będą doświadczać więcej zakłóceń.

Testy certyfikacyjne FCC są często uzupełniane z włączoną funkcją widma rozproszonego w celu zmniejszenia zmierzonych emisji do dopuszczalnych limitów prawnych. Jednak funkcjonalność widma rozproszonego może być w niektórych przypadkach wyłączona przez użytkownika. Na przykład, w dziedzinie komputerów osobistych, niektórzy twórcy BIOS-u uwzględniają możliwość wyłączenia generowania zegara widma rozproszonego jako ustawienie użytkownika, tym samym obalając cel przepisów EMI. Może to być uznane za lukę , ale generalnie jest pomijane, o ile widmo rozproszone jest domyślnie włączone.

Zobacz też

Uwagi

Źródła

Linki zewnętrzne