Расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты ( FHSS ) — это метод передачи радиосигналов путем быстрого изменения несущей частоты среди многих частот, занимающих большую спектральную полосу. Изменения контролируются кодом, известным как передатчику , так и приемнику . FHSS используется для предотвращения помех, предотвращения подслушивания и обеспечения связи с множественным доступом с кодовым разделением каналов (CDMA).
Диапазон частот делится на более мелкие поддиапазоны. Сигналы быстро меняют («прыгают») свои несущие частоты среди центральных частот этих поддиапазонов в определенном порядке. Помехи на определенной частоте будут влиять на сигнал только в течение короткого интервала. [1]
FHSS предлагает четыре основных преимущества по сравнению с передачей на фиксированной частоте:
Сигналы с расширенным спектром обладают высокой устойчивостью к преднамеренному глушению , если только противник не знает шаблон скачкообразной перестройки частоты. Военные радиостанции генерируют шаблон скачкообразной перестройки частоты под контролем секретного ключа безопасности передачи (TRANSEC), который отправитель и получатель разделяют заранее. Этот ключ генерируется такими устройствами, как оборудование безопасности речи KY-57. Военные радиостанции США, использующие скачкообразную перестройку частоты, включают семейство JTIDS/MIDS, систему мобильной аэронавигационной связи HAVE QUICK и боевую сетевую радиостанцию SINCGARS , Link-16 .
В США, с тех пор как Федеральная комиссия по связи (FCC) внесла поправки в правила, разрешающие системы FHSS в нерегулируемом диапазоне 2,4 ГГц, многие потребительские устройства в этом диапазоне используют 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 скачкообразной перестройке частоты. [2]
Некоторые рации , использующие технологию FHSS, были разработаны для нелицензированного использования в диапазоне 900 МГц. Технология FHSS также используется во многих любительских передатчиках и приемниках, используемых для радиоуправляемых моделей автомобилей, самолетов и дронов. Достигается тип множественного доступа, позволяющий сотням пар передатчик/приемник работать одновременно в одном диапазоне, в отличие от предыдущих радиоуправляемых систем FM или AM, которые имели ограниченное количество одновременных каналов.
Общая полоса пропускания, необходимая для скачка частоты, намного шире, чем та, которая требуется для передачи той же информации с использованием только одной несущей частоты . Но поскольку передача происходит только на небольшой части этой полосы пропускания в любой момент времени, мгновенная полоса пропускания помех на самом деле та же самая. Не предоставляя никакой дополнительной защиты от широкополосного теплового шума , подход с перескоком частоты уменьшает деградацию, вызванную источниками узкополосных помех.
Одной из проблем систем с перескоком частоты является синхронизация передатчика и приемника. Один из подходов заключается в том, чтобы гарантировать, что передатчик будет использовать все каналы в фиксированный период 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 возникнет в сегменте данных для этого канала, и сегмент также может иметь контрольную сумму для проверки целостности и дальнейшей идентификации. Передатчик и приемник могут использовать фиксированные таблицы шаблонов скачков частоты, так что после синхронизации они могут поддерживать связь, следуя таблице.
В США часть 15 FCC о нелицензируемых системах с расширенным спектром в диапазонах 902–928 МГц и 2,4 ГГц допускает большую мощность, чем разрешено для систем без расширенного спектра. Как FHSS, так и системы с расширенным спектром прямой последовательности (DSSS) могут передавать на мощности 1 Вт, что в тысячу раз больше предела в 1 милливатт для систем без расширенного спектра. FCC также предписывает минимальное количество частотных каналов и максимальное время задержки для каждого канала.
В 1899 году Гульельмо Маркони экспериментировал с частотно-избирательным 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 [4] и в книге пионера радио Джонатана Ценнека «Беспроводная телеграфия» (немецкий, 1908, английский перевод McGraw Hill, 1915), [5] [a] хотя Ценнек пишет, что Telefunken уже пробовала это. Никола Тесла не упоминает фразу «скачкообразная перестройка частоты» напрямую, но, безусловно, намекает на нее. Названный « Метод сигнализации » , патент описывает систему, которая позволила бы осуществлять радиосвязь без какой-либо опасности того, что сигналы или сообщения будут нарушены, перехвачены, или каким-либо образом им помешают . [6]
Немецкие военные ограниченно использовали скачкообразную перестройку частоты для связи между фиксированными командными пунктами во время Первой мировой войны , чтобы предотвратить подслушивание со стороны британских войск, у которых не было технологий для отслеживания последовательности. [7] 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.
В 1920 году Отто Б. Блэквелл, Де Лосс К. Мартин и Гилберт С. Вернам подали заявку на патент на «Систему секретной связи», выданную в 1926 году как патент США 1 598 673. В этом патенте описывался метод передачи сигналов на нескольких частотах случайным образом для обеспечения секретности, предвосхищая ключевые особенности более поздних систем скачкообразной перестройки частоты. [4]
Польский инженер и изобретатель Леонард Данилевич утверждал , что в 1929 году предложил концепцию скачкообразной перестройки частоты польскому Генеральному штабу , но она была отклонена. [8]
В 1932 году Виллему Броертьесу был выдан патент США № 1 869 659 под названием «Способ сохранения секретности при передаче беспроводных телеграфных сообщений», в котором описывается система, в которой «сообщения передаются с помощью группы частот... известных только отправителю и получателю, и чередующихся 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 контексте одной частоты. Но SIGSALY была совершенно секретной 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» [9] [10] раннюю версию скачкообразной перестройки частоты с использованием рояльной рулетки для переключения между 88 частотами, чтобы сделать радиоуправляемые торпеды более сложными для обнаружения или глушения врагами. Затем они передали патент ВМС США . [11]
Идеи скачкообразной перестройки частоты, возможно, были заново открыты в 1950-х годах во время патентных поисков, когда частные компании независимо разрабатывали множественный доступ с кодовым разделением каналов с прямой последовательностью , форму расширенного спектра без скачков частоты. [ требуется ссылка ] В 1957 году инженеры Sylvania Electronic Systems Division приняли похожую идею, используя недавно изобретенный транзистор вместо часовой технологии Ламарр и Антейла. [9] [ сомнительно – обсудить ] В 1962 году ВМС США использовали работу Sylvania Electronic Systems Division во время Карибского кризиса . [12]
Практическое применение скачкообразной перестройки частоты было разработано Рэем Зинном , соучредителем Micrel Corporation. Зинн разработал метод, позволяющий радиоустройствам работать без необходимости синхронизации приемника с передатчиком. Используя скачкообразную перестройку частоты и режимы развертки, метод Зинна в основном применяется в беспроводных приложениях с низкой скоростью передачи данных, таких как учет коммунальных услуг, мониторинг и учет машин и оборудования, а также дистанционное управление. В 2006 году Зинн получил патент США 6 996 399 на свое «Беспроводное устройство и метод, использующие скачкообразную перестройку частоты и режимы развертки».
Адаптивный частотный скачок с расширением спектра ( AFH ), используемый в Bluetooth, повышает устойчивость к радиочастотным помехам , избегая переполненных частот в последовательности скачков. Такого рода адаптивную передачу проще реализовать с помощью FHSS, чем с помощью DSSS .
Основная идея AFH — использовать только «хорошие» частоты и избегать «плохих» — тех, которые испытывают селективное затухание частоты , тех, на которых третья сторона пытается общаться, или тех, которые активно глушатся. Поэтому AFH должен быть дополнен механизмом обнаружения хороших и плохих каналов.
Но если радиочастотные помехи сами по себе динамические, то стратегия AFH по "удалению плохого канала" может не сработать. Например, если есть несколько расположенных рядом сетей с перескоком частоты (как Bluetooth Piconet ), они взаимно мешают друг другу, и стратегия AFH не может 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). Такая ситуация часто может возникать в сценариях, использующих нелицензированный спектр .
Кроме того, ожидается, что динамические радиочастотные помехи будут возникать в сценариях, связанных с когнитивным радио , где сети и устройства должны демонстрировать работу с быстрой перестройкой частоты .
ЛЧМ-модуляцию можно рассматривать как форму скачкообразной перестройки частоты, которая просто последовательно сканирует доступные частоты для установления связи.
Скачкообразную перестройку частоты можно накладывать на другие модуляции или формы волн для повышения производительности системы.