Расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты ( FHSS ) — это метод передачи радиосигналов путем быстрого изменения несущей частоты среди множества частот, занимающих большую спектральную полосу. Изменения контролируются кодом, известным как передатчику , так и приемнику . FHSS используется для предотвращения помех, предотвращения подслушивания и обеспечения связи множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA).
Полоса частот разделена на более мелкие поддиапазоны. Сигналы быстро меняют («скачком») свои несущие частоты среди центральных частот этих поддиапазонов в определенном порядке. Помехи на определенной частоте будут влиять на сигнал только в течение короткого интервала времени. [1]
FHSS предлагает четыре основных преимущества по сравнению с передачей с фиксированной частотой:
Сигналы с расширенным спектром очень устойчивы к преднамеренным помехам , если противник не знает схемы скачкообразной перестройки частоты. Военные радиостанции генерируют шаблон скачкообразной перестройки частоты под контролем секретного ключа безопасности передачи (TRANSEC), которым отправитель и получатель заранее делятся. Этот ключ генерируется такими устройствами, как оборудование для защиты речи KY-57. Военные радиостанции США, использующие скачкообразную перестройку частоты, включают семейство JTIDS/MIDS, систему авиационной мобильной связи HAVE QUICK и боевую сетевую радиостанцию SINCGARS , Link-16 .
В США после того, как Федеральная комиссия по связи (FCC) внесла поправки в правила, разрешающие системам FHSS работать в нерегулируемом диапазоне 2,4 ГГц, многие потребительские устройства в этом диапазоне используют различные режимы FHSS. eFCC CFR 47, часть 15.247, охватывает правила США для диапазонов 902–928 МГц, 2400–2483,5 МГц и 5725–5850 МГц, а также требования к скачкообразной перестройке частоты. [2]
Некоторые рации , использующие технологию FHSS, были разработаны для нелицензионного использования в диапазоне 900 МГц. Технология FHSS также используется во многих любительских передатчиках и приемниках, используемых в радиоуправляемых моделях автомобилей, самолетов и дронов. Достигается своего рода множественный доступ, позволяющий одновременно работать сотням пар передатчик/приемник в одном и том же диапазоне, в отличие от предыдущих радиоуправляемых систем FM или AM, которые имели ограниченное количество одновременных каналов.
Общая полоса пропускания, необходимая для скачкообразной перестройки частоты, намного шире, чем та, которая требуется для передачи той же информации с использованием только одной несущей частоты . Но поскольку в любой момент времени передача происходит только в небольшой части этой полосы пропускания, мгновенная полоса пропускания помех на самом деле одинакова. Не обеспечивая дополнительной защиты от широкополосного теплового шума , подход со скачкообразной перестройкой частоты снижает ухудшение качества, вызванное источниками узкополосных помех.
Одной из проблем систем со скачкообразной перестройкой частоты является синхронизация передатчика и приемника. Один из подходов состоит в том, чтобы иметь гарантию того, что передатчик будет использовать все каналы в течение фиксированного периода времени. Затем приемник может найти передатчик, выбрав случайный канал и прослушивая действительные данные на этом канале. Данные передатчика идентифицируются специальной последовательностью данных, которая вряд ли появится в сегменте данных для этого канала, а также сегмент может иметь контрольную сумму для проверки целостности и дальнейшей идентификации. Передатчик и приемник могут использовать фиксированные таблицы шаблонов скачкообразной перестройки частоты, чтобы после синхронизации они могли поддерживать связь, следуя таблице.
В США часть 15 FCC о нелицензионных системах с расширенным спектром в диапазонах 902–928 МГц и 2,4 ГГц разрешает большую мощность, чем разрешено для систем с нерасширенным спектром. Как FHSS, так и системы с расширенным спектром прямой последовательности (DSSS) могут передавать мощность 1 Вт, что в тысячу раз больше, чем предел в 1 милливатт для систем без расширения спектра. FCC также предписывает минимальное количество частотных каналов и максимальное время задержки для каждого канала.
В 1899 году Гульельмо Маркони экспериментировал с частотно-селективным приемом, пытаясь минимизировать помехи. [3]
Самые ранние упоминания о скачкообразной перестройке частоты в открытой литературе содержатся в патенте США № 725,605, выданном Николе Тесле 17 марта 1903 года, и в книге пионера радиотехники Джонатана Зеннека «Беспроводная телеграфия» (немецкий, 1908, английский перевод McGraw Hill, 1915) : 4] [а] хотя Зеннек пишет, что Telefunken уже пробовала это. Никола Тесла не упоминает словосочетание «прыжковая частота» напрямую, но определенно намекает на него. Патент, озаглавленный «Метод сигнализации» , описывает систему, которая позволит осуществлять радиосвязь без какой-либо опасности того, что сигналы или сообщения будут нарушены, перехвачены или каким-либо образом помехи . [5]
Немецкие военные ограниченно использовали скачкообразную перестройку частоты для связи между фиксированными командными пунктами во время Первой мировой войны, чтобы предотвратить подслушивание британскими войсками, у которых не было технологий, позволяющих отслеживать последовательность действий. [6] Книга Джонатана Ценнека «Беспроводная телеграфия» была первоначально опубликована на немецком языке в 1908 году, но была переведена на английский язык в 1915 году, когда противник начал использовать скачкообразную перестройку частоты на линии фронта.
Польский инженер и изобретатель Леонард Данилевич утверждал, что предложил концепцию скачкообразной перестройки частоты в 1929 году польскому генеральному штабу , но она была отвергнута. [7]
В 1932 году Виллему Броертьесу был выдан патент США № 1 869 659 под названием «Метод сохранения секретности при передаче беспроводных телеграфных сообщений», в котором описывается система, в которой «сообщения передаются посредством группы частот... известных отправителю». и приемник только и чередуются по желанию во время передачи сообщений».
Во время Второй мировой войны Корпус связи армии США изобретал систему связи под названием SIGSALY , которая включала расширенный спектр в одночастотном контексте. Но SIGSALY была сверхсекретной системой связи, поэтому о ее существовании не было известно до 1980-х годов.
В 1942 году актриса Хеди Ламарр и композитор Джордж Антейл получили патент США 2 292 387 на свою «Секретную систему связи», [8] [9] раннюю версию скачкообразной перестройки частоты с использованием пианино для переключения между 88 частотами для создания радиоуправляемых торпед . врагам труднее обнаружить или заблокировать. ВМС США отвергли эту идею, а затем конфисковали ее как «чужую собственность» в 1942 году (Ламарр был австрийцем), но хранили ее без каких-либо записей о производстве работающего устройства.
Идея Ламарра и Антейла, возможно, была вновь открыта в 1950-х годах во время патентных поисков, когда частные компании независимо разрабатывали множественный доступ с кодовым разделением прямой последовательности , форму расширения спектра без скачкообразной перестройки частоты. [ нужна цитата ] В 1957 году инженеры подразделения электронных систем Sylvania приняли аналогичную идею, используя недавно изобретенный транзистор вместо технологии часового механизма Ламарра и Антейла. [8] [ сомнительно ] В 1962 году ВМС США использовали работу подразделения электронных систем Сильвании во время кубинского ракетного кризиса . [10]
Практическое применение скачкообразной перестройки частоты разработал Рэй Зинн , соучредитель корпорации Micrel. Зинн разработал метод, позволяющий радиоустройствам работать без необходимости синхронизации приемника с передатчиком. Используя режимы скачкообразной перестройки частоты и развертки, метод Зинна в основном применяется в беспроводных приложениях с низкой скоростью передачи данных, таких как учет коммунальных услуг, мониторинг и измерение машин и оборудования, а также дистанционное управление. В 2006 году Зинн получил патент США № 6 996 399 на свое «Беспроводное устройство и метод, использующие режимы скачкообразной перестройки частоты и развертки».
Адаптивный расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты ( AFH ), используемый в Bluetooth, повышает устойчивость к радиочастотным помехам , избегая переполнения частот в последовательности скачкообразного изменения частоты. Такой вид адаптивной передачи легче реализовать с помощью FHSS, чем с DSSS .
Ключевая идея AFH состоит в том, чтобы использовать только «хорошие» частоты и избегать «плохих» — тех, которые испытывают частотно-избирательное затухание , тех, на которых третья сторона пытается связаться, или тех, которые активно глушатся. Поэтому AFH должен быть дополнен механизмом обнаружения хороших и плохих каналов.
Но если радиочастотные помехи сами по себе являются динамическими, то стратегия AFH по «удалению плохих каналов» может не сработать. Например, если существует несколько совмещенных сетей со скачкообразной перестройкой частоты (например, Bluetooth Piconet ), они создают взаимные помехи, и стратегия AFH не позволяет избежать этих помех.
Проблема динамических помех, постепенного сокращения доступных каналов переключения и обратной совместимости с устаревшими устройствами Bluetooth была решена в версии 1.2 стандарта Bluetooth (2003 г.). Такая ситуация часто может возникнуть в сценариях, использующих нелицензируемый спектр .
Кроме того, ожидается, что динамические радиочастотные помехи возникнут в сценариях, связанных с когнитивным радио , где сети и устройства должны работать с гибкой частотой .
Чирп-модуляцию можно рассматривать как форму скачкообразного изменения частоты, при которой для связи просто последовательно сканируются доступные частоты.
Скачкообразная перестройка частоты может накладываться на другие модуляции или сигналы для повышения производительности системы.