Жақсырақ байланыс үшін сигналды жиілік доменін кеңейту туралы біліңіз. Қауіпсіздік, кедергіге төзімділік, қуатты шектеу және көп қолдану үшін spread spectrum техникалары.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Сигналдың жиілік доменін кеңейту
Spreading the frequency domain of a signal
Телекоммуникацияда, әсіресе радиобайланыста, кең спектрлі тарату – белгілі бір өткізу қабілетімен (жолақтығымен) жасалған сигналдың (мысалы, электрлік, электромагниттік немесе акустикалық) жиілік доменінде әдейі түрде кеңірек жиілік диапазонына тарату техникалары. Кең спектрлі тарату техникалары қауіпсіз байланыс орнату, табиғи кедергілерге, шуға және бұзушылықтарға төзімділікті арттыру, анықталудан сақтану, қуат ағынының тығыздығын шектеу (мысалы, спутниктік байланыс желілерінде) және көптеген қолданушылардың қатынасуын қамтамасыз ету үшін қолданылады.
In telecommunication, especially radio communication, spread spectrum are techniques by which a signal (e. g., an electrical, electromagnetic, or acoustic) generated with a particular bandwidth is deliberately spread in the frequency domain over a wider frequency band. Spread spectrum techniques are used for the establishment of secure communications, increasing resistance to natural interference, noise, and jamming, to prevent detection, to limit power flux density (e. g., in satellite downlinks), and to enable multiple access communications.
Телекоммуникациялар
Таралу спектрі әдетте, сигнал құрылымы сияқты ретті шуды пайдаланып, әдеттегі тар жолақты ақпараттық сигналды жиіліктердің салыстырмалы кең жолақты (радио) диапазонында таратуға мүмкіндік береді. Қабылдағыш бастапқы ақпараттық сигналды алу үшін алынған сигналдарды корреляциялайды. Бастапқыда екі мақсат болды: жаудың байланыс желісін бұғаттау (анти-жам, немесе АЖ) әрекеттеріне қарсы тұру немесе байланыс фактісін жасыру, кейде оны анықтау ықтималдығының төмендігі (LPI) деп атайды. Жиілікпен секіру арқылы тарату (FHSS), тікелей тізбекпен тарату (DSSS), уақытпен секіру арқылы тарату (THSS), шығу спектрімен тарату (CSS) және осы техникалардың комбинациялары – бұл таралу спектрінің түрлері. Бірінші екі техника сигналдың таралу үлгісін анықтау және басқару үшін псевдорандомдық сандар генераторларын пайдалана отырып құрылған псевдорандомдық сандар тізбектерін қолданады. Сымсыз стандарт IEEE 802.11 радио интерфейсінде FHSS немесе DSSS-ты пайдаланады. 1940 жылдан бері белгілі және 1950 жылдан бері әскери байланыс жүйелерінде қолданылатын техникалар радиосигналды өте кең жиілік диапазонында, ең төменгі талаптан бірнеше есе жоғары деңгейде «таратуға» мүмкіндік береді. Таралу спектрінің негізгі принципі – шу сияқты тасымалдаушы толқындарды пайдалану және, атауынан көрініп тұрғандай, бірдей деректер жылдамдығымен нүктеден нүктеге қарапайым байланыс үшін қажеттіден әлдеқайда кең жолақтықтарды қолдану. Кедергіге қарсы тұру (жамға қарсылық). Тікелей тізбек (DS) үздіксіз уақыттық тар жолақты кедергіге қарсы тұруда жақсы, ал жиілікпен секіру (FH) импульсті кедергіге қарсы тұруда тиімді. DS жүйелерінде тар жолақты кедергілер сигналдың бүкіл жолақтығына тараған жағдайда ғана анықтау өнімділігіне әсер етеді, бұл жағдайда олар көбінесе фондық шудан күшті болмайды. Керісінше, сигналдың жолақтығы төмен тар жолақты жүйелерде, егер кедергі күші сигналдың жолақтығына шоғырланған болса, алынған сигналдың сапасы күрт төмендейді. Тыңшылыққа қарсы тұру. Тарату тізбегі (DS жүйелерінде) немесе жиілікпен секіру үлгісі (FH жүйелерінде) көбінесе сигналды алуға тиіс емес адамдарға белгісіз болады, бұл жағдайда ол сигналды жасырады және қарсыластың оны түсіну мүмкіндігін азайтады. Сонымен қатар, берілген шудың спектрлік тығыздығы (PSD) үшін таралу спектрі жүйелері таралу алдында бір бит үшін тар жолақты жүйелер сияқты бірдей энергияны қажет етеді, сондықтан таралу алдындағы биттік ағын бірдей болса, бірдей қуатты қажет етеді, бірақ сигнал қуаты үлкен жолақтықта таратылғандықтан, сигналдың PSD-і әлдеқайда төмен болады – көбінесе шудың PSD-інен айтарлықтай төмен – сондықтан қарсылас сигналдың бар-жоғын анықтай алмайды. Дегенмен, өте маңызды қолданбалар үшін, әсіресе коммерциялық радиостанцияларды пайдаланатын жағдайларда, таралу спектрі радиостанциялары ұзақ сызықты емес тарату тізбектері қолданылмаса және хабарламалар шифрланбаса, жеткілікті қауіпсіздік қамтамасыз етпейді. Өшігуге қарсы тұру. Таралу спектрі сигналдарының кең жолақтығы белгілі бір жиілік әртүрлілігін ұсынады; яғни, сигналдың бүкіл жолақтығы бойынша күшті көп жолды өшігудің болуы екіталай. Тікелей тізбек жүйелерінде сигналды рекель қабылдағышын пайдалану арқылы анықтауға болады. Көптеген пайдаланушыларға қол жеткізу мүмкіндігі, кодты бөлу арқылы көптеген қол жеткізу (CDMA) немесе кодты бөлу арқылы мультиплекстеу (CDM) ретінде белгілі. Бірнеше пайдаланушы әр түрлі тарату тізбектерін пайдаланған жағдайда бір уақытта бір жиілік жолағында хабар алмаса алады.
Spread spectrum generally makes use of a sequential noise like signal structure to spread the normally narrowband information signal over a relatively wideband (radio) band of frequencies. The receiver correlates the received signals to retrieve the original information signal. Originally there were two motivations: either to resist enemy efforts to jam the communications (anti jam, or AJ), or to hide the fact that communication was even taking place, sometimes called low probability of intercept (LPI). Frequency hopping spread spectrum (FHSS), direct sequence spread spectrum (DSSS), time hopping spread spectrum (THSS), chirp spread spectrum (CSS), and combinations of these techniques are forms of spread spectrum. The first two of these techniques employ pseudorandom number sequences—created using pseudorandom number generators—to determine and control the spreading pattern of the signal across the allocated bandwidth. Wireless standard IEEE 802.11 uses either FHSS or DSSS in its radio interface. Techniques known since the 1940s and used in military communication systems since the 1950s "spread" a radio signal over a wide frequency range several magnitudes higher than minimum requirement. The core principle of spread spectrum is the use of noise like carrier waves, and, as the name implies, bandwidths much wider than that required for simple point to point communication at the same data rate. Resistance to jamming (interference). Direct sequence (DS) is good at resisting continuous time narrowband jamming, while frequency hopping (FH) is better at resisting pulse jamming. In DS systems, narrowband jamming affects detection performance about as much as if the amount of jamming power is spread over the whole signal bandwidth, where it will often not be much stronger than background noise. By contrast, in narrowband systems where the signal bandwidth is low, the received signal quality will be severely lowered if the jamming power happens to be concentrated on the signal bandwidth. Resistance to eavesdropping. The spreading sequence (in DS systems) or the frequency hopping pattern (in FH systems) is often unknown by anyone for whom the signal is unintended, in which case it obscures the signal and reduces the chance of an adversary making sense of it. Moreover, for a given noise power spectral density (PSD), spread spectrum systems require the same amount of energy per bit before spreading as narrowband systems and therefore the same amount of power if the bitrate before spreading is the same, but since the signal power is spread over a large bandwidth, the signal PSD is much lower — often significantly lower than the noise PSD — so that the adversary may be unable to determine whether the signal exists at all. However, for mission critical applications, particularly those employing commercially available radios, spread spectrum radios do not provide adequate security unless, at a minimum, long nonlinear spreading sequences are used and the messages are encrypted. Resistance to fading. The high bandwidth occupied by spread spectrum signals offer some frequency diversity; i. e., it is unlikely that the signal will encounter severe multipath fading over its whole bandwidth. In direct sequence systems, the signal can be detected by using a rake receiver. Multiple access capability, known as code division multiple access (CDMA) or code division multiplexing (CDM). Multiple users can transmit simultaneously in the same frequency band as long as they use different spreading sequences.
Жиілік секірудің өнертабысы
Радио хабарларын қорғау және кедергілерден аулақ болу идеясы радио толқындарымен сигнал берудің бастапқы кезеңдеріне дейін барып жетеді. 1899 жылы Гульельмо Маркони кедергіні азайту мақсатында жиілікті таңдап қабылдау тәжірибесін жүргізді. Жиілікпен секіру концепциясын неміс радиокомпаниясы Telefunken қабылдады, ал 1903 жылғы Никола Тесланың АҚШ патентінің бір бөлігінде де сипатталған. Радио саласының пионері Джонатан Зеннектің 1908 жылғы неміс кітабы «Сымсыз телеграф» процесін сипаттайды және Telefunken бұрыннан оны қолданғанын көрсетеді. Бұл идеяны 1929 жылы поляк инженері Леонард Данилевич ұсынды, 1930 жылдары Виллем Бройртжестің патентінде (2 тамыз, 1932 ж. шығарылған) және екінші дүниежүзілік соғыстағы АҚШ Армиясының Сигнал корпусының SIGSALY деп аталған құпия байланыс жүйесінде пайда болды. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде Голливудтың алтын дәуірі актрисасы Хеди Ламарр және авангард композиторы Джордж Антейл одақтас торпедаларында қолдану үшін кедергіге төтеп бере алатын радио басқару жүйесін жасады және 1942 жылдың 11 тамызында құрылғыны «Құпия байланыс жүйесі» деп патенттеді. Олардың тәсілінің ерекшелігі – жиілікті үйлестіру қағаз перфокарталары бар рояльдің механизмі арқылы жүзеге асырылды, бұл жаңа тәсіл ешқашан іс жүзіне асырылмады.
The idea of trying to protect and avoid interference in radio transmissions dates back to the beginning of radio wave signaling. In 1899, Guglielmo Marconi experimented with frequency selective reception in an attempt to minimize interference. The concept of Frequency hopping was adopted by the German radio company Telefunken and also described in part of a 1903 US patent by Nikola Tesla. Radio pioneer Jonathan Zenneck's 1908 German book Wireless Telegraphy describes the process and notes that Telefunken was using it previously. was put forward by Polish engineer Leonard Danilewicz in 1929, showed up in a patent in the 1930s by Willem Broertjes ( issued Aug. 2, 1932), and in the top secret US Army Signal Corps World War II communications system named SIGSALY. During World War II, Golden Age of Hollywood actress Hedy Lamarr and avant garde composer George Antheil developed an intended jamming resistant radio guidance system for use in Allied torpedoes, patenting the device under "Secret Communications System" on August 11, 1942. Their approach was unique in that frequency coordination was done with paper player piano rolls, a novel approach which was never put into practice.
Сағат сигналын беру
Таралған спектрлік сағатты генерациялау (SSCG) кейбір синхронды цифрлық жүйелерде, әсіресе микропроцессорларды қамтитындарда, осы жүйелер тудыратын электромагниттік кедергілердің (EMI) спектрлік тығыздығын азайту үшін қолданылады. Синхронды цифрлық жүйе – сағат сигналымен басқарылатын және мерзімділігіне байланысты, сөзсіз тар жиілік спектріне ие жүйе. Шындығында, идеалды сағат сигналының барлық энергиясы бір жиілікте (қажетті сағат жиілігі) және оның гармоникаларында шоғырланған болар еді.
Spread spectrum clock generation (SSCG) is used in some synchronous digital systems, especially those containing microprocessors, to reduce the spectral density of the electromagnetic interference (EMI) that these systems generate. A synchronous digital system is one that is driven by a clock signal and, because of its periodic nature, has an unavoidably narrow frequency spectrum. In fact, a perfect clock signal would have all its energy concentrated at a single frequency (the desired clock frequency) and its harmonics.
Өмірбаян
Қолданыстағы синхронды цифрлық жүйелер сағат жиілігінің және оның гармоникаларының айналасында таралатын бірнеше тар жолақтарда электромагниттік энергияны сәулелендіреді, нәтижесінде белгілі бір жиіліктерде электромагниттік кедергілерге қатысты реттеуші шектерінен асып түсетін жиілік спектрі пайда болады (мысалы, АҚШ-тағы FCC, Жапониядағы JEITA және Еуропадағы IEC). Таралған спектрлі сағаттау бұл мәселені шығындырылған энергияның ең жоғары деңгейін төмендету арқылы, демек электромагниттік эмиссиясын азайту арқылы және осылайша электромагниттік үйлесімділік (EMC) ережелеріне сәйкес келуге мүмкіндік береді. Бұл техника реттеуші мақұлдау алу үшін кең таралды, себебі ол жабдықтың қарапайым модификациялануын қажет етеді. Ол портативтік электрондық құрылғыларда одан да танымал, себебі сағат жылдамдықтары жоғары және жоғары ажыратымдылықтағы LCD дисплейлердің интеграциясы үнемі кішірейіп келе жатқан құрылғыларға енгізілуде. Бұл құрылғылар жеңіл және арзан болу үшін жобаланғандықтан, конденсаторлар немесе металл қорғаныш сияқты ЭМИ-ді азайтуға арналған дәстүрлі пассивті электрондық шаралар тиімді емес. Мұндай жағдайларда, кең спектрлі сағаттау сияқты активті ЭМИ азайту техникалары қажет.
Practical synchronous digital systems radiate electromagnetic energy on a number of narrow bands spread on the clock frequency and its harmonics, resulting in a frequency spectrum that, at certain frequencies, can exceed the regulatory limits for electromagnetic interference (e. g. those of the FCC in the United States, JEITA in Japan and the IEC in Europe). Spread spectrum clocking avoids this problem by reducing the peak radiated energy and, therefore, its electromagnetic emissions and so comply with electromagnetic compatibility (EMC) regulations. It has become a popular technique to gain regulatory approval because it requires only simple equipment modification. It is even more popular in portable electronics devices because of faster clock speeds and increasing integration of high resolution LCD displays into ever smaller devices. As these devices are designed to be lightweight and inexpensive, traditional passive, electronic measures to reduce EMI, such as capacitors or metal shielding, are not viable. Active EMI reduction techniques such as spread spectrum clocking are needed in these cases.
Әдіс
PCIe, USB 3.0 және SATA жүйелерінде ең көп қолданылатын техника – төмен жиілікті генератор арқылы жиілік модуляциясы көмегімен жиілікті таратуды азайту болып табылады. Басқа динамикалық жиілік өзгерту түрлері сияқты, кең спектрлі сағаттау да дизайнерлерге қиындықтар тудыруы мүмкін. Олардың арасындағы ең бастысы – сағат пен дерек арасындағы сәйкессіздік немесе сағаттың қабысуы. Қабылдаушы жақтағы фазалық құлыптау тізбегіне кең спектрлі сағатты дұрыс қадағалау үшін жеткілікті жолақтың болуы қажет. SATA қабылдағыштарында SSC үйлесімділігі міндетті болғанымен, мұндай сағатпен жұмыс ілуде қиындықтар туындайтын кеңейткіш чиптерін кездестіру де сирек емес. Сондықтан компьютерлік жүйелерде кең спектрлі сағаттауды өшіру мүмкіндігі пайдалы деп есептеледі.
In PCIe, USB 3.0, and SATA systems, the most common technique is downspreading, via frequency modulation with a lower frequency source. Spread spectrum clocking, like other kinds of dynamic frequency change, can also create challenges for designers. Principal among these is clock/data misalignment, or clock skew. A phase locked loop on the receiving side needs a high enough bandwidth to correctly track a spread spectrum clock. Even though SSC compatibility is mandatory on SATA receivers, it is not uncommon to find expander chips having problems dealing with such a clock. Consequently, an ability to disable spread spectrum clocking in computer systems is considered useful.
Тиімділігі
Бұл әдіс жалпы сәулеленген энергияны азайтпайды, сондықтан жүйелердің кедергі тудыру ықтималдығы міндетті түрде төмендемейді. Энергияны кеңірек жолақты тарату арқылы тар жолақтыдағы электр және магниттік өлшемдер тиімді түрде төмендетіледі. ЭМҚ сынақ зертханаларында қолданылатын стандартты өлшеу қабылдағыштары электромагниттік спектрді шамамен 120 кГц ені бар жиілік жолақтарына бөледі. Егер сынақтан өтетін жүйе барлық энергиясын тар жолақтыда сәулелендірсе, онда үлкен шың пайда болады. Осы энергияны кеңірек жолақты тарату жүйелердің заңмен белгіленген шектен асып кетуі үшін бір тар жолақтың жеткілікті энергиямен толтыруына мүмкіндік бермейді. Бұл әдістің нақты өмірдегі кедергілерді азайту құралы ретіндегі тиімділігі жиі талқыланады, себебі кең спектрлі синхронизациялау жоғары сәулелену энергиясы мәселесін шешпейді, тек ЭМҚ заңнамасының немесе сертификаттау процедураларының олқылықтарын пайдаланады деп есептеледі. Бұл жағдай тар жолақты сезімтал электрондық құрылғылардың кедергіге аз ұшырауына, ал кең жолақты сезімтал немесе тіпті басқа жоғары жиіліктерде жұмыс істейтін құрылғылардың (мысалы, басқа станцияға қосылған радио қабылдағыш) көбірек кедергіге ұшырауына әкеледі. FCC сертификаттау сынағы көбінесе қабылданған заңды шектерде өлшенген эмиссияны азайту үшін кең спектрлі функциясы қосылған күйде аяқталады. Дегенмен, кейбір жағдайларда пайдаланушы кең спектрлі функционалдықты өшіруі мүмкін. Мысалы, жеке компьютерлер саласында, кейбір BIOS бағдарламалаушылары кең спектрлі синхронизациялауды өшіру мүмкіндігін пайдаланушы параметрі ретінде қосады, осылайша ЭМИ ережелерінің мақсатын жояды. Бұл заңдағы олқылық ретінде қарастырылуы мүмкін, бірақ кең спектр әдепкі бойынша қосылғанда көбінесе назардан тыс қалады.
Note that this method does not reduce total radiated energy, and therefore systems are not necessarily less likely to cause interference. Spreading energy over a larger bandwidth effectively reduces electrical and magnetic readings within narrow bandwidths. Typical measuring receivers used by EMC testing laboratories divide the electromagnetic spectrum into frequency bands approximately 120 kHz wide. If the system under test were to radiate all its energy in a narrow bandwidth, it would register a large peak. Distributing this same energy into a larger bandwidth prevents systems from putting enough energy into any one narrowband to exceed the statutory limits. The usefulness of this method as a means to reduce real life interference problems is often debated, as it is perceived that spread spectrum clocking hides rather than resolves higher radiated energy issues by simple exploitation of loopholes in EMC legislation or certification procedures. This situation results in electronic equipment sensitive to narrow bandwidth(s) experiencing much less interference, while those with broadband sensitivity, or even operated at other higher frequencies (such as a radio receiver tuned to a different station), will experience more interference. FCC certification testing is often completed with the spread spectrum function enabled in order to reduce the measured emissions to within acceptable legal limits. However, the spread spectrum functionality may be disabled by the user in some cases. As an example, in the area of personal computers, some BIOS writers include the ability to disable spread spectrum clock generation as a user setting, thereby defeating the object of the EMI regulations. This might be considered a loophole, but is generally overlooked as long as spread spectrum is enabled by default.