Espectro ensanchado

En telecomunicaciones y radiocomunicaciones, las técnicas de espectro ensanchado son métodos mediante los cuales una señal (p. ej., una señal eléctrica, electromagnética o acústica) generada con un ancho de banda determinado se propaga 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 una variedad de 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 (por ejemplo, en enlaces descendentes de satélite) y para permitir múltiples acceder a las comunicaciones.

Telecomunicaciones

El espectro ensanchado generalmente hace uso de una estructura de señal similar al ruido secuencial para ensanchar la señal de información normalmente de banda estrecha en 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), u ocultar el hecho de que la comunicación estaba teniendo lugar, a veces llamada baja probabilidad de intercepción (LPI).

El espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS), el espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS), el espectro ensanchado por salto en el tiempo (THSS), el espectro ensanchado de chirp (CSS) y las combinaciones de estas técnicas son formas de espectro ensanchado. Las dos primeras de estas técnicas emplean secuencias de números pseudoaleatorios, creadas mediante 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 utiliza FHSS o DSSS en su interfaz de radio.

• Técnicas conocidas desde la década de 1940 y utilizadas en sistemas de comunicación militar desde la década de 1950 "spread" una señal de radio sobre un amplio rango de frecuencias varias magnitudes superiores al requisito mínimo. El principio fundamental del espectro de propagación es el uso de ondas de portador similares al ruido, y, como el nombre implica, anchos de banda mucho más ancho que el necesario para la comunicación simple punto a punto a la misma tasa de datos.
• Resistencia a la interferencia (interferencia). La secuencia directa (DS) es buena para resistir el atascamiento de banda angosta continuo, mientras que el acaparamiento de frecuencia (FH) es mejor para resistir el atascamiento del pulso. En los sistemas DS, la mermelada de banda estrecha afecta tanto el rendimiento de detección como si la cantidad de poder de mermelada se difundiera sobre todo el ancho de banda de señal, donde a menudo no será mucho más fuerte que el ruido de fondo. Por el contrario, en sistemas de banda angosta donde el ancho de banda de señal es bajo, la calidad de señal recibida se reducirá severamente si la potencia de interferencia se concentra en el ancho de banda de señal.
• Resistencia a escuchar. La secuencia de difusión (en los sistemas DS) o el patrón de frecuencias (en los sistemas FH) es a menudo desconocida por cualquiera para quien la señal no es intencionada, en cuyo caso oscurece la señal y reduce la posibilidad de que un adversario tenga sentido. Además, para una densidad espectral (PSD) de potencia de ruido determinada, los sistemas de espectro de propagación requieren la misma cantidad de energía por bit antes de propagarse como sistemas de banda angosta y, por lo tanto, la misma cantidad de potencia si el bitrate antes de propagarse es la misma, pero dado que la potencia de señal se extiende sobre un ancho de banda grande, la señal PSD es mucho menor, a menudo significativamente menor que el ruido PSD, para que el adversario puede ser incapaz de determinar si la señal. Sin embargo, para las aplicaciones críticas de las misiones, en particular las que emplean radios disponibles comercialmente, las radios de espectro de difusión no proporcionan seguridad adecuada a menos que se utilicen secuencias de difusión no lineales largas y se encripten los mensajes.
• Resistencia a la desaparición. El ancho de banda alto ocupado por las señales de espectro propagado ofrece una cierta diversidad de frecuencias; es decir, es poco probable que la señal se encuentre con grave desvanecimiento multipático sobre todo su ancho de banda. En sistemas de secuencia directa, la señal se puede detectar utilizando un receptor de rastrillo.
• Capacidad de acceso múltiple, conocida como acceso múltiple de código-división (CDMA) o multiplexación de código-división (CDM). Múltiples usuarios pueden transmitir simultáneamente en la misma banda de frecuencia mientras utilizan diferentes secuencias de difusión.

Invención del salto de frecuencia

La idea de tratar de proteger y evitar interferencias en las transmisiones de radio se remonta a los inicios de la señalización por ondas de radio. En 1899, Guglielmo Marconi experimentó con la recepción de frecuencia selectiva en un intento de minimizar la interferencia. El concepto de salto de frecuencia fue adoptado por la empresa de radio alemana Telefunken y también se describe en parte de una patente estadounidense de 1903 de Nikola Tesla. 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. Tuvo un uso limitado por parte del ejército alemán en la Primera Guerra Mundial, fue presentado por el ingeniero polaco Leonard Danilewicz en 1929, apareció en una patente en la década de 1930 de Willem Broertjes (Patente de EE. 2, 1932), y en el sistema de comunicaciones ultrasecreto del Cuerpo de Señales del Ejército de EE. UU. de 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 de radio resistente a interferencias para uso en torpedos aliados, patentando el dispositivo bajo U.S. Patente 2.292.387 "Sistema de comunicaciones secretas" el 11 de agosto de 1942. Su enfoque fue único en el sentido de que la coordinación de frecuencias se realizó con rollos de pianola de papel, un enfoque novedoso que nunca se puso en práctica.

Generación de señal de reloj

Difundir espectro de una fuente de alimentación de conmutación moderna (tiempo de calentamiento) incl. diagrama de cascada en unos minutos. Grabado con un NF-5030 EMC-Analyzer

La generación de reloj de espectro ensanchado (SSCG) se utiliza en algunos sistemas digitales síncronos, especialmente en aquellos que contienen microprocesadores, para reducir la densidad espectral de la interferencia electromagnética (EMI) que generan estos sistemas. Un sistema digital síncrono es aquel que es impulsado por una señal de reloj y, debido a su naturaleza periódica, tiene un espectro de frecuencias 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). Unidos, JEITA en Japón e IEC en Europa).

El reloj de espectro ensanchado evita este problema mediante el uso de 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 normas de compatibilidad electromagnética (EMC).

Se ha convertido en una técnica popular para obtener la aprobación regulatoria porque solo requiere una modificación simple del equipo. Es aún más popular en los 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 la EMI, como capacitores o blindaje metálico, no son viables. En estos casos, se necesitan técnicas activas de reducción de EMI, como el reloj de espectro ensanchado.

Sin embargo, el reloj de espectro ensanchado, al igual que otros tipos de cambios de frecuencia dinámicos, también puede crear desafíos para los diseñadores. El principal de ellos es la desalineación del reloj/datos o el sesgo del reloj. En consecuencia, se considera útil la capacidad de desactivar el reloj de espectro ensanchado en los sistemas informáticos.

Tenga en cuenta que este método no reduce la energía radiada total y, por lo tanto, no es necesariamente menos probable que los sistemas causen interferencias. La distribución de energía en un ancho de banda mayor 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. Si el sistema bajo prueba radiara toda su energía en un ancho de banda estrecho, registraría un gran pico. Distribuir esta misma energía en un ancho de banda mayor evita que los sistemas coloquen suficiente energía en cualquier banda estrecha para exceder los límites legales. A menudo se debate la utilidad de este método como un medio para reducir los problemas de interferencia de la vida real, ya que se percibe que el reloj de espectro ensanchado oculta, en lugar de resolver, los problemas de energía radiada más alta mediante la simple explotación de lagunas en la legislación de EMC o en 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 que funcionen en otras frecuencias más altas (como un receptor de radio sintonizado en una estación diferente), experimentarán más interferencias.

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, la función de espectro ensanchado puede ser deshabilitada por el usuario 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 una configuración de usuario, anulando así el objeto de las regulaciones de EMI. Esto podría considerarse una escapatoria, pero generalmente se pasa por alto siempre que el espectro ensanchado esté habilitado de forma predeterminada.