Espectro ensanchado por salto de frecuencia

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 ilegales 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 afectará la señal solo durante un breve intervalo.

FHSS ofrece cuatro ventajas principales sobre una transmisión de frecuencia fija:

1. Las señales FHSS son altamente resistentes a la interferencia de banda angosta porque la señal se desplaza a una banda de frecuencia diferente.
2. Las señales son difíciles de interceptar si no se conoce el patrón de frecuencias.
3. El jamming también es difícil si el patrón es desconocido; la señal se puede atascar sólo por un solo período de acaparamiento si la secuencia de propagación es desconocida.
4. Las transmisiones FHSS pueden compartir una banda de frecuencia con muchos tipos de transmisiones convencionales con mínima interferencia mutua. Las señales FHSS añaden mínima interferencia a las comunicaciones de banda angosta y viceversa.

Uso

Militar

Las señales de espectro ensanchado son altamente 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 secreta (TRANSEC) que el emisor y el receptor comparten por adelantado. 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 aeronáutica HAVE QUICK y SINCGARS Combat Net Radio, Link-16.

Civil

En EE. UU., desde que la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) modificó las reglas para permitir los sistemas FHSS en la banda no regulada de 2,4 GHz, muchos dispositivos de consumo en esa banda han empleado varios modos FHSS. 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 usa en muchos transmisores y receptores de pasatiempos que se usan para modelos de automóviles, aviones y drones controlados por radio. Se logra un tipo de acceso múltiple que permite operar cientos de pares de transmisores/receptores simultáneamente en la misma banda, a diferencia de los sistemas controlados por radio FM o AM anteriores que tenían canales simultáneos limitados.

Consideraciones técnicas

El ancho de banda general requerido para el salto de frecuencia es mucho más amplio que el requerido para transmitir la misma información usando solo una frecuencia portadora. Pero 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 brinda 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. Luego, el receptor puede encontrar el transmisor eligiendo 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 verificación para verificar la integridad y una mayor identificación. 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 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 sin espectro ensanchado. Tanto los sistemas FHSS como los de espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS) pueden transmitir a 1 vatio, un aumento mil veces superior al límite de 1 milivatio de los sistemas sin espectro ensanchado. La FCC también prescribe un número mínimo de canales de frecuencia y un tiempo de permanencia máximo para cada canal.

Múltiples inventoras

(feminine)

En 1899, Guglielmo Marconi experimentó con la recepción de frecuencia selectiva en un intento de minimizar la interferencia.

Las primeras menciones del 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 Telegrafía inalámbrica del pionero de la radio Jonathan Zenneck (en alemán)., 1908, traducción al inglés McGraw Hill, 1915), aunque Zenneck escribe que Telefunken ya lo había probado. Nikola Tesla no menciona la frase "salto de frecuencia" directamente, pero ciertamente alude a ello. Titulado Método de señalización, la patente describe un sistema que permitiría la comunicación por radio sin ningún peligro de que las señales o los mensajes sean perturbados, interceptados o interferidos de alguna manera.

El ejército alemán hizo un uso limitado del salto de frecuencia para la comunicación entre puntos de mando fijos en la Primera Guerra Mundial para evitar las escuchas de las fuerzas británicas, que no tenían la tecnología para seguir la secuencia. El libro Telegrafía inalámbrica de Jonathan Zenneck se publicó originalmente en alemán en 1908, pero 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 había interesado por la radio al asistir a las conferencias de Tesla sobre "ciencias inalámbricas". Telegrafía inalámbrica incluye una sección sobre saltos de frecuencia y, como se convirtió en un texto estándar durante muchos años, probablemente introdujo la tecnología a una generación de ingenieros.

A un ingeniero e inventor polaco, Leonard Danilewicz, se le ocurrió la idea en 1929. En la década de 1930 se obtuvieron varias otras patentes, incluida una de Willem Broertjes (Patente de EE. UU. 1.869.659, emitida el 1 de agosto). 2, 1932).

Durante la Segunda Guerra Mundial, el Cuerpo de Señales del Ejército de EE. UU. estaba inventando un sistema de comunicación llamado SIGSALY, que incorporaba espectro ensanchado en un contexto de frecuencia única. Pero 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 U.S. Patente 2 292 387 para su "Sistema de comunicaciones secretas", una versión temprana del salto de frecuencia que usa un piano-roll para cambiar entre 88 frecuencias y hacer que los torpedos guiados por radio sean más difíciles de detectar o bloquear para los enemigos. La Marina de los EE. UU. rechazó la idea y luego la incautó como "propiedad extranjera" en 1942 (Lamarr era austriaco) pero lo archivó sin ningún registro de que se produjera un dispositivo en funcionamiento. La idea de Lamarr y Antheil se redescubrió en la década de 1950 durante la búsqueda de patentes cuando empresas privadas desarrollaban de forma independiente acceso múltiple por división de código de secuencia directa, una forma de espectro ensanchado sin saltos de frecuencia, y ha sido citada numerosas veces 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 EE. UU. finalmente utilizó la tecnología durante la crisis de los misiles en Cuba; 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 necesidad de sincronizar un receptor con un transmisor. Mediante el uso de 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 U.S. Patente 6,996,399 para su "Dispositivo y método inalámbrico que utiliza modos de barrido y salto de frecuencia."

Variaciones

El espectro ensanchado por salto de frecuencia adaptativo (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 los elementos "buenos" frecuencias y evitar las "malas" los que experimentan desvanecimiento selectivo de frecuencia, aquellos en los que un tercero está tratando de comunicarse o aquellos que están siendo bloqueados activamente. Por lo tanto, AFH debe complementarse con un mecanismo para detectar canales buenos y malos.

Pero si la interferencia de radiofrecuencia es en sí misma dinámica, entonces la estrategia de AFH de "eliminación de canales defectuosos" puede que no funcione bien. Por ejemplo, si hay varias redes de salto de frecuencia colocadas (como Bluetooth Piconet), 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 compatibilidad con versiones anteriores de dispositivos Bluetooth heredados se resolvió en la versión 1.2 del estándar Bluetooth (2003). Tal situación puede ocurrir a menudo en los escenarios que utilizan espectro sin licencia.

Además, se espera que ocurra una interferencia de radiofrecuencia dinámica en los escenarios relacionados con la radio cognitiva, donde las redes y los dispositivos deben exhibir una operación de frecuencia ágil.

La modulación chirp puede verse como una forma de salto de frecuencia que simplemente escanea 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.