Espalhe o espectro - Spread spectrum

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Diagrama de multiplexação.
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Em telecomunicações e comunicação de rádio , técnicas de espalhamento espectral são métodos pelos quais um sinal (por exemplo, um sinal elétrico, eletromagnético ou acústico) gerado com uma determinada largura de banda é deliberadamente espalhado no domínio da frequência , resultando em um sinal com uma largura de banda mais ampla . Essas técnicas são usadas por uma variedade de razões, incluindo o estabelecimento de comunicações seguras, aumentando a resistência à interferência natural , ruído e congestionamento , para evitar a detecção, para limitar a densidade do fluxo de energia (por exemplo, em downlinks de satélite ) e para permitir múltiplos acessar comunicações.

Telecomunicações

O espectro de dispersão geralmente faz uso de uma estrutura de sinal sequencial semelhante a ruído para espalhar o sinal de informação de banda normalmente estreita em uma banda de frequências de banda relativamente larga (rádio). O receptor correlaciona os sinais recebidos para recuperar o sinal de informação original. Originalmente, havia duas motivações: ou para resistir aos esforços do inimigo para bloquear as comunicações (anti-jam, ou AJ), ou para esconder o fato de que a comunicação estava ocorrendo, às vezes chamada de baixa probabilidade de interceptação (LPI).

Espectro de espalhamento de salto de frequência (FHSS), espectro de espalhamento de sequência direta (DSSS), espectro de espalhamento de salto de tempo (THSS), espectro de espalhamento de chirp (CSS) e combinações dessas técnicas são formas de espectro de espalhamento. As duas primeiras técnicas empregam sequências de números pseudo-aleatórios - criadas usando geradores de números pseudo - aleatórios - para determinar e controlar o padrão de propagação do sinal pela largura de banda alocada. O padrão sem fio IEEE 802.11 usa FHSS ou DSSS em sua interface de rádio.

  • Técnicas conhecidas desde a década de 1940 e usadas em sistemas de comunicação militar desde 1950 "espalham" um sinal de rádio em uma ampla faixa de freqüência, várias magnitudes acima do mínimo exigido. O princípio básico do espectro de propagação é o uso de ondas portadoras semelhantes a ruído e, como o nome indica, larguras de banda muito maiores do que as necessárias para uma comunicação ponto a ponto simples na mesma taxa de dados.
  • Resistência ao bloqueio (interferência). A sequência direta (DS) é boa em resistir a congestionamento de banda estreita em tempo contínuo, enquanto o salto de frequência (FH) é melhor em resistir a congestionamento de pulso. Em sistemas DS, o congestionamento de banda estreita afeta o desempenho da detecção tanto quanto se a quantidade de potência de congestionamento fosse espalhada por toda a largura de banda do sinal, onde frequentemente não será muito mais forte do que o ruído de fundo. Em contraste, em sistemas de banda estreita onde a largura de banda do sinal é baixa, a qualidade do sinal recebido será severamente reduzida se a potência de interferência estiver concentrada na largura de banda do sinal.
  • Resistência à escuta . A sequência de propagação (em sistemas DS) ou o padrão de salto de frequência (em sistemas FH) é frequentemente desconhecido por qualquer pessoa para quem o sinal não é intencional, caso em que obscurece o sinal e reduz a chance de um adversário entendê-lo. Além disso, para uma dada densidade espectral de potência de ruído (PSD), os sistemas de espalhamento espectral requerem a mesma quantidade de energia por bit antes de se espalharem como sistemas de banda estreita e, portanto, a mesma quantidade de potência se a taxa de bits antes de espalhar for a mesma, mas desde que o sinal a potência é espalhada por uma grande largura de banda, o sinal PSD é muito mais baixo - muitas vezes significativamente mais baixo do que o ruído PSD - de modo que o adversário pode ser incapaz de determinar se o sinal existe. No entanto, para aplicações de missão crítica, particularmente aquelas que empregam rádios comercialmente disponíveis, os rádios de espalhamento espectral não oferecem segurança adequada, a menos que, no mínimo, longas sequências de distribuição não linear sejam usadas e as mensagens criptografadas.
  • Resistência ao desbotamento . A alta largura de banda ocupada por sinais de espalhamento espectral oferece alguma diversidade de frequência; ou seja, é improvável que o sinal encontre desvanecimento multipercurso severo em toda a largura de banda. Em sistemas de sequência direta, o sinal pode ser detectado usando um receptor rake .
  • Capacidade de acesso múltiplo, conhecida como acesso múltiplo por divisão de código (CDMA) ou multiplexação por divisão de código (CDM). Vários usuários podem transmitir simultaneamente na mesma banda de frequência, desde que usem sequências de difusão diferentes.

Invenção de salto de frequência

Mais informações: espectro de dispersão de salto de frequência

A ideia de tentar proteger e evitar interferências nas transmissões de rádio remonta ao início da sinalização por ondas de rádio. Em 1899, Guglielmo Marconi experimentou a recepção seletiva de frequência na tentativa de minimizar a interferência. O conceito de salto de frequência foi adotado pela empresa de rádio alemã Telefunken e também descrito em parte de uma patente americana de 1903 de Nikola Tesla . O livro alemão Wireless Telegraphy de Jonathan Zenneck, pioneiro do rádio, em 1908, descreve o processo e observa que a Telefunken o estava usando anteriormente. Ele teve uso limitado pelos militares alemães na Primeira Guerra Mundial , foi apresentado pelo engenheiro polonês Leonard Danilewicz em 1929, apareceu em uma patente na década de 1930 por Willem Broertjes ( Patente dos EUA 1.869.659 , emitida em 2 de agosto de 1932), e em o sistema de comunicações ultrassecreto do US Army Signal Corps da Segunda Guerra Mundial , denominado SIGSALY .

Durante a Segunda Guerra Mundial, Idade de Ouro de Hollywood atriz Hedy Lamarr e avant-garde compositor George Antheil desenvolveu um sistema de orientação via rádio tocando resistente destinado ao uso em aliadas torpedos , patentear o dispositivo sob patente US 2292387 "Sistema de Comunicações Secret" em 11 de agosto, 1942. Sua abordagem era única, pois a coordenação de frequências era feita com rolos de piano para tocadores de papel - uma abordagem inovadora que nunca foi posta em prática.

Geração de sinal de relógio

Espalhe o espectro de uma fonte de alimentação de comutação moderna (período de aquecimento) incl. diagrama de cachoeira em alguns minutos. Registrado com um NF-5030 EMC-Analyzer

A geração de clock de espectro espalhado (SSCG) é usada em alguns sistemas digitais síncronos , especialmente aqueles contendo microprocessadores, para reduzir a densidade espectral da interferência eletromagnética (EMI) que esses sistemas geram. Um sistema digital síncrono é aquele que é acionado por um sinal de clock e, devido à sua natureza periódica, tem um espectro de frequência inevitavelmente estreito. Na verdade, um sinal de clock perfeito teria toda sua energia concentrada em uma única freqüência (a freqüência de clock desejada) e seus harmônicos. Sistemas digitais síncronos práticos irradiam energia eletromagnética em uma série de bandas estreitas espalhadas na frequência do relógio e seus harmônicos, resultando em um espectro de frequência que, em certas frequências, pode exceder os limites regulamentares de interferência eletromagnética (por exemplo, os da FCC nos Estados Unidos Estados Unidos, JEITA no Japão e IEC na Europa).

O clock de espalhamento espectral evita esse problema usando um dos métodos descritos anteriormente para reduzir o pico de energia irradiada e, portanto, suas emissões eletromagnéticas e, assim, cumprir os regulamentos de compatibilidade eletromagnética (EMC).

Tornou-se uma técnica popular para obter aprovação regulamentar porque requer apenas uma modificação simples do equipamento. É ainda mais popular em dispositivos eletrônicos portáteis devido às velocidades de clock mais rápidas e à crescente integração de monitores LCD de alta resolução em dispositivos cada vez menores. Como esses dispositivos são projetados para serem leves e baratos, as medidas eletrônicas passivas tradicionais para reduzir a EMI, como capacitores ou blindagem de metal, não são viáveis. Técnicas ativas de redução de EMI , como clock de espalhamento espectral, são necessárias nesses casos.

No entanto, o clocking de espalhamento espectral, como outros tipos de mudança dinâmica de frequência , também pode criar desafios para os projetistas. O principal deles é o desalinhamento de relógio / dados ou distorção do relógio . Conseqüentemente, a capacidade de desabilitar o clock de espalhamento espectral em sistemas de computador é considerada útil.

Observe que este método não reduz a energia total irradiada e, portanto, os sistemas não são necessariamente menos propensos a causar interferência. Espalhar energia em uma largura de banda maior reduz efetivamente as leituras elétricas e magnéticas em larguras de banda estreitas. Receptores de medição típicos usados ​​por laboratórios de teste EMC dividem o espectro eletromagnético em bandas de frequência de aproximadamente 120 kHz de largura. Se o sistema em teste irradiasse toda a sua energia em uma largura de banda estreita, ele registraria um grande pico. Distribuir essa mesma energia em uma largura de banda maior evita que os sistemas coloquem energia suficiente em qualquer banda estreita para exceder os limites legais. A utilidade deste método como meio de reduzir os problemas de interferência da vida real é frequentemente debatida, visto que se percebe que o clocking de espalhamento espectral oculta em vez de resolver os problemas de energia irradiada pela simples exploração de lacunas na legislação EMC ou nos procedimentos de certificação. Esta situação resulta em equipamentos eletrônicos sensíveis a larguras de banda estreitas experimentando muito menos interferência, enquanto aqueles com sensibilidade de banda larga, ou mesmo operando em outras frequências mais altas (como um receptor de rádio sintonizado em uma estação diferente), sofrerão mais interferência.

Os testes de certificação da FCC geralmente são concluídos com a função de espalhamento espectral habilitada para reduzir as emissões medidas dentro dos limites legais aceitáveis. No entanto, a funcionalidade de espalhamento espectral pode ser desabilitada pelo usuário em alguns casos. Por exemplo, na área de computadores pessoais, alguns gravadores de BIOS incluem a capacidade de desabilitar a geração de relógio de espectro espalhado como uma configuração do usuário, derrotando assim o objeto das regulamentações EMI. Isso pode ser considerado uma lacuna , mas geralmente é esquecido, desde que o espectro de propagação esteja ativado por padrão.

Veja também

Notas

Origens

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