Распределение спектра сигнала: методы и применение

Введение

Расширение частотного спектра сигнала

В телекоммуникациях, особенно в радиосвязи, методы расширения спектра – это техники, при которых сигнал (например, электрический, электромагнитный или акустический), генерируемый с определенной полосой пропускания, намеренно расширяется в частотной области на более широкую полосу частот. Методы расширения спектра используются для обеспечения безопасной связи, повышения устойчивости к естественным помехам, шумам и преднамеренным помехам, предотвращения обнаружения, ограничения плотности потока мощности (например, в спутниковых каналах связи нисходящей линии) и обеспечения множественного доступа к каналам связи.

Телекоммуникации

Распространение спектра обычно использует структуру сигналов, подобную случайному шуму, для расширения узкополосного информационного сигнала на относительно широкую (радио) полосу частот. Приемник коррелирует принятые сигналы для восстановления исходного информационного сигнала. Изначально существовало две основные цели: противодействие преднамеренным помехам со стороны противника (анти-джем, или AJ), или сокрытие самого факта передачи, иногда называемое низкой вероятностью перехвата (LPI). Частотное скачкообразное распространение спектра (FHSS), прямое распространение спектра (DSSS), временное распространение спектра (THSS), чирп-распространение спектра (CSS) и их комбинации являются разновидностями распространения спектра. Первые два из этих методов используют псевдослучайные последовательности чисел – генерируемые псевдослучайными генераторами чисел – для определения и управления законом расширения сигнала в выделенной полосе пропускания. Беспроводной стандарт IEEE 802.11 использует в своем радиоинтерфейсе либо FHSS, либо DSSS. Методы, известные с 1940-х годов и применяемые в военных системах связи с 1950-х годов, "расширяют" радиосигнал на широкий частотный диапазон, в несколько раз превышающий минимальные требования. Основной принцип распространения спектра заключается в использовании несущих, подобных шуму, и, как следует из названия, полос пропускания, значительно превышающих те, что необходимы для простой связи точка-точка с той же скоростью передачи данных. Устойчивость к помехам (интерференции). Прямое распространение (DS) эффективно против непрерывных узкополосных помех, в то время как частотное скачкообразное распространение (FH) лучше противостоит импульсным помехам. В системах DS узкополосные помехи влияют на производительность обнаружения примерно так же, как если бы мощность помех была распределена по всей полосе пропускания сигнала, где она часто не будет сильнее фонового шума. Напротив, в узкополосных системах с низкой полосой пропускания сигнала качество принимаемого сигнала значительно ухудшится, если мощность помех окажется сосредоточенной в полосе пропускания сигнала. Устойчивость к перехвату. Последовательность расширения (в системах DS) или схема частотного скачкообразного распространения (в системах FH) часто неизвестна лицам, не являющимся предполагаемыми получателями сигнала, что затрудняет его обнаружение и снижает вероятность успешного анализа сигнала противником. Более того, при заданной спектральной плотности мощности шума (PSD), системы с расширенным спектром требуют такого же количества энергии на бит до расширения, как и узкополосные системы, и, следовательно, такой же мощности, если скорость передачи данных до расширения одинакова. Однако, поскольку мощность сигнала распределена по широкой полосе пропускания, PSD сигнала значительно ниже – часто существенно ниже, чем PSD шума – что может затруднить для противника определение самого наличия сигнала. Тем не менее, для критически важных приложений, особенно использующих коммерчески доступные радиостанции, радиостанции с расширенным спектром не обеспечивают достаточную безопасность, если не используются, как минимум, длинные нелинейные последовательности расширения и шифрование сообщений. Устойчивость к замираниям. Большая полоса пропускания, занимаемая сигналами с расширенным спектром, обеспечивает некоторое частотное разнообразие; то есть, маловероятно, что сигнал столкнется с серьезным многолучевым замиранием на всей полосе пропускания. В системах прямого распространения сигнал может быть обнаружен с помощью решеточного приемника (rake receiver). Возможность множественного доступа, известная как множественный доступ с кодовым разделением (CDMA) или мультиплексирование с кодовым разделением (CDM). Несколько пользователей могут одновременно передавать в одной и той же полосе частот, если они используют различные последовательности расширения.

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.

Изобретение частотного скачка

Идея защиты от помех и предотвращения вмешательства в радиосвязь восходит к началу эры радиоволновой передачи сигналов. В 1899 году Гульельмо Маркони экспериментировал с частотно-селективным приемом, чтобы минимизировать помехи. Концепция частотного переключения была принята немецкой радиокомпанией Telefunken и частично описана в патенте США 1903 года, выданном Николе Тесле. В своей немецкой книге 1908 года «Беспроводная телеграфия» пионер радиосвязи Джонатан Зеннек описал этот процесс и отметил, что Telefunken уже использовала его ранее. Дальнейшие разработки были предложены польским инженером Леонардом Данилевичем в 1929 году, отражены в патенте 1930-х годов, выданном Виллемом Бёрджесом 2 августа 1932 года, и использованы в сверхсекретной системе связи Корпуса сигналов армии США времен Второй мировой войны под названием SIGSALY. Во время Второй мировой войны голливудская актриса Золотого века Хеди Ламарр и авангардный композитор Джордж Антейл разработали систему радиоуправления, предназначенную для торпед союзников, и запатентовали ее 11 августа 1942 года под названием «Секретная система связи». Их подход был уникален тем, что координация частот осуществлялась с помощью перфорированных рулонов для музыкальных шкатулок, что было новым, но так и не реализованным решением.

Построение тактового сигнала

Генерация широкополосного тактового сигнала (SSCG) используется в некоторых синхронных цифровых системах, особенно содержащих микропроцессоры, для снижения спектральной плотности электромагнитных помех (EMI), создаваемых этими системами. Синхронная цифровая система – это система, работающая под управлением тактового сигнала и, вследствие своей периодичности, обладающая неизбежно узким частотным спектром. Фактически, идеальный тактовый сигнал концентрирует всю свою энергию на одной частоте (желаемой тактовой частоте) и её гармониках.

Предыстория

Практические синхронные цифровые системы излучают электромагнитную энергию на ряде узких полос, распределенных по частоте тактового сигнала и его гармоникам, что приводит к формированию частотного спектра, который на определенных частотах может превышать нормативные пределы электромагнитных помех (например, установленные FCC в США, JEITA в Японии и IEC в Европе). Технология расширенного спектра тактирования позволяет избежать этой проблемы, снижая пиковую излучаемую мощность и, следовательно, электромагнитные излучения, обеспечивая тем самым соответствие требованиям электромагнитной совместимости (ЭМС). Она стала популярным способом получения одобрения регулирующих органов, поскольку требует лишь простой модификации оборудования. Эта технология еще более востребована в портативных электронных устройствах из-за увеличения тактовой частоты и растущей интеграции ЖК-дисплеев высокого разрешения в устройства, становящиеся все меньше по размеру. Поскольку эти устройства разрабатываются с учетом легкости и низкой стоимости, традиционные пассивные электронные методы снижения ЭМП, такие как конденсаторы или металлическая экранировка, оказываются неэффективными. В таких случаях необходимы активные методы снижения ЭМП, такие как расширение спектра тактирования.

Метод

В системах PCIe, USB 3.0 и SATA наиболее распространенной техникой является размазывание спектра, посредством частотной модуляции с использованием источника более низкой частоты. Тактирование с размазыванием спектра, как и другие виды динамического изменения частоты, также может создавать трудности для разработчиков. Основной из них – рассогласование тактовой частоты и данных, или перекос тактовой частоты. Фазовая замкнутая петля на принимающей стороне требует достаточной полосы пропускания для корректного отслеживания тактовой частоты с размазанным спектром. Несмотря на то, что совместимость с SSC является обязательной для приемников SATA, не редко встречаются микросхемы расширители, испытывающие проблемы при работе с такой тактовой частотой. Следовательно, возможность отключения тактирования с размазыванием спектра в компьютерных системах считается полезной.

Влияние

Следует отметить, что данный метод не снижает общую излучаемую энергию, и, следовательно, системы не обязательно становятся менее склонными к созданию помех. Распределение энергии по большей полосе частот эффективно снижает показания электрического и магнитного полей в узких полосах частот. Типичные измерительные приемники, используемые в лабораториях по ЭМС-испытаниям, разделяют электромагнитный спектр на частотные полосы шириной около 120 кГц. Если бы тестируемая система излучала всю свою энергию в узкой полосе, это зарегистрировалось бы как высокий пик. Распределение той же энергии по более широкой полосе предотвращает концентрацию достаточного уровня энергии в какой-либо одной узкой полосе, чтобы превысить установленные нормативные пределы. Эффективность этого метода в решении реальных проблем с помехами часто является предметом дискуссий, поскольку считается, что расширение спектра скрывает, а не решает проблему повышенного излучения, используя лазейки в законодательстве по ЭМС или процедурах сертификации. В результате электронное оборудование, чувствительное к узким полосам частот, испытывает значительно меньше помех, в то время как оборудование с широкополосной чувствительностью или работающее на других, более высоких частотах (например, радиоприемник, настроенный на другую станцию), подвергается большему воздействию помех. При сертификационных испытаниях FCC функция расширения спектра часто включается для снижения измеренных выбросов до допустимых нормативных значений. Однако в некоторых случаях пользователь может отключить эту функцию. Например, в области персональных компьютеров некоторые разработчики BIOS предоставляют возможность отключения генерации тактовых импульсов с расширенным спектром в качестве пользовательской настройки, тем самым сводя на нет цель правил по электромагнитной совместимости. Это можно рассматривать как лазейку, но обычно игнорируется, пока расширение спектра включено по умолчанию.