Частотное переключение каналов связи (Частотное скачкообразное разнесение спектра)

Введение

Метод передачи радиосигнала

Частотное скачкообразное распределение спектра (FHSS) – это метод передачи радиосигналов путем быстрого изменения несущей частоты между множеством частот, занимающих широкую полосу спектра. Изменениями управляет код, известный как передатчику, так и приемнику. FHSS используется для предотвращения помех, защиты от перехвата и обеспечения множественного доступа с кодовым разделением (CDMA). Полоса частот разделяется на более мелкие поддиапазоны. Сигналы быстро меняют ("перескакивают") свои несущие частоты между центральными частотами этих поддиапазонов в заданном порядке. Помехи на определенной частоте влияют на сигнал лишь в течение короткого промежутка времени. FHSS предоставляет четыре основных преимущества по сравнению с передачей на фиксированной частоте:

Сигналы FHSS обладают высокой устойчивостью к узкополосным помехам, поскольку сигнал переходит на другую полосу частот. Сигналы трудно перехватить, если неизвестна схема переключения частот. Создание помех также затруднено, если схема неизвестна: сигнал можно подавить только в течение одного периода переключения, если неизвестна последовательность расширения спектра. Передачи FHSS могут совместно использовать полосу частот с различными типами традиционных передач с минимальными взаимными помехами. Сигналы FHSS создают минимальные помехи для узкополосной связи, и наоборот.

Военный

Сигналы с расширенным спектром обладают высокой устойчивостью к преднамеренным помехам, если противник не знает закономерность перестройки частоты. Военные радиостанции генерируют эту закономерность под управлением секретного ключа безопасности передачи (TRANSEC), которым заранее обмениваются передатчик и приемник. Этот ключ генерируется такими устройствами, как аппаратура защиты речевой информации KY-57. К военным радиостанциям США, использующим перестройку частоты, относятся семейство JTIDS/MIDS, система аэронауционной подвижной связи HAVE QUICK и боевая сетевая радиостанция SINCGARS, а также Link 16.

Гражданская

В США, после внесения изменений в правила Федеральной комиссией по связи (FCC), разрешающих использование FHSS-систем в нерегулируемом диапазоне 2,4 ГГц, многие потребительские устройства в этом диапазоне стали использовать различные режимы FHSS. eFCC CFR 47, часть 15.247, охватывает правила в США для диапазонов 902–928 МГц, 2400–2483,5 МГц и 5725–5850 МГц, а также требования к частотному перескоку. Некоторые рации, использующие технологию FHSS, были разработаны для нелицензионного использования в диапазоне 900 МГц. Технология FHSS также применяется во многих любительских передатчиках и приемниках, используемых для радиоуправляемых моделей автомобилей, самолетов и дронов. Это обеспечивает тип множественного доступа, позволяющий одновременно использовать сотни пар передатчиков/приемников в одном диапазоне, в отличие от предыдущих радиоуправляемых систем FM или AM, которые имели ограниченное количество одновременных каналов.

Технические соображения

Общая полоса пропускания, необходимая для частотного переключения, значительно шире, чем та, которая требуется для передачи того же объема информации с использованием единственной несущей частоты. Однако, поскольку передача осуществляется лишь на небольшой части этой полосы в любой момент времени, мгновенная полоса помех фактически остается прежней. Хотя частотное переключение не обеспечивает дополнительной защиты от широкополосного теплового шума, оно снижает ухудшение сигнала, вызванное узкополосными источниками помех. Одной из задач при использовании систем частотного переключения является синхронизация передатчика и приемника. Один из подходов заключается в том, чтобы передатчик гарантированно использовал все каналы в течение фиксированного периода времени. Тогда приемник может обнаружить передатчик, выбирая случайный канал и прослушивая его на предмет наличия действительных данных. Данные передатчика идентифицируются специальной последовательностью, маловероятно встречающейся в сегменте данных для данного канала, а сегмент также может содержать контрольную сумму для проверки целостности и дополнительной идентификации. Передатчик и приемник могут использовать фиксированные таблицы шаблонов частотного переключения, чтобы после синхронизации поддерживать связь, следуя этой таблице. В США, согласно части 15 правил FCC, касающейся нелицензированных систем расширенного спектра в диапазонах 902–928 МГц и 2,4 ГГц, разрешается большая мощность, чем для систем без расширенного спектра. Как FHSS, так и системы с прямой последовательностью расширения спектра (DSSS) могут передавать мощностью 1 ватт, что в тысячу раз превышает ограничение в 1 милливатт для систем без расширенного спектра. FCC также устанавливает минимальное количество частотных каналов и максимальное время пребывания на каждом канале.

Происхождение

В 1899 году Гульельмо Маркони экспериментировал с частотно-селективным приемом в попытке минимизировать помехи. Самые ранние упоминания о частотном скачке в открытой литературе встречаются в патенте США № 725 605, выданном Николе Тесле 17 марта 1903 года, и в книге радиопионера Джонатана Зеннека «Wireless Telegraphy» (немецкий, 1908, английский перевод McGraw Hill, 1915), хотя Зеннек пишет, что компания Telefunken уже пробовала это. Никола Тесла не упоминает фразу «частотный скачок» напрямую, но, безусловно, намекает на него. Патент под названием «Метод передачи сигналов» описывает систему, которая позволит осуществлять радиосвязь без риска нарушения, перехвата или какого-либо иного вмешательства в сигналы или сообщения. Немецкая армия в ограниченном объеме использовала частотный скачок для связи между стационарными командными пунктами в Первой мировой войне, чтобы предотвратить перехват британскими войсками, у которых не было технологий для отслеживания последовательности. Книга Джонатана Зеннека «Беспроводная телеграфия» была первоначально опубликована на немецком языке в 1908 году, но была переведена на английский в 1915 году, когда противник начал использовать частотные переходы на передовой. Польский инженер и изобретатель Леонард Данилевич утверждал, что предложил концепцию частотного скачка в 1929 году польскому Генеральному штабу, но предложение было отклонено. В 1932 году патент был выдан Виллему Бёрджесу на «Метод обеспечения секретности при передаче беспроводных телеграфных сообщений», который описывает систему, в которой «сообщения передаются посредством группы частот, известных только отправителю и получателю, и произвольно чередуются во время передачи сообщений». Во время Второй мировой войны Сигнальный корпус армии США разрабатывал систему связи под названием SIGSALY, которая использовала расширение спектра в рамках одной частоты. Однако SIGSALY была сверхсекретной системой связи, поэтому о ее существовании стало известно лишь в 1980-х годах. В 1942 году актриса Хеди Ламарр и композитор Джордж Антейл получили патент на свою «Секретную систему связи» — раннюю версию частотного скачка, использующую перфороллу для переключения между 88 частотами, чтобы затруднить обнаружение или подавление радиоуправляемых торпед противником. Затем они передали патент ВМС США. Идеи частотного скачка, возможно, были заново открыты в 1950-х годах в ходе патентных поисков, когда частные компании независимо разрабатывали метод множественного доступа с кодовым разделением по прямой последовательности — форму расширения спектра, не основанную на частотном скачке. В 1957 году инженеры Sylvania Electronic Systems Division приняли аналогичную идею, используя недавно изобретенный транзистор вместо механической технологии Ламарр и Антейла. Практическое применение частотного скачка было разработано Рэем Зинном, соучредителем Micrel Corporation. Зинн разработал метод, позволяющий радиоустройствам работать без необходимости синхронизации приемника с передатчиком. Используя частотный скачок и режимы сканирования, метод Зинна в основном применяется в беспроводных приложениях с низкой скоростью передачи данных, таких как учет ресурсов, мониторинг и измерение машин и оборудования, а также дистанционное управление. В 2006 году Зинн получил патент на свое «Беспроводное устройство и метод с использованием частотного скачка и режимов сканирования».

In 1899 Guglielmo Marconi experimented with frequency selective reception in an attempt to minimise interference. The earliest mentions of frequency hopping in open literature are in US patent 725,605, awarded to Nikola Tesla on March 17, 1903, and in radio pioneer Jonathan Zenneck's book Wireless Telegraphy (German, 1908, English translation McGraw Hill, 1915), although Zenneck writes that Telefunken had already tried it. Nikola Tesla doesn't mention the phrase "frequency hopping" directly, but certainly alludes to it. Entitled Method of Signaling, the patent describes a system that would enable radio communication without any danger of the signals or messages being disturbed, intercepted, interfered with in any way. The German military made limited use of frequency hopping for communication between fixed command points in World War I to prevent eavesdropping by British forces, who did not have the technology to follow the sequence. Jonathan Zenneck's book Wireless Telegraphy was originally published in German in 1908, but was translated into English in 1915 as the enemy started using frequency hopping on the front line. A Polish engineer and inventor, Leonard Danilewicz, claimed to have suggested the concept of frequency hopping in 1929 to the Polish General Staff, but it was rejected. In 1932, was awarded to Willem Broertjes, named "Method of maintaining secrecy in the transmission of wireless telegraphic messages", which describes a system where "messages are transmitted by means of a group of frequencies known to the sender and receiver alone, and alternated at will during transmission of the messages". During World War II, the US Army Signal Corps was inventing a communication system called SIGSALY, which incorporated spread spectrum in a single frequency context. But SIGSALY was a top secret communications system, so its existence was not known until the 1980s. In 1942, actress Hedy Lamarr and composer George Antheil received for their "Secret Communications System", an early version of frequency hopping using a piano roll to switch among 88 frequencies to make radio guided torpedoes harder for enemies to detect or jam. They then donated the patent to the U. S. Navy. Frequency hopping ideas may have been rediscovered in the 1950s during patent searches when private companies were independently developing direct sequence Code Division Multiple Access, a non frequency hopping form of spread spectrum. In 1957, engineers at Sylvania Electronic Systems Division adopted a similar idea, using the recently invented transistor instead of Lamarr's and Antheil's clockwork technology. A practical application of frequency hopping was developed by Ray Zinn, co founder of Micrel Corporation. Zinn developed a method allowing radio devices to operate without the need to synchronize a receiver with a transmitter. Using frequency hopping and sweep modes, Zinn's method is primarily applied in low data rate wireless applications such as utility metering, machine and equipment monitoring and metering, and remote control. In 2006 Zinn received for his "Wireless device and method using frequency hopping and sweep modes."

Вариации

Адаптированный частотный скачок расширенного спектра (AFH), используемый в Bluetooth, повышает устойчивость к радиочастотным помехам, избегая перегруженных частот в последовательности переключения. Реализовать такую адаптивную передачу проще с FHSS, чем с DSSS. Ключевая идея AFH заключается в использовании только "хороших" частот и избегании "плохих" – тех, на которых наблюдается частотно-селективное затухание, тех, на которых другие устройства пытаются установить связь, или тех, которые подвергаются активному глушению. Поэтому AFH должен быть дополнен механизмом для обнаружения хороших и плохих каналов. Однако, если сами радиочастотные помехи динамичны, стратегия AFH по "исключению плохих каналов" может оказаться неэффективной. Например, если существует несколько ко-лоцированных сетей с частотным переключением (как в Bluetooth Piconet), они взаимно создают помехи, и стратегия AFH не позволяет избежать этих помех. Проблема динамических помех, постепенного уменьшения количества доступных каналов переключения и обратной совместимости с устаревшими устройствами Bluetooth была решена в версии 1.2 стандарта Bluetooth (2003). Подобные ситуации часто возникают в сценариях, использующих нелицензируемый спектр. Кроме того, динамические радиочастотные помехи ожидаются в сценариях, связанных с когнитивным радио, где сети и устройства должны демонстрировать гибкое управление частотой. Чирп-модуляция может рассматриваться как разновидность частотного переключения, которая просто последовательно сканирует доступные частоты для передачи данных. Частотное переключение может быть наложено на другие виды модуляции или формы сигнала для повышения производительности системы.