Тема: Расширение спектра скачкообразной перестройкой частоты

Идея метода расширения спектра скачкообразной перестройкой частоты (Fre­quency Hopping Spread Spectrum, FHSS) возникла во время Второй мировой войны, когда радио широко использовалось для секретных переговоров и для управления военными объектами, например торпедами. Для того чтобы радио­обмен нельзя было перехватить или подавить узкополосным шумом, было пред­ложено вести передачу с постоянной сменой несущей в пределах широкого диапазона частот. В результате мощность сигнала распределялась по всему диа­пазону, и прослушивание какой-то определенной частоты давало только неболь­шой шум. Последовательность несущих частот выбиралась псевдослучайной, из­вестной только передатчику и приемнику. Попытка подавления сигнала в каком-то узком диапазоне также не слишком ухудшала сигнал, так как подавля­лась только небольшая часть информации.

Идею этого метода иллюстрирует рисунок 8.

Период отсечки Последовательность перестройки частот: F7-F3-F4-FrF1o-F6-F2-F8-F5-F9 Рисунок 8 Расширение спектра скачкообразной перестройкой частоты

 

В течение определенного фиксированного интервала времени передача ведется на неизменной несущей частоте. На каждой несущей частоте для передачи дис­кретной информации применяются стандартные методы модуляции, такие как FSK или PSK. Для того чтобы приемник синхронизировался с передатчиком, для обозначения начала каждого периода передачи в течение некоторого времени передаются синхробиты. Так что полезная скорость этого метода кодирования оказывается меньше из-за постоянных накладных расходов на синхронизацию.

Несущая частота меняется в соответствии с номерами частотных подканалов, вырабатываемых алгоритмом псевдослучайных чисел. Псевдослучайная после­довательность зависит от некоторого параметра, который называют начальным числом. Если приемнику и передатчику известны алгоритм и значение началь­ного числа, то они меняют частоты в одинаковой последовательности, называе­мой последовательностью псевдослучайной перестройки частоты.

Рисунок 9 Соотношение между скоростью передачи данных и частотой смены подканалов

Сигнал двоичного нуля Сигнал двоичной единицы

Рисунок 10 Соотношение между скоростью передачи данных и частотой смены подканалов

Сигнал двоичного нуля Сигнал двоичной единицы

Рисунок 10 Соотношение между скоростью передачи данных и частотой смены подканалов: а — скорость передачи данных выше чиповой скорости, б — скорость передачи данных

ниже чиповой скорости

Если частота смены подканалов ниже, чем скорость передачи данных в канале, то такой режим называют медленным расширением спектра (рис. 10.13, а)\ в про­тивном случае мы имеем дело с быстрым расширением спектра (рис. 10.13, б).

Метод быстрого расширения спектра более устойчив к помехам, поскольку узко­полосная помеха, которая подавляет сигнал в определенном подканале, не при­водит к потере бита, так как его значение повторяется несколько раз в различных частотных подканалах. В этом режиме не проявляется эффект межсимвольной интерференции, потому что ко времени прихода задержанного вдоль одного из путей сигнала система успевает перейти на другую частоту.

Метод медленного расширения спектра таким свойством не обладает, но зато он проще в реализации и имеет меньшие накладные расходы.

Методы FHSS используются в беспроводных технологиях IEEE 802.11 и Blue­tooth.

В методах FHSS подход к использованию частотного диапазона не такой, как в других методах кодирования — вместо экономного расходования узкой полосы делается попытка занять весь доступный диапазон. На первый взгляд это кажется не очень эффективным — ведь в каждый момент времени в диапазоне работает только один канал. Однако последнее утверждение не всегда справедливо — коды расширенного спектра можно использовать также и для мультиплексирования нескольких каналов в широком диапазоне. В частности, методы FHSS позволяют организовать одновременную работу нескольких каналов путем выбора для каж­дого канала таких псевдослучайных последовательностей, чтобы в каждый мо­мент времени каждый канал работал на своей частоте (конечно, это можно сде­лать, только если число каналов не превышает числа частотных подканалов).