Espectro ensanchado por salto de frecuencia - Frequency-hopping spread spectrum
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El espectro ensanchado por salto de frecuencia ( FHSS ) es un método de transmisión de señales de radio cambiando rápidamente la frecuencia portadora entre muchas frecuencias distintas que ocupan una gran banda espectral. Los cambios están controlados por un código conocido tanto por el transmisor como por el receptor . FHSS se utiliza para evitar interferencias, evitar escuchas y permitir comunicaciones de acceso múltiple por división de código (CDMA).
La banda de frecuencia disponible se divide en subbandas más pequeñas. Las señales cambian rápidamente ("saltan") sus frecuencias portadoras entre las frecuencias centrales de estas subbandas en un orden predeterminado. La interferencia a una frecuencia específica solo afectará a la señal durante un breve intervalo.
FHSS ofrece cuatro ventajas principales sobre una transmisión de frecuencia fija:
- Las señales FHSS son muy resistentes a la interferencia de banda estrecha porque la señal salta a una banda de frecuencia diferente.
- Las señales son difíciles de interceptar si no se conoce el patrón de salto de frecuencia.
- La interferencia también es difícil si se desconoce el patrón; un individuo malintencionado solo puede bloquear la señal durante un único período de salto si se desconoce la secuencia de propagación.
- Las transmisiones FHSS pueden compartir una banda de frecuencia con muchos tipos de transmisiones convencionales con una mínima interferencia mutua. Las señales FHSS añaden una interferencia mínima a las comunicaciones de banda estrecha y viceversa.
Uso militar
Las señales de espectro ensanchado son muy resistentes a la interferencia deliberada , a menos que el adversario tenga conocimiento del patrón de salto de frecuencia. Las radios militares generan el patrón de salto de frecuencia bajo el control de una Clave de Seguridad de Transmisión (TRANSEC) secreta que el remitente y el receptor comparten de antemano. Esta clave es generada por dispositivos como el equipo de seguridad de voz KY-57 . Las radios militares de los Estados Unidos que utilizan saltos de frecuencia incluyen la familia JTIDS / MIDS, el sistema de comunicaciones móvil aeronáutico HAVE QUICK y la radio SINCGARS Combat Net, Link-16 .
Uso civil
En los EE. UU., Desde que la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) modificó las reglas para permitir sistemas FHSS en la banda no regulada de 2,4 GHz, muchos dispositivos de consumo en esa banda han empleado varios modos FHSS. El eFCC CFR 47 parte 15.247 cubre las regulaciones en los EE. UU. para las bandas de 902–928 MHz, 2400–2483.5 MHz y 5725–5850 MHz, y los requisitos para el salto de frecuencia.
Algunos walkie-talkies que emplean tecnología FHSS se han desarrollado para uso sin licencia en la banda de 900 MHz. La tecnología FHSS también se utiliza en muchos transmisores y receptores de afición utilizados para modelos de coches, aviones y drones controlados por radio . Se logra un tipo de acceso múltiple que permite operar simultáneamente cientos de pares de transmisor / receptor en la misma banda, en contraste con los sistemas radiocontrolados de FM o AM anteriores que tenían canales simultáneos limitados.
Consideraciones tecnicas
El ancho de banda total requerido para el salto de frecuencia es mucho más amplio que el requerido para transmitir la misma información usando solo una frecuencia portadora . Sin embargo, debido a que la transmisión ocurre solo en una pequeña porción de este ancho de banda en un momento dado, el ancho de banda de interferencia instantánea es realmente el mismo. Si bien no proporciona protección adicional contra el ruido térmico de banda ancha , el enfoque de salto de frecuencia reduce la degradación causada por las fuentes de interferencia de banda estrecha.
Uno de los desafíos de los sistemas de salto de frecuencia es sincronizar el transmisor y el receptor. Un enfoque es tener la garantía de que el transmisor utilizará todos los canales en un período de tiempo fijo. El receptor puede entonces encontrar el transmisor seleccionando un canal aleatorio y escuchando datos válidos en ese canal. Los datos del transmisor se identifican mediante una secuencia especial de datos que es poco probable que ocurra en el segmento de datos de este canal, y el segmento también puede tener una suma de comprobación para la verificación de la integridad y la identificación adicional. El transmisor y el receptor pueden usar tablas fijas de patrones de salto de frecuencia, de modo que una vez sincronizados puedan mantener la comunicación siguiendo la tabla.
En los EE. UU., La parte 15 de la FCC sobre sistemas de espectro ensanchado sin licencia en las bandas de 902–928 MHz y 2,4 GHz permite más potencia que la permitida para los sistemas de espectro no ensanchado. Tanto los sistemas FHSS como los de espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS) pueden transmitir a 1 vatio, un aumento de mil veces desde el límite de 1 milivatio en los sistemas de espectro no ensanchado. La Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) también prescribe un número mínimo de canales de frecuencia y un tiempo máximo de permanencia para cada canal.
Múltiples inventores
En 1899, Guglielmo Marconi experimentó con la recepción selectiva en frecuencia en un intento de minimizar la interferencia.
Las primeras menciones de salto de frecuencia en la literatura abierta se encuentran en la patente estadounidense 725.605 otorgada a Nikola Tesla el 17 de marzo de 1903, y en el libro Wireless Telegraphy del pionero de la radio Jonathan Zenneck (alemán, 1908, traducción al inglés McGraw Hill, 1915), aunque Zenneck El mismo afirma que Telefunken ya lo había probado. Nikola Tesla no menciona directamente la frase "salto de frecuencia", pero ciertamente la alude. Titulada Método de señalización , la patente describe un sistema que permitiría la comunicación por radio sin ningún peligro de que las señales o mensajes sean perturbados, interceptados o interferidos de ninguna manera .
El ejército alemán hizo un uso limitado de los saltos de frecuencia para la comunicación entre puntos de mando fijos en la Primera Guerra Mundial para evitar escuchas de las fuerzas británicas, que no tenían la tecnología para seguir la secuencia. El libro Wireless Telegraphy de Jonathan Zenneck se publicó originalmente en alemán en 1908, pero también se tradujo al inglés en 1915 cuando el enemigo comenzó a usar saltos de frecuencia en la línea del frente. Zenneck era un físico e ingeniero eléctrico alemán que se interesó por la radio al asistir a las conferencias de Tesla sobre “ciencias inalámbricas”. La telegrafía inalámbrica incluye una sección sobre salto de frecuencia y, como se convirtió en un texto estándar durante muchos años, probablemente presentó la tecnología a una generación de ingenieros.
A un ingeniero e inventor polaco , Leonard Danilewicz , se le ocurrió la idea en 1929. Varias otras patentes fueron obtenidas en la década de 1930, incluida una de Willem Broertjes ( Patente de Estados Unidos 1.869.659 , expedida el 2 de agosto de 1932).
Durante la Segunda Guerra Mundial , el Cuerpo de Señales del Ejército de los EE. UU. Estaba inventando un sistema de comunicación llamado SIGSALY , que incorporaba espectro ensanchado en un contexto de frecuencia única. Sin embargo, SIGSALY era un sistema de comunicaciones de alto secreto, por lo que su existencia no se conoció hasta la década de 1980.
En 1942, la actriz Hedy Lamarr y el compositor George Antheil recibieron la patente estadounidense 2.292.387 por su "Sistema de comunicaciones secretas", una versión temprana del salto de frecuencia utilizando un redoble de piano para cambiar entre 88 frecuencias y hacer que los torpedos guiados por radio sean más difíciles de detectar o atascar para los enemigos. , fue rechazado por la Marina de los EE. UU. y luego confiscado como "propiedad extranjera" en 1942 (Lamarr era austríaco), pero archivado sin ningún registro de que se haya producido un dispositivo en funcionamiento. La idea de Lamarr y Antheil fue redescubierta en la década de 1950 durante las búsquedas de patentes cuando las empresas privadas estaban desarrollando de forma independiente el acceso múltiple por división de código de secuencia directa , una forma de espectro ensanchado sin saltos de frecuencia, y ha sido citada en numerosas ocasiones desde entonces. En 1957, los ingenieros de la División de Sistemas Electrónicos de Sylvania adoptaron el concepto patentado, combinado con el transistor recientemente inventado. En 1962, la Marina de los Estados Unidos finalmente utilizó la tecnología durante la Crisis de los Misiles en Cuba ; Desde entonces, la patente de Lamarr y Antheil había expirado.
Ray Zinn , cofundador de Micrel Corporation, desarrolló una aplicación práctica del salto de frecuencia . Zinn desarrolló un método que permite que los dispositivos de radio funcionen sin la necesidad de sincronizar un receptor con un transmisor. Utilizando los modos de barrido y salto de frecuencia, el método de Zinn se aplica principalmente en aplicaciones inalámbricas de baja velocidad de datos, como medición de servicios públicos, monitoreo y medición de máquinas y equipos, y control remoto. En 2006, Zinn recibió la patente estadounidense 6.996.399 por su "Dispositivo inalámbrico y método que utiliza modos de salto y barrido de frecuencia".
Variaciones
El espectro ensanchado por salto de frecuencia adaptable ( AFH ) como se usa en Bluetooth mejora la resistencia a la interferencia de radiofrecuencia al evitar frecuencias saturadas en la secuencia de salto. Este tipo de transmisión adaptativa es más fácil de implementar con FHSS que con DSSS .
La idea clave detrás de AFH es usar solo las frecuencias "buenas", evitando los canales de frecuencia "malos"; tal vez esos canales de frecuencia "malos" estén experimentando un desvanecimiento selectivo de frecuencia , o tal vez algún tercero esté tratando de comunicarse en esas bandas, o quizás esas bandas están siendo interceptadas activamente. Por tanto, la AFH debe complementarse con un mecanismo de detección de canales buenos / malos.
Sin embargo, si la interferencia de radiofrecuencia es en sí misma dinámica, entonces la estrategia de "eliminación de canal defectuoso" aplicada en AFH podría no funcionar bien. Por ejemplo, si hay varias redes de salto de frecuencia colocadas (como Bluetooth Piconet ), entonces se interfieren mutuamente y la estrategia de AFH no logra evitar esta interferencia.
El problema de la interferencia dinámica, la reducción gradual de los canales de salto disponibles y la retrocompatibilidad con dispositivos bluetooth heredados se resolvió en la versión 1.2 del estándar Bluetooth (2003). A menudo, esta situación puede ocurrir en escenarios que utilizan espectro sin licencia .
Además, se espera que ocurra interferencia de radiofrecuencia dinámica en los escenarios relacionados con la radio cognitiva , donde las redes y los dispositivos deben exhibir un funcionamiento de frecuencia ágil .
La modulación de chirrido puede verse como una forma de salto de frecuencia que simplemente explora las frecuencias disponibles en orden consecutivo para comunicarse.
Los saltos de frecuencia se pueden superponer a otras modulaciones o formas de onda para mejorar el rendimiento del sistema.
Ver también
- Salto de frecuencia dinámico
- Lista de múltiples descubrimientos
- Secuencia de longitud máxima
- Multiplexación por división de frecuencia ortogonal
- Barrido de radiofrecuencia
Notas
Referencias
- Władysław Kozaczuk , Enigma: How the German Machine Cipher Was Broken, and How It Was Read by the Allies in World War Two , editado y traducido por Christopher Kasparek , Frederick, MD, University Publications of America, 1984, ISBN 0-89093-547 -5 .