В телекоммуникациях , особенно в радиосвязи , расширение спектра — это методы, с помощью которых сигнал (например, электрический, электромагнитный или акустический), генерируемый с определенной полосой частот , намеренно расширяется в частотной области по более широкому диапазону частот . Методы расширения спектра используются для установления защищенной связи, повышения устойчивости к естественным помехам , шуму и помехам , для предотвращения обнаружения, для ограничения плотности потока мощности (например, в спутниковых нисходящих линиях связи ) и для обеспечения связи с множественным доступом.
Расширение спектра обычно использует последовательную шумоподобную структуру сигнала для расширения обычно узкополосного информационного сигнала по относительно широкой (радио) полосе частот. Приемник коррелирует полученные сигналы для получения исходного информационного сигнала. Первоначально существовало две мотивации: либо противостоять попыткам противника заглушить связь (анти-помех, или AJ), либо скрыть тот факт, что связь вообще имела место, что иногда называют низкой вероятностью перехвата (LPI). [1]
Расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS), расширенный спектр с прямой последовательностью (DSSS), расширенный спектр со скачкообразной перестройкой во времени (THSS), расширенный спектр с частотной модуляцией (CSS) и комбинации этих методов являются формами расширенного спектра. Первые два из этих методов используют последовательности псевдослучайных чисел, созданные с помощью генераторов псевдослучайных чисел , для определения и управления шаблоном расширения сигнала по выделенной полосе пропускания. Стандарт беспроводной связи IEEE 802.11 использует в своем радиоинтерфейсе либо FHSS, либо DSSS.
Идея защиты и предотвращения помех при радиопередаче восходит к зарождению радиоволновой передачи сигналов. В 1899 году Гульельмо Маркони экспериментировал с частотно-селективным приемом, пытаясь минимизировать помехи. [2] Концепция скачкообразной перестройки частоты была принята немецкой радиокомпанией Telefunken , а также описана в патенте США 1903 года Николы Теслы . [3] [4] Немецкая книга пионера радио Джонатана Зеннека « Беспроводная телеграфия» 1908 года описывает этот процесс и отмечает, что Telefunken использовал его ранее. [2] Он ограниченно использовался немецкими военными во время Первой мировой войны , [5] был предложен польским инженером Леонардом Данилевичем в 1929 году, [6] появился в патенте 1930-х годов Виллема Броертьеса ( патент США № 1,869,659 , выданный в августе 2, 1932), а также в сверхсекретной системе связи Корпуса связи армии США времен Второй мировой войны под названием SIGSALY .
Во время Второй мировой войны актриса Золотого века Голливуда Хеди Ламарр и композитор -авангардист Джордж Антейл разработали устойчивую к помехам систему радионаведения для использования в торпедах союзников , запатентовав устройство по патенту США 2 292 387 «Секретная система связи» 11 августа. 1942. Их подход был уникален тем, что координация частот осуществлялась с помощью бумажных барабанов пианино - новый подход, который так и не был реализован на практике. [7]
Генерация часов с расширенным спектром (SSCG) используется в некоторых синхронных цифровых системах , особенно в тех, которые содержат микропроцессоры, для уменьшения спектральной плотности электромагнитных помех (EMI), которые генерируют эти системы. Синхронная цифровая система — это система, которая управляется тактовым сигналом и из-за своей периодической природы имеет неизбежно узкий частотный спектр. Фактически, вся энергия идеального тактового сигнала будет сконцентрирована на одной частоте (желаемой тактовой частоте) и ее гармониках.
Практические синхронные цифровые системы излучают электромагнитную энергию в ряде узких полос, распределенных по тактовой частоте и ее гармоникам, в результате чего получается частотный спектр, который на определенных частотах может превышать нормативные пределы электромагнитных помех (например, установленные FCC в США). США, JEITA в Японии и IEC в Европе).
Синхронизация с расширенным спектром позволяет избежать этой проблемы за счет снижения пиковой излучаемой энергии и, следовательно, ее электромагнитных излучений и, таким образом, соответствует нормам электромагнитной совместимости (ЭМС). Этот метод стал популярным методом получения одобрения регулирующих органов, поскольку требует лишь простой модификации оборудования. Он еще более популярен в портативных электронных устройствах из-за более высоких тактовых частот и растущей интеграции ЖК-дисплеев с высоким разрешением в устройства все меньшего размера. Поскольку эти устройства спроектированы так, чтобы быть легкими и недорогими, традиционные пассивные электронные меры по снижению электромагнитных помех, такие как конденсаторы или металлическое экранирование, нежизнеспособны. В этих случаях необходимы методы активного снижения электромагнитных помех, такие как синхронизация с расширенным спектром.
В системах PCIe, USB 3.0 и SATA наиболее распространенным методом является распространение с понижением частоты посредством частотной модуляции с помощью источника более низкой частоты. [8] Тактирование с расширенным спектром, как и другие виды динамического изменения частоты , также может создавать проблемы для разработчиков. Основным из них является несовпадение тактового сигнала/данных или перекос тактового сигнала . Для системы фазовой автоподстройки частоты на приемной стороне требуется достаточно высокая полоса пропускания, чтобы правильно отслеживать тактовый сигнал с расширенным спектром. [9]
Несмотря на то, что совместимость SSC является обязательной для ресиверов SATA, [10] нередко можно обнаружить, что микросхемы расширения имеют проблемы с такой тактовой частотой. Следовательно, возможность отключения синхронизации с расширенным спектром в компьютерных системах считается полезной. [11] [12] [13]
Обратите внимание, что этот метод не уменьшает общую излучаемую энергию, и поэтому системы не обязательно менее склонны вызывать помехи. Распределение энергии по более широкой полосе пропускания эффективно снижает электрические и магнитные показания в узкой полосе пропускания. Типичные измерительные приемники , используемые испытательными лабораториями ЭМС, делят электромагнитный спектр на полосы частот шириной примерно 120 кГц. [14] Если бы тестируемая система излучала всю свою энергию в узкой полосе пропускания, она зарегистрировала бы большой пик. Распределение этой же энергии в более широкую полосу пропускания не позволяет системам передавать достаточно энергии в любую узкую полосу, чтобы превысить установленные законом пределы. Полезность этого метода как средства уменьшения реальных проблем с помехами часто обсуждается [9] , поскольку считается, что синхронизация с расширенным спектром скрывает, а не решает проблемы с более высоким уровнем излучаемой энергии путем простого использования лазеек в законодательстве по электромагнитной совместимости или процедурах сертификации. . Эта ситуация приводит к тому, что электронное оборудование, чувствительное к узкой полосе пропускания, испытывает гораздо меньше помех, в то время как оборудование с широкополосной чувствительностью или даже работающее на других более высоких частотах (например, радиоприемник, настроенный на другую станцию), будет испытывать больше помех.
Сертификационные испытания FCC часто завершаются с включенной функцией расширения спектра, чтобы снизить измеренные выбросы до допустимых законом пределов. Однако в некоторых случаях функция расширения спектра может быть отключена пользователем. Например, в области персональных компьютеров некоторые разработчики BIOS включают возможность отключения генерации тактового сигнала с расширенным спектром в качестве пользовательской настройки, тем самым сводя на нет объект правил EMI. Это можно считать лазейкой , но обычно на нее не обращают внимания, пока расширение спектра включено по умолчанию.
Эта статья включает общедоступные материалы из Федерального стандарта 1037C. Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. (в поддержку MIL-STD-188 ).