Frekvenční poskakované rozprostřené spektrum - Frequency-hopping spread spectrum

Frequency-hopping spread spektrum ( FHSS ) je metoda přenosu rádiových signálů rychlou změnou nosné frekvence mezi mnoha odlišnými frekvencemi zabírajícími velké spektrální pásmo. Změny jsou řízeny kódem známým vysílači i přijímači . FHSS se používá k zamezení rušení, k odposlechu a k povolení komunikace CDMA ( Code-Division Multiple Access ).

Dostupné frekvenční pásmo je rozděleno do menších dílčích pásem. Signály rychle mění ("hop") jejich nosné frekvence mezi středními frekvencemi těchto dílčích pásem v předem stanoveném pořadí. Rušení na konkrétní frekvenci ovlivní signál pouze během krátkého intervalu.

FHSS nabízí čtyři hlavní výhody oproti přenosu s pevnou frekvencí:

Signály FHSS jsou vysoce odolné vůči úzkopásmovému rušení, protože signál přeskakuje do jiného frekvenčního pásma.
Pokud není znám způsob přeskakování frekvence, je obtížné signály zachytit.
Rušení je také obtížné, pokud je vzor neznámý; zlomyslný jedinec může rušit signál pouze po dobu jednoho přeskakování, pokud je šířící se sekvence neznámá.
Přenosy FHSS mohou sdílet frekvenční pásmo s mnoha typy konvenčních přenosů s minimálním vzájemným rušením. Signály FHSS přidávají minimální rušení úzkopásmové komunikace a naopak.

Vojenské použití

Signály rozprostřeného spektra jsou vysoce odolné vůči záměrnému rušení , pokud protivník nemá znalosti o frekvenčním skákání. Vojenská rádia generují vzor přeskakování frekvence pod kontrolou tajného klíče zabezpečení přenosu (TRANSEC), který odesílatel a přijímač sdílejí předem. Tento klíč je generován zařízeními, jako je KY-57 Speech Security Equipment. Americké vojenské rádia využívající přeskakování frekvencí zahrnují rodinu JTIDS/MIDS, letecký mobilní komunikační systém HAVE QUICK a Combat Net Radio SINCGARS , Link-16 .

Civilní použití

V USA od té doby, co Federální komunikační komise (FCC) změnila pravidla, která umožňují systémy FHSS v neregulovaném pásmu 2,4 GHz, mnoho spotřebitelských zařízení v tomto pásmu používalo různé režimy FHSS. eFCC CFR 47 část 15.247 pokrývá předpisy v USA pro pásma 902–928 MHz, 2400–2483,5 MHz a 5725–5850 MHz a požadavky na přeskakování frekvencí

Některé vysílačky využívající technologii FHSS byly vyvinuty pro nelicencované použití v pásmu 900 MHz. Technologie FHSS se také používá v mnoha hobby vysílačích a přijímačích používaných pro rádiem řízené modely aut, letadel a dronů. Je dosažen typ vícenásobného přístupu, který umožňuje provozování stovek párů vysílač/přijímač současně ve stejném pásmu na rozdíl od předchozích rádiem řízených systémů FM nebo AM, které měly omezené simultánní kanály.

Technické aspekty

Celková šířka pásma potřebná pro přeskakování frekvencí je mnohem širší, než je požadováno pro přenos stejných informací pomocí pouze jedné nosné frekvence . Protože se však přenos v daném čase vyskytuje pouze na malé části této šířky pásma, je šířka pásma okamžitého interferenčního pásma skutečně stejná. Přístup po frekvenčním skoku sice neposkytuje žádnou extra ochranu před širokopásmovým tepelným šumem , ale snižuje degradaci způsobenou úzkopásmovými interferenčními zdroji.

Jednou z výzev systémů s přeskakováním frekvence je synchronizace vysílače a přijímače. Jedním z přístupů je mít záruku, že vysílač bude používat všechny kanály v pevně daném časovém období. Přijímač pak může najít vysílač výběrem náhodného kanálu a nasloucháním platných dat na tomto kanálu. Data vysílače jsou identifikována speciální sekvencí dat, u které je nepravděpodobné, že by se vyskytovala v segmentu dat pro tento kanál, a segment může mít také kontrolní součet pro kontrolu integrity a další identifikaci. Vysílač a přijímač mohou používat pevné tabulky vzorů přeskakování frekvence, takže po synchronizaci mohou udržovat komunikaci podle tabulky.

V USA FCC část 15 o nelicencovaných systémech rozprostřeného spektra v pásmech 902–928 MHz a 2,4 GHz umožňuje více energie, než je povoleno pro systémy s nešířeným spektrem. Systémy FHSS i DSSS (Direct-Sequist-Spristsed Spectre) mohou vysílat na 1 watt, což je tisícinásobné zvýšení od limitu 1 miliwatt na systémech s nešířeným spektrem. Federal Communications Commission (FCC) také stanovuje minimální počet frekvenčních kanálů a maximální časovou prodlevu pro každý kanál.

Několik vynálezců

V roce 1899 Guglielmo Marconi experimentoval s frekvenčně selektivním příjmem ve snaze minimalizovat rušení.

Nejstarší zmínky o frekvenčním skákání v otevřené literatuře jsou v americkém patentu 725 605 uděleném Nikola Teslovi 17. března 1903 a v knize průkopníka rádia Jonathana Zennecka v knize Wireless Telegraphy (německy, 1908, anglický překlad McGraw Hill, 1915), přestože Zenneck sám uvádí, že Telefunken to už zkoušel. Nikola Tesla přímo nezmiňuje frázi „přeskakování frekvence“, ale rozhodně na ni naráží. Patent nazvaný Metoda signalizace popisuje systém, který by umožňoval rádiovou komunikaci bez jakéhokoli nebezpečí rušení, zachycování a rušení signálů nebo zpráv .

Německá armáda omezeně využívala frekvenční skákání pro komunikaci mezi pevnými velitelskými body v první světové válce, aby zabránila odposlechu britských sil, které neměly technologii, která by sledovala sled. Kniha Jonathana Zennecka Bezdrátová telegrafie byla původně vydána v němčině v roce 1908, ale byla také přeložena do angličtiny v roce 1915, když nepřítel začal v první linii používat přeskakování frekvencí. Zenneck byl německý fyzik a elektrotechnik, který se začal zajímat o rádio navštěvováním Tesla přednášek o „bezdrátových vědách“. Bezdrátová telegrafie obsahuje část o přeskakování frekvencí, a protože se z ní na mnoho let stal standardní text, pravděpodobně tuto technologii představila generaci inženýrů.

Polský inženýr a vynálezce, Leonard Danilewicz , přišel s nápadem v roce 1929. Několik dalších patentů byla přijata v roce 1930, včetně jednoho Willem Broertjes ( US Patent 1,869,659 , vydaný 2. srpna 1932).

Během druhé světové války se US Army Signal Corps byla vynalezení komunikační systém nazvaný SIGSALY jež převzala rozprostřeného spektra v jediném kmitočtu kontextu. SIGSALY však byl přísně tajný komunikační systém, takže jeho existence začala být známá až v 80. letech minulého století.

V roce 1942 obdržela herečka Hedy Lamarr a skladatel George Antheil americký patent 2 292 387 za svůj „tajný komunikační systém“, ranou verzi frekvenčního skákání pomocí piana-roll pro změnu mezi 88 frekvencemi, aby bylo rádiem naváděná torpéda pro nepřátele těžší detekovat nebo zasekávat , to bylo odmítnuto americkým námořnictvem a poté zabaveno jako „cizí majetek“ v roce 1942 (Lamarr byl rakouský), ale uloženo bez záznamu o vyráběném funkčním zařízení. Lamarrova a Antheilova myšlenka byla znovu objevena v padesátých letech minulého století během patentových rešerší, kdy soukromé společnosti nezávisle vyvíjely vícenásobný přístup Code Division Multiple Access s přímou sekvencí , bezfrekvenčně přeskakující formu rozprostřeného spektra, a od té doby byl několikrát citován. V roce 1957 přijali inženýři z divize Sylvania Electronic Systems patentovaný koncept v kombinaci s nedávno vynalezeným tranzistorem. V roce 1962 americké námořnictvo konečně využilo technologii během kubánské raketové krize ; Patent Lamarra a Antheila mezitím vypršel.

Praktickou aplikaci frekvenčního skákání vyvinul Ray Zinn , spoluzakladatel společnosti Micrel Corporation. Zinn vyvinul metodu, která umožňuje rádiovým zařízením pracovat bez nutnosti synchronizace přijímače s vysílačem. Pomocí režimů přeskakování frekvencí a rozmítání se Zinnova metoda uplatňuje především v bezdrátových aplikacích s nízkou přenosovou rychlostí, jako je měření užitné hodnoty, monitorování a měření strojů a zařízení a dálkové ovládání. V roce 2006 obdržel Zinn americký patent 6 996 399 za „Bezdrátové zařízení a způsob využívající režimy přeskakování frekvence a rozmítání“.

Variace

Adaptivní frekvenční poskakovací rozprostřené spektrum ( AFH ) používané v technologii Bluetooth zlepšuje odolnost proti vysokofrekvenčnímu rušení tím, že se vyhýbá přeplněným frekvencím v přeskakovací sekvenci. Tento druh adaptivního přenosu je snadněji implementovatelný s FHSS než s DSSS .

Klíčovou myšlenkou AFH je používat pouze „dobré“ frekvence tím, že se vyhneme „špatným“ frekvenčním kanálům - možná tyto „špatné“ frekvenční kanály zažívají frekvenčně selektivní blednutí , nebo se možná nějaká třetí strana pokouší komunikovat v těchto pásmech, nebo se možná ty kapely aktivně ruší. AFH by proto měl být doplněn mechanismem pro detekci dobrých/špatných kanálů.

Pokud je však vysokofrekvenční rušení samo o sobě dynamické, pak strategie „odstranění špatného kanálu“ použitá v AFH nemusí fungovat dobře. Pokud například existuje několik kolokovaných frekvenčně skákajících sítí (jako Bluetooth Piconet ), pak se vzájemně ruší a strategie AFH nedokáže tomuto rušení zabránit.

Problém dynamického rušení, postupné redukce dostupných přeskakovacích kanálů a zpětné kompatibility se staršími bluetooth zařízeními byl vyřešen ve verzi 1.2 standardu Bluetooth (2003). Taková situace může často nastat ve scénářích, které používají nelicencované spektrum .

Kromě toho se očekává výskyt dynamického vysokofrekvenčního rušení ve scénářích souvisejících s kognitivním rádiem , kde by sítě a zařízení měly vykazovat frekvenčně agilní provoz.

Chirpovou modulaci lze chápat jako formu přeskakování frekvencí, která jednoduše skenuje dostupné frekvence v postupném pořadí a komunikuje.

Přeskakování frekvence lze překrýt s jinými modulacemi nebo křivkami, aby se zvýšil výkon systému.

Viz také

Poznámky

Reference

Władysław Kozaczuk , Enigma: How the German Machine Cipher was Broken, and How it was Read by the Allies in World War Two , edited and translation by Christopher Kasparek , Frederick, MD, University Publications of America, 1984, ISBN 0-89093-547 -5 .

Languages

In other projects