В телекоммуникациях , особенно в радиосвязи , расширенный спектр — это методы, с помощью которых сигнал (например, электрический, электромагнитный или акустический), генерируемый с определенной полосой пропускания, преднамеренно распространяется в частотной области в более широком диапазоне частот . Методы расширенного спектра используются для установления защищенной связи, повышения устойчивости к естественным помехам , шуму и глушению , для предотвращения обнаружения, ограничения плотности потока мощности (например, в спутниковых нисходящих линиях связи ) и обеспечения связи с множественным доступом.
Расширенный спектр обычно использует последовательную шумоподобную структуру сигнала для распространения обычно узкополосного информационного сигнала по относительно широкополосному (радио) диапазону частот. Приемник сопоставляет полученные сигналы для извлечения исходного информационного сигнала. Первоначально было две мотивации: либо противостоять попыткам противника заглушить связь (анти-помехи, или AJ), либо скрыть тот факт, что связь вообще имела место, иногда называемый низкой вероятностью перехвата (LPI). [1]
Распространение спектра с помощью частотных скачков (FHSS), распространение спектра с прямой последовательностью (DSSS), распространение спектра с помощью временных скачков (THSS), распространение спектра с помощью чирпа (CSS) и комбинации этих методов являются формами распространения спектра. Первые два из этих методов используют последовательности псевдослучайных чисел, созданные с помощью генераторов псевдослучайных чисел , для определения и управления шаблоном распространения сигнала по выделенной полосе пропускания. Беспроводной стандарт IEEE 802.11 использует либо FHSS, либо DSSS в своем радиоинтерфейсе.
Идея попытки защитить и избежать помех в радиопередачах восходит к началу радиоволновой сигнализации. В 1899 году Гульельмо Маркони экспериментировал с частотно-избирательным приемом, пытаясь минимизировать помехи. [2] Концепция скачков частоты была принята немецкой радиокомпанией Telefunken и также описана в части патента США 1903 года Николой Теслой . [3] [4] В немецкой книге 1908 года «Беспроводная телеграфия» пионера радио Джонатана Ценнека описывается этот процесс и отмечается, что Telefunken использовала его ранее. [2] Он ограниченно использовался немецкими военными в Первой мировой войне , [5] был предложен польским инженером Леонардом Данилевичем в 1929 году, [6] появился в патенте 1930-х годов Виллема Броертьеса ( патент США 1 869 659, выдан 2 августа 1932 года) и в сверхсекретной системе связи Корпуса связи армии США во время Второй мировой войны под названием SIGSALY .
Во время Второй мировой войны актриса Золотого века Голливуда Хеди Ламарр и авангардный композитор 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 года. Их подход был уникален тем, что координация частот осуществлялась с помощью бумажных рулонов пианино, новый подход, который так и не был реализован на практике. [7]
Генерация тактовых импульсов с расширенным спектром (SSCG) используется в некоторых синхронных цифровых системах , особенно в тех, которые содержат микропроцессоры, для снижения 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, идеальный тактовый сигнал будет иметь всю свою энергию, сконцентрированную 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 образуется частотный спектр, который на определенных частотах может превышать нормативные ограничения по электромагнитным помехам (например, FCC в США, JEITA в Японии и IEC в Европе).
Тактирование с расширенным спектром позволяет избежать этой проблемы, снижая пиковую излучаемую энергию и, следовательно, ее электромагнитные излучения, и, таким образом, соответствует нормам электромагнитной совместимости (ЭМС). Это стало популярным методом получения одобрения регулирующих органов, поскольку для этого требуется лишь простая модификация оборудования. Он еще более популярен в портативных электронных устройствах из-за более высоких тактовых частот и растущей интеграции ЖК-дисплеев высокого разрешения во все более мелкие устройства. Поскольку эти устройства разработаны так, чтобы быть легкими и недорогими, традиционные пассивные электронные меры по снижению ЭМП, такие как конденсаторы или металлическое экранирование, не являются жизнеспособными. Активные методы снижения ЭМП, такие как тактирование с расширенным спектром, необходимы в этих случаях.
В системах PCIe, USB 3.0 и SATA наиболее распространенной техникой является понижение частоты с помощью частотной модуляции с источником более низкой частоты. [8] Тактирование с расширенным спектром, как и другие виды динамического изменения частоты , также может создавать проблемы для разработчиков. Главной из них является несовпадение тактовой частоты/данных или перекос тактовой частоты . Фазовая автоподстройка частоты на приемной стороне требует достаточно высокой полосы пропускания для правильного отслеживания тактовой частоты с расширенным спектром. [9]
Несмотря на то, что совместимость с SSC обязательна для приемников SATA, [10] не редкость обнаружить, что чипы-расширители имеют проблемы с такими часами. Следовательно, возможность отключить синхронизацию с расширенным спектром в компьютерных системах считается полезной. [11] [12] [13]
Обратите внимание, что этот метод не снижает общую излучаемую энергию, и поэтому системы не обязательно менее склонны вызывать помехи. Распространение энергии по более широкой полосе пропускания эффективно снижает электрические и магнитные показания в узких полосах пропускания. Типичные измерительные приемники, используемые лабораториями по испытаниям ЭМС, делят электромагнитный спектр на полосы частот шириной приблизительно 120 кГц. [14] Если бы тестируемая система излучала всю свою энергию в узкой полосе пропускания, она бы зарегистрировала большой пик. Распределение этой же энергии в более широкой полосе пропускания не позволяет системам подавать достаточно энергии в любую узкую полосу пропускания, чтобы превысить установленные законом ограничения. Полезность этого метода как средства уменьшения реальных проблем с помехами часто обсуждается, [9] поскольку считается, что тактирование с расширенным спектром скрывает, а не решает проблемы с более высокой излучаемой энергией путем простого использования лазеек в законодательстве об ЭМС или процедурах сертификации. Такая 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 измеряемые выбросы до приемлемых правовых пределов. Однако в некоторых случаях функция расширения спектра может быть отключена пользователем. Например, в области персональных компьютеров некоторые авторы BIOS включают возможность отключения генерации тактовой частоты расширения спектра в качестве пользовательской настройки, тем самым нарушая объект правил EMI. Это можно считать лазейкой , но обычно игнорируется, пока расширение спектра включено по умолчанию.
В этой статье использованы материалы из общедоступного федерального стандарта 1037C. Администрация общих служб . Архивировано из оригинала 2022-01-22. (в поддержку MIL-STD-188 ).