En telecomunicaciones y radiocomunicación , las técnicas de espectro ensanchado son métodos mediante los cuales una señal (por ejemplo, una señal eléctrica, electromagnética o acústica) generada con un ancho de banda particular se difunde deliberadamente en el dominio de la frecuencia , lo que da como resultado una señal con un ancho de banda más amplio . Estas técnicas se utilizan por diversas razones, incluido el establecimiento de comunicaciones seguras, el aumento de la resistencia a la interferencia natural , el ruido y las interferencias , para evitar la detección, para limitar la densidad de flujo de potencia (p. Ej., En satélites). enlaces descendentes ) y para permitir comunicaciones de acceso múltiple.
Telecomunicaciones
El espectro ensanchado generalmente hace uso de una estructura de señal secuencial similar al ruido para difundir la señal de información de banda estrecha normalmente sobre una banda de frecuencias de banda relativamente ancha (radio). El receptor correlaciona las señales recibidas para recuperar la señal de información original. Originalmente, había dos motivaciones: resistir los esfuerzos del enemigo para bloquear las comunicaciones (anti-jam o AJ), o bien ocultar el hecho de que la comunicación estaba teniendo lugar, a veces llamada baja probabilidad de interceptación (LPI). [1]
Espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS), espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS), espectro ensanchado por salto de tiempo (THSS), espectro ensanchado por chirp (CSS) y combinaciones de estas técnicas son formas de espectro ensanchado. Las dos primeras de estas técnicas emplean secuencias de números pseudoaleatorios, creadas utilizando generadores de números pseudoaleatorios, para determinar y controlar el patrón de propagación de la señal en el ancho de banda asignado. El estándar inalámbrico IEEE 802.11 usa FHSS o DSSS en su interfaz de radio.
- Las técnicas conocidas desde la década de 1940 y utilizadas en los sistemas de comunicaciones militares desde la década de 1950 "difunden" una señal de radio en un amplio rango de frecuencias varias magnitudes por encima del requisito mínimo. El principio fundamental del espectro ensanchado es el uso de ondas portadoras similares al ruido y, como su nombre lo indica, anchos de banda mucho más amplios que los requeridos para una comunicación simple punto a punto a la misma velocidad de datos.
- Resistencia al bloqueo (interferencia). La secuencia directa (DS) es buena para resistir la interferencia de banda estrecha de tiempo continuo, mientras que el salto de frecuencia (FH) es mejor para resistir la interferencia de pulso. En los sistemas DS, la interferencia de banda estrecha afecta el rendimiento de la detección tanto como si la cantidad de potencia de interferencia se distribuyera por todo el ancho de banda de la señal, donde a menudo no será mucho más fuerte que el ruido de fondo. Por el contrario, en los sistemas de banda estrecha en los que el ancho de banda de la señal es bajo, la calidad de la señal recibida se reducirá considerablemente si la potencia de interferencia se concentra en el ancho de banda de la señal.
- Resistencia a las escuchas . La secuencia de propagación (en los sistemas DS) o el patrón de salto de frecuencia (en los sistemas FH) a menudo es desconocido por cualquiera para quien la señal no es intencionada, en cuyo caso oscurece la señal y reduce la posibilidad de que un adversario le dé sentido. Además, para una densidad espectral de potencia de ruido (PSD) dada , los sistemas de espectro expandido requieren la misma cantidad de energía por bit antes de propagarse que los sistemas de banda estrecha y, por lo tanto, la misma cantidad de potencia si la tasa de bits antes de la propagación es la misma, pero dado que la señal La potencia se distribuye en un gran ancho de banda, la PSD de la señal es mucho más baja, a menudo significativamente más baja que la PSD de ruido, por lo que el adversario puede ser incapaz de determinar si la señal existe. Sin embargo, para aplicaciones de misión crítica, particularmente aquellas que emplean radios disponibles comercialmente, las radios de espectro expandido no brindan la seguridad adecuada a menos que, como mínimo, se utilicen secuencias de extensión no lineales largas y los mensajes estén encriptados.
- Resistencia a la decoloración . El gran ancho de banda que ocupan las señales de espectro ensanchado ofrece cierta diversidad de frecuencias; es decir, es poco probable que la señal encuentre un desvanecimiento por trayectos múltiples graves en todo su ancho de banda. En los sistemas de secuencia directa, la señal se puede detectar utilizando un receptor de rastrillo .
- Capacidad de acceso múltiple, conocida como acceso múltiple por división de código (CDMA) o multiplexación por división de código (CDM). Varios usuarios pueden transmitir simultáneamente en la misma banda de frecuencia siempre que utilicen diferentes secuencias de propagación.
Invención del salto de frecuencia
La idea de intentar proteger y evitar interferencias en las transmisiones de radio se remonta al inicio de la señalización por ondas de radio. En 1899, Guglielmo Marconi experimentó con la recepción selectiva en frecuencia en un intento de minimizar la interferencia. [2] El concepto de salto de frecuencia fue adoptado por la compañía de radio alemana Telefunken y también descrito en parte de una patente estadounidense de 1903 de Nikola Tesla . [3] [4] El libro alemán de 1908 Wireless Telegraphy del pionero de la radio Jonathan Zenneck describe el proceso y señala que Telefunken lo estaba usando anteriormente. [2] Vio un uso limitado por parte del ejército alemán en la Primera Guerra Mundial , [5] fue propuesto por el ingeniero polaco Leonard Danilewicz en 1929, [6] apareció en una patente en la década de 1930 por Willem Broertjes ( Patente de EE. UU . 2 de agosto de 1932) y en el sistema de comunicaciones ultrasecreto del Cuerpo de Señales del Ejército de los EE . UU . Durante la Segunda Guerra Mundial llamado SIGSALY .
Durante la Segunda Guerra Mundial, la actriz de la Edad de Oro de Hollywood Hedy Lamarr y el compositor de vanguardia George Antheil desarrollaron un sistema de guía por radio resistente a interferencias para su uso en torpedos aliados , patentando el dispositivo bajo la patente estadounidense 2.292.387 "Sistema de comunicaciones secretas" el 11 de agosto. 1942. Su enfoque fue único en el sentido de que la coordinación de frecuencias se realizó con rollos de piano de jugador de papel, un enfoque novedoso que nunca se puso en práctica. [7]
Generación de señal de reloj
La generación de reloj de espectro ensanchado (SSCG) se utiliza en algunos sistemas digitales síncronos , especialmente aquellos que contienen microprocesadores, para reducir la densidad espectral de la interferencia electromagnética (EMI) que estos sistemas generan. Un sistema digital síncrono es aquel que es impulsado por una señal de reloj y, debido a su naturaleza periódica, tiene un espectro de frecuencia inevitablemente estrecho. De hecho, una señal de reloj perfecta tendría toda su energía concentrada en una sola frecuencia (la frecuencia de reloj deseada) y sus armónicos. Los sistemas digitales síncronos prácticos irradian energía electromagnética en una serie de bandas estrechas distribuidas en la frecuencia del reloj y sus armónicos, lo que da como resultado un espectro de frecuencia que, en ciertas frecuencias, puede exceder los límites reglamentarios para la interferencia electromagnética (por ejemplo, los de la FCC en los Estados Unidos). Estados, JEITA en Japón e IEC en Europa).
El reloj de espectro ensanchado evita este problema utilizando uno de los métodos descritos anteriormente para reducir el pico de energía radiada y, por lo tanto, sus emisiones electromagnéticas y así cumplir con las regulaciones de compatibilidad electromagnética (EMC).
Se ha convertido en una técnica popular para obtener la aprobación regulatoria porque solo requiere una simple modificación del equipo. Es incluso más popular en dispositivos electrónicos portátiles debido a las velocidades de reloj más rápidas y la creciente integración de pantallas LCD de alta resolución en dispositivos cada vez más pequeños. Como estos dispositivos están diseñados para ser livianos y económicos, las medidas electrónicas pasivas tradicionales para reducir las interferencias electromagnéticas, como los condensadores o el blindaje metálico, no son viables. En estos casos, se necesitan técnicas de reducción de EMI activas , como la sincronización de espectro ensanchado.
Sin embargo, la sincronización de espectro ensanchado, al igual que otros tipos de cambio de frecuencia dinámica , también puede crear desafíos para los diseñadores. El principal de ellos es la desalineación del reloj / datos o la desviación del reloj . En consecuencia, se considera útil la posibilidad de desactivar la sincronización de espectro ensanchado en los sistemas informáticos.
Tenga en cuenta que este método no reduce la energía total radiada y, por lo tanto, no es necesariamente menos probable que los sistemas causen interferencias. La distribución de energía en un ancho de banda más grande reduce de manera efectiva las lecturas eléctricas y magnéticas dentro de anchos de banda estrechos. Los receptores de medición típicos utilizados por los laboratorios de pruebas de EMC dividen el espectro electromagnético en bandas de frecuencia de aproximadamente 120 kHz de ancho. [8] Si el sistema bajo prueba irradiara toda su energía en un ancho de banda estrecho, registraría un pico grande. La distribución de esta misma energía en un ancho de banda mayor evita que los sistemas pongan suficiente energía en una banda estrecha para exceder los límites legales. La utilidad de este método como medio para reducir los problemas de interferencia de la vida real se debate a menudo, ya que se percibe que el reloj de espectro ensanchado oculta, en lugar de resolver, problemas de energía radiada más alta mediante la simple explotación de las lagunas en la legislación EMC o los procedimientos de certificación. Esta situación da como resultado que los equipos electrónicos sensibles a anchos de banda estrechos experimenten mucha menos interferencia, mientras que aquellos con sensibilidad de banda ancha, o incluso operados en otras frecuencias más altas (como un receptor de radio sintonizado en una estación diferente), experimentarán más interferencia.
Las pruebas de certificación de la FCC a menudo se completan con la función de espectro ensanchado habilitada para reducir las emisiones medidas dentro de los límites legales aceptables. Sin embargo, el usuario puede inhabilitar la funcionalidad de espectro ensanchado en algunos casos. Como ejemplo, en el área de las computadoras personales, algunos escritores de BIOS incluyen la capacidad de deshabilitar la generación de reloj de espectro ensanchado como configuración de usuario, lo que anula el objeto de las regulaciones EMI. Esto podría considerarse una laguna jurídica , pero generalmente se pasa por alto siempre que el espectro ensanchado esté habilitado de forma predeterminada.
Ver también
- Espectro extendido de secuencia directa
- Compatibilidad electromagnética (EMC)
- Interferencia electromagnética (EMI)
- Asignación de frecuencia
- Espectro ensanchado por salto de frecuencia
- George Antheil
- TENGA RÁPIDO sistema de comunicación de voz por radio UHF militar con salto de frecuencia
- Hedy Lamarr
- Espectro abierto
- Factor de dispersión variable ortogonal (OVSF)
- Reflectometría de espectro ensanchado en el dominio del tiempo
- Espectro ensanchado por salto de tiempo
- Ultra banda ancha
Notas
- ↑ Torrieri, Don (2018). Principios de los sistemas de comunicación de espectro ensanchado, 4ª ed .
- ^ a b David Kahn, Cómo descubrí al mayor espía de la Segunda Guerra Mundial y otras historias de inteligencia y código, CRC Press - 2014, páginas 157-158
- ^ Tony Rothman, Random Paths to Frequency Hopping, American Scientist, enero-febrero de 2019 Volumen 107, Número 1, página 46 americanscientist.org
- ^ Jonathan Adolf Wilhelm Zenneck, Telegrafía inalámbrica, McGraw-Hill Book Company, Incorporated, 1915, página 331
- ^ Denis Winter, Comando de Haig: una reevaluación
- ↑ Danilewicz recordó más tarde: "En 1929 propusimos al Estado Mayor un dispositivo de mi diseño para la radiotelegrafía secreta que, afortunadamente, no ganó aceptación, ya que era una idea verdaderamente bárbara que consistía en constantes cambios de frecuencia del transmisor. Sin embargo, la comisión sí , considere oportuno concederme 5.000 złotych por ejecutar un modelo y como estímulo para seguir trabajando ". Citado en Władysław Kozaczuk , Enigma: How the German Machine Cipher Was Broken, and How It Was Read by the Allies in World War II , 1984, p. 27.
- ^ Ari Ben-Menahem, Enciclopedia histórica de ciencias naturales y matemáticas, Volumen 1, Springer Science & Business Media - 2009, páginas 4527-4530
- ^ Norma nacional estadounidense para instrumentación de intensidad de campo y ruido electromagnético, 10 Hz a 40 GHz: especificaciones, ANSI C63.2-1996, sección 8.2 Ancho de banda general
Fuentes
- Este artículo incorpora material de dominio público del documento de la Administración de Servicios Generales : "Norma Federal 1037C" .(en apoyo de MIL-STD-188 )
- Manual de normas y procedimientos de la NTIA para la gestión federal de radiofrecuencias
- Glosario de seguridad de los sistemas de información nacionales
- Historia en espectro ensanchado, como se indica en "Smart Mobs, The Next Social Revolution", Howard Rheingold , ISBN 0-7382-0608-3
- 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 .
- Andrew S. Tanenbaum y David J. Wetherall, Computer Networks , Quinta edición.
enlaces externos
- Una breve historia del espectro ensanchado
- CDMA y espectro ensanchado
- Boletín informativo de Spread Spectrum Scene