Hajusspekter

Raadiolaine (Signaali, AM-i ning FM-i laine)

Telekommunikatsiooni valdkonnas, eriti raadiosides, on hajusspektri tehnoloogiad olulised vahendid signaali töötlemisel ja edastamisel. Hajusspekter võimaldab signaali kavatsetud hajutamist üle laiema sagedusriba kui algse signaali sagedusriba, tagades seeläbi mitmeid eeliseid ja rakendusi. Lisaks signaali laiemale hajutamisele võimaldavad hajusspektri tehnikad turvalise side loomist, suurendavad vastupanuvõimet looduslikele häiretele, mürale ja segamistele ning aitavad ennetada signaali avastamist. Samuti on need kasulikud võimsusvoogude tiheduse piiramisel ning võimaldavad mitme juurdepääsuga side. Kõik need rakendused muudavad hajusspektri tehnikad oluliseks osaks tänapäevastest telekommunikatsioonisüsteemidest, et oleks võimalik tagada nii turvaline, usaldusväärne kui ka tõhus side.

Telekommunikatsioon

Hajusspektrite kasutamine telekommunikatsioonis põhineb tavaliselt järjestikusel mürataolisel signaalstruktuuril, kus teabesignaal, mis on tavaliselt kitsasriba, hajutatakse suhteliselt laiale sagedusribale, eriti raadiosagedustel. Signaali vastuvõtjal on võime korreleerida vastuvõetud signaale, et taastada algne teabesignaal, mis võimaldab edukat sideühendust. Hajusspektri tehnoloogia arendamisel ja kasutamisel oli algselt kaks peamist eesmärki: vastupanu vaenlase pingutustele side segamisel, mis on tuntud ka kui vastussegamine, ning võime varjata side toimumist, mida mõnikord nimetatakse väikseks tabamise tõenäosuseks. Need algseadistused on aidanud kaasa hajusspektreid kasutavatele süsteemidele, et tagada usaldusväärne ja turvaline side ka keerulistes olukordades.

Sagedushüppega hajusspekter (FHSS), otsejärjestusega hajusspekter (DSSS), ajahüppega hajusspekter (THSS), kiirendusega hajusspekter (CSS) ning nende tehnikate kombineerimine moodustavad laia valiku hajusspektri rakendusi. Esimesed kaks mainitud tehnikat tuginevad näivjuhuslike numbri generaatorite kasutamisele, mis loovad signaali hajutamismustri, mis on määratud kindlale sagedusalale. Neid meetodeid võib leida laialdaselt traadita side standardites, nagu IEEE 802.11, kus kasutatakse kas FHSS-i või DSSS-i raadioliideste rakendustes. Hajusspektri erinevate vormide ja nende kombineerimise abil on võimalik luua mitmekesiseid ja paindlikke sidevõimalusi erinevatele kasutusjuhtudele ja keskkondadele.

Teise maailmasõja aegne saksa kaasaskantav raadio

• Alates 1940. aastatest tuntud ja alates 1950. aastatest sõjaväe sidesüsteemides kasutusel olnud hajusspektri tehnikad on aidanud laiendada raadiosignaali sagedusvahemikku mitu suurusjärku üle minimaalse nõude. Hajusspektri põhialus seisneb müra-sarnaste kandelsageduste rakendamises, võimaldades sagedusribadel ulatuda märkimisväärselt laiematele aladele kui lihtne punktist-punkti suhtlus samal andmeedastuskiirusel. See lähenemine võimaldab parandada side vastupidavust häiretele ja võimaldab efektiivsemat suhtlust erinevate platvormide vahel.
• Vastupanu segamisele on oluline aspekt erinevate hajusspektri süsteemide puhul. Otsejärjestuse (DS) süsteemid näitavad head vastupidavust pidevale kitsasriba segamisele, samal ajal kui sagedushüppe (FH) süsteemid on paremad impulsssegamisele vastupidavuse osas. DS süsteemides mõjutab kitsasriba segamine tuvastustulemusi ligikaudu samaväärselt, nagu oleks segamisvõimsus jaotunud kogu signaalisagedusriba ulatuses, kus see ei ole sageli oluliselt tugevam kui taustamüra. Seevastu kitsasriba süsteemides, kus signaalisagedusriba on madal, väheneb vastuvõetud signaali kvaliteet märkimisväärselt, kui segamisvõimsus peaks olema kontsentreeritud signaalisagedusribale. Seega on oluline valida sobiv hajusspektri süsteem vastavalt konkreetsetele keskkonnatingimustele ja vajadustele, et tagada optimaalne sidekvaliteet.
• Vastupanu pealtkuulamisele: Hajutusjada (DS-süsteemides) või sagedushüppe (FH-süsteemides) muster on sageli teadmata nendele, kelle jaoks signaal ei ole mõeldud, mistõttu varjab see signaali ja vähendab vaenlase võimalust sellest aru saada. Lisaks nõuavad hajusspektri süsteemid sama palju energiat biti kohta enne hajutamist kui kitsasribalised süsteemid ning seetõttu sama palju võimsust, kui bitikiirus enne hajutamist on sama, kuid kuna signaali võimsus on jaotatud üle suure sagedusriba, on signaali võimsusspektraaltihedus palju madalam - sageli oluliselt madalam kui müra võimsusspektraaltihedus - nii et vaenlane ei pruugi üldse suuta kindlaks teha, kas signaal on olemas. Siiski ei paku hajusspektrooniga raadiod piisavat turvalisust missioonikriitiliste rakenduste korral, eriti neil, kus kasutatakse kommertskasutuses olevaid raadioid.
• Vastupanu hääbumisele: Hajusspektri signaalide poolt hõivatud lai sagedusriba pakub teatavat sageduslikku mitmekesisust; st. on ebatõenäoline, et signaal puutub kokku tugeva mitmesuunalise hääbumisega kogu oma sagedusriba ulatuses. Otsejärjestuse süsteemides saab signaali avastada rake-vastuvõtja abil.
• Mitme juurdepääsu võimekus, tuntud kui koodjaotusega hulgipöördus (CDM). Mitu kasutajat saavad samaaegselt edastada samas sagedusribas seni, kuni nad kasutavad erinevaid hajutusjadasid.

Sagedushüppe leiutamine

Raadiosignaalide kaitse ja häirete vältimise idee ulatub tagasi raadiolainete märguandmise algusaegadesse. Aastal 1899 katsetas Guglielmo Marconi sageduselektiivset vastuvõttu, et vähendada häireid. Sagedushüppe kontseptsioon võeti kasutusele Saksa raadioettevõtte Telefunkeni poolt ning kirjeldati osaliselt ka Nikola Tesla 1903. aasta USA patendis. Raadio pioneer Jonathan Zennecki 1908. aasta saksa raamatus "Wireless telegraphy" kirjeldab protsessi ja märgib, et Telefunken kasutas seda varem. See nägi piiratud kasutust Saksa sõjaväes Esimese maailmasõja ajal, seda propageeris Poola insener Leonard Danilewicz 1929. aastal, ilmus patendis 1930. aastatel Willem Broertjesi (USA patendinumber 1,869,659, välja antud 2. augustil 1932) ning USA salajases Armeekorpuse Sidekorpus World War II side süsteemis nimega SIGSALY.

Teise maailmasõja ajal töötasid Hollywoodi kuldajastu näitleja Hedy Lamarr ja avangardistlik helilooja George Antheil välja mõeldud häiretele kindla raadiosuunamissüsteemi liitlaste torpeedode jaoks, patenteerides seadme USA patendis 2,292,387 "Secret communication system" 11. augustil 1942. Nende lähenemine oli unikaalne, sest sageduste kooskõlastamist tehti paberist mängupiano rullidega, mida kunagi varem ei oldud praktikas rakendatud.

Hajusspekter infoajastul

Kuni aastani 1999 oli Qualcomm San Diegos asuv ettevõte, millest vähesed olid kuulnud. Ometi tõusid selle aktsiad tol aastal tohutult, muutes selle aktsiaturgude liidriks. Qualcommi edu saladus seisnes nende keskendumises tehnoloogiale, erinevalt konkurentidest, kes kuulasid rohkem kliente ja eksperte. Mobiilsidepakkujad olid uute tehnoloogiavõimaluste suhtes kõhklevad ning eelistasid vanu süsteeme nagu TDMA ja FDMA. Siiski näitasid uuringud, et CDMA süsteemid suudavad oluliselt suuremat võimsust pakkuda, mis viis CDMA laialdasele kasutuselevõtule. CDMA leidis kasutust ka GPS-süsteemis ja traadita lokaalvõrkudes (WLAN). IEEE 802.11 standardid, mis võimaldavad DSSS-i või FHSS-i, said kiiresti populaarseks, toetades kõrgeid bitikiirusi. Tänapäeval leidub WLAN-e paljudes kohtades, alustades ülikoolilinnakutest ja lõpetades tööstuskeskkondadega, võimaldades kiiret juurdepääsu infole.

FHSS

Sagedushüppega hajusspekter

• Kaitsejõud: Hajusspektrisignaalid on äärmiselt vastupidavad tahtlikule segamisele, kui vastaspool ei tea sagedushüppe mustrit. Sõjaväe raadiod genereerivad sagedushüppe mustrit salajase edastusturbevõtmega (TRANSEC), mida saatja ja vastuvõtja eelnevalt jagavad. Selle võtme genereerivad seadmed nagu KY-57 kõnesalvestusseade. Sagedushüpet kasutavad USA sõjaväe raadiosüsteemid hõlmavad JTIDS/MIDS perekonda, HAVE QUICK lennuohutussüsteemi, SINCGARS lahinguvõrgu raadiot ja Link-16.
• Erasektor: Ameerika Ühendriikides, pärast seda, kui Federal Communications Commission (FCC) muutis eeskirju, et lubada sagedushüpetega süsteeme reguleerimata 2,4 GHz sagedusribal, on paljud tarbijaseadmed selles sagedusribas kasutanud mitmesuguseid sagedushüppe režiime. eFCC CFR 47 osa 15.247 katab Ameerika Ühendriikides reeglid 902–928 MHz, 2400–2483,5 MHz ja 5725–5850 MHz sagedusribadele ning nõuded sagedushüppele. Mõned jalutuskaugusel kasutatavad raadiosaatjad, mis kasutavad sagedushüpete tehnoloogiat, on välja töötatud litsentsivabaks kasutamiseks 900 MHz sagedusribal. Sagedushüpete tehnoloogiat kasutatakse ka paljudes harrastussaatjates ja vastuvõtjates, mida kasutatakse raadioteel juhitavate mudelautode, lennukite ja droonide jaoks. Selle tulemusena saavutatakse mitme juurdepääsu tüüp, mis võimaldab sadadel saatja/vastuvõtja paari samaaegselt töötada samal sagedusribal, erinevalt varasematest FM- või AM-raadioteel juhitavatest süsteemidest, millel oli piiratud samaaegseid kanaleid.

otsejärjestusega hajusspekter

DSSS

• Kaitsejõud: Sõjaväeorganisatsioonid kasutavad DSSS-tehnoloogiat turvaliseks suhtluseks, eriti olukordades, kus andmete konfidentsiaalsus ja segamisele vastupidavus on esmatähtsad. Signaali laialibandilise levitamisega muudab DSSS vaenlaste jaoks suhtluse pealtkuulamise või segamise keerulisemaks. DSSS-tehnoloogiat kasutatakse ka sõjalistes navigatsiooni ja asukoha määramise süsteemides, näiteks krüpteeritud GPS-vastuvõtjates, mida kasutavad relvajõud täpse asukoha jälgimiseks ja navigeerimiseks erinevates maastiku- ja ilmastikutingimustes.
• Erasektor: DSSS on levinud modulatsioonitehnika, mida kasutatakse traadita LAN-ides andmete edastamiseks lühikestel vahemaadel. See võimaldab mitmel kasutajal võrku samaaegselt juurde pääseda, vähendades segamist, mis sobib rakendusteks kodudes, büroodes, avalikes kohtades ja haridusasutustes. DSSS-tehnoloogia on integreeritud mitmesugustesse tarbija elektroonikaseadmetesse, nagu juhtmeta telefonid, juhtmevabad kõrvaklapid ja koduautomaatikasüsteemid. Need seadmed kasutavad DSSS-i vastupidavust segamisele ja võimekust toetada mitut kasutajat. Mõned Bluetoothi tehnoloogia versioonid kasutavad DSSS-modulatsiooni seadmete vaheliseks juhtmevabaks suhtluseks, võimaldades andmete vahetust lühikestel vahemaadel. Bluetoothi võimalustega seadmed, nagu nutitelefonid, tahvelarvutid ja kantavad seadmed, kasutavad DSSS-i ühenduste loomiseks failide jagamise, heli voogesituse ja perifeerse seadme juhtimise ülesannete jaoks.

THSS

• Kaitsejõud: THSS on integreeritud sõjaväe raadiote ja sideseadmetesse segamisevastaste meetmete osana. Kiiresti muutuvate edastusaegade abil vastavalt ettemääratud hüppeseeriale suudavad THSS süsteemid tõhusalt tõrjuda vaenlase tahtlikke segamiskatseid, tagades usaldusväärse side vaenulikes keskkondades. Sõjaväeasutused kasutavad THSS-tehnoloogiat signaaliteabe eesmärkidel, sealhulgas vaenlase side jälgimiseks, vaenlase signaalide pealtkuulamiseks ja potentsiaalsete ohtude luure kogumiseks. THSS võimaldab varjatud sidepidamist ja pealtkuulamisoperatsioone, aidates kaasa sõjalisele situatsiooniteadlikkusele ja strateegiliste otsuste tegemisele.
• Erasektor: THSS-i rakendatakse tsiviilsektori traadita sensorvõrkudes mitmesugustel eesmärkidel, sealhulgas keskkonna jälgimine, tööstusautomaatika ja nutikas infrastruktuur. Ajahüpete tegemine võimaldab mitmel andurisõlmel suhelda traadita, vähendades segusignaale ja optimeerides spektri kasutamist. Meditsiinivaldkonnas kasutatakse THSS-tehnoloogiat traadita sidepidamiseks meditsiiniliste implantaatide ja välisseiresüsteemide või juhtimissüsteemide vahel. Ajavahemike vahel hüppamine tagab usaldusväärse ja segamiskindla suhtluse, mis on oluline patsiendi tervise reaalajas jälgimiseks ja meditsiiniliste teraapiate rakendamiseks.

Kiirendusega hajusspekter

CSS

• Kaitsejõud: CSS tehnoloogia pakub vastupanuvõimet tahtlikele segamiskatsetele sõjalistes keskkondades. Chirp modulatsioonitehnika võimaldab signaalil segamisele vastu panna, levitades selle laiemale sagedusspektrile, tehes vaenlasele side tõhusa häirimise keeruliseks. CSS-i kasutatakse sõjalistes radarisüsteemides sihtmärkide avastamiseks, jälgimiseks ja jälgimiseks. Chirp modulatsioon võimaldab radarisüsteemidel saavutada kõrget eraldusvõimet ja tundlikkust, suurendades situatsiooniteadlikkust ja ohu avastamise võimekust lahinguväljal.
• Erasektor: Chirp spread spectrum tehnoloogiat kasutatakse tsiviilisikute IoT seadmetes ja võrkudes traadita sides. See võimaldab usaldusväärset ja häirekindlat suhtlust IoT seadmete, sensorite ja toimepanijate vahel, hõlbustades mitmesuguseid IoT rakendusi nagu nutikodu automatiseerimine, tööstuslik jälgimine ja keskkonna jälgimine.

Taktsignaali genereerimine

Taktsignaal

Hajusspektri taktsignaali genereerimine (SSCG) on kasutusel paljudes sünkroonsetes digitaalsetes süsteemides, eriti neis, mis sisaldavad mikroprotsessoreid, et vähendada nende süsteemide tekitatud elektromagnetilise interferentsi (EMI) spektraaltihedust. Sünkroonne digitaalne süsteem on selline, mida juhib taktsignaal ja kuna see on perioodiline, omab see paratamatult kitsast sagedusspektrit. Tegelikult oleks täiuslikul taktsignaalil kogu oma energia koondunud ühele sagedusele (soovitud taktsagedusele) ja selle harmoonikutele.

Taust

Praktilised sünkroonsed digitaalsed süsteemid kiirgavad elektromagnetilist energiat mitmel kitsal sagedusribal, mis on hajutatud taktsagedusele ja selle harmoonikutele, mis võib teatud sagedustel ületada elektromagnetilise interferentsi (nt FCC-s Ameerika Ühendriikides, JEITA-s Jaapanis ja IEC-s Euroopas) reguleerivaid piiranguid.

Hajusspektri taktsageduse abil saab vältida seda probleemi, vähendades kiiratava energia tippväärtust ja seega ka elektromagnetilist kiirgust, ning vastama elektromagnetilise ühilduvuse (EMC) eeskirjadele. See on muutunud populaarseks tehnikaks reguleerivate lubade saamiseks, kuna see nõuab ainult lihtsaid seadmete muudatusi. See on veelgi populaarsem kaasaskantavates elektroonikaseadmetes tänu kiirematele taktsagedustele ja kõrglahutusega LCD-ekraanide üha suuremale integreerimisele järjest väiksematesse seadmetesse. Kuna need seadmed on mõeldud olema kerged ja odavad, ei ole traditsioonilised passiivsed, elektroonilised meetmed EMI vähendamiseks, nagu kondensaatorid või metallvarjud, elujõulised. Aktiivseid EMI vähendamise tehnikaid, nagu hajusspektri takti sünkroonimine, on nendel juhtudel vaja.

kuue ja kaheksa kontaktine PCI-e

Meetod

PCIe, USB 3.0 ja SATA süsteemides on kõige levinumaks tehnikaks allhajutamine, sagedusmodulatsioon madalama sagedusega allikaga. Hajusspektri taktsignaaliga sünkroonimine, nagu ka teised dünaamilise sageduse muutmise liigid, võib tekitada väljakutseid disaineritele. Peamine neist on taktsignaalide/sisendandmete mittesobivus või taktsignaalide nihkevus. Vastuvõtva poole faasijuhtimisega silmus vajab piisavalt suurt ribalaiust, et korrektselt jälgida hajusspektri taktsignaali.

Kuigi SATA vastuvõtjatel on SSC ühilduvus kohustuslik, ei ole harvad juhud, kus laienduskiibidel on probleeme sellise taktsignaali käsitlemisega. Seetõttu peetakse võimalust hajusspektri taktsignaali väljalülitamiseks arvutisüsteemides kasulikuks.

Efekt

Tuleb märkida, et see meetod ei vähenda kogu kiiritatud energiat ja seega ei pruugi süsteemid tingimata põhjustada vähem häireid. Energia hajutamine suurema sagedusriba ulatuses vähendab tõhusalt elektrilisi ja magnetilisi lugemisi kitsastes sagedusribades. EMC testimislaborite poolt kasutatavad tüüpilised mõõtvas vastuvõtjasüsteemid jagavad elektromagnetilise spektri umbes 120 kHz laiusteks sagedusribadeks. Kui testimise all olev süsteem kiirgaks kogu oma energia kitsas sagedusribas, registreeriks see suure tipu. Selle sama energia jaotamine laiemasse sagedusribasse takistab süsteeme panemast piisavalt energiat ühte kitsasse sagedusribasse, et ületada seaduslikke piiranguid. Selle meetodi kasulikkust reaalsete häireprobleemide vähendamise vahendina arutatakse sageli, kuna hajusspektri sünkroonimine varjab pigem kui lahendab kõrgema kiiritatud energia küsimusi, kasutades lihtsalt EMC seadusandluse või sertifitseerimisprotseduuride lünki. See olukord tähendab, et kitsas sagedusriba(de) suhtes tundlikud elektroonikaseadmed kogevad palju vähem häireid, samas kui lairiba tundlikkusega või isegi teistes kõrgemates sagedustes töötavad seadmed (nagu raadiovastuvõtja, mis on häälestatud teisele sagedusele), kogevad rohkem häireid.

FCC sertifitseerimistestid viiakse sageli läbi hajusspektri funktsiooni sisselülitatult, et vähendada mõõdetud emissioone vastuvõetavate seaduslike piirideni. Siiski võib mõnel juhul kasutaja hajusspektri funktsionaalsuse välja lülitada. Näiteks personaalarvutite valdkonnas võivad mõned BIOS-i kirjutajad lisada võimaluse hajusspektri takti generaatori väljalülitamiseks kasutaja seadistusena, mis rikub seega EMI määruste eesmärki. Seda võidakse pidada seaduselüngaks, kuid tavaliselt jäetakse see tähelepanuta, kui hajusspekter on vaikimisi sisse lülitatud.

Kirjandus

• David R. Hughes ja Dewayne Hendricks "Spread-Spectrum Radio", Scientific American, 1998, lk 94.
• R. Malik, "Spread Spectrum − Secret Military Technology to 3G", Nanyang Technological University.
• Tee,Lai-King, "Time-hopping spread spectrum system", University of Southern California ProQuest Dissertations Publishing, 1995.
• Tarak Arbi, Benoit Geller, Pierre Oudomsack, "Direct-Sequence Spread Spectrum with Signal Space Diversity for High Resistance to Jamming", MILCOM 2021 : IEEE Military Communications Conference, 2021.