Espectro expandido
Extendiendo el dominio de frecuencia de una señal

Modulación de banda de paso
Modulación analógica
Modulación digital
Modulación jerárquica
Espectro expandido
Véase también
Multiplexing
Analog modulation
Related topics

En telecomunicaciones , especialmente en comunicaciones por radio , el espectro ensanchado son técnicas mediante las cuales una señal (por ejemplo, eléctrica, electromagnética o acústica) generada con un ancho de banda particular se propaga deliberadamente en el dominio de frecuencia sobre una banda de frecuencia más amplia . Las técnicas de espectro ensanchado se utilizan para establecer comunicaciones seguras, aumentar la resistencia a la interferencia natural , el ruido y el bloqueo , para evitar la detección, para limitar la densidad de flujo de potencia (por ejemplo, en enlaces descendentes por satélite ) y para permitir comunicaciones de acceso múltiple.

Telecomunicaciones

El espectro ensanchado generalmente utiliza una estructura de señal similar al ruido secuencial para esparcir la señal de información, normalmente de banda estrecha, sobre una banda de frecuencias (radio) relativamente ancha . El receptor correlaciona las señales recibidas para recuperar la señal de información original. Originalmente, había dos motivaciones: o bien resistir los esfuerzos del enemigo por interferir las comunicaciones (antiinterferencias o AJ), o bien ocultar el hecho de que la comunicación se estaba llevando a cabo, a veces llamada baja probabilidad de intercepción (LPI). [1]

El espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS), el espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS), el espectro ensanchado por salto de tiempo (THSS), el espectro ensanchado por chirrido (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 ensanchamiento de la señal a lo largo del ancho de banda asignado. El estándar inalámbrico IEEE 802.11 utiliza FHSS o DSSS en su interfaz de radio.

  • Las técnicas conocidas desde la década de 1940 y utilizadas en los sistemas de comunicación militar desde la década de 1950 "difunden" una señal de radio en un amplio rango de frecuencias varias magnitudes superiores al requisito mínimo. El principio básico del espectro ensanchado es el uso de ondas portadoras similares al ruido y, como su nombre lo indica, anchos de banda mucho mayores que los necesarios para una comunicación simple punto a punto a la misma velocidad de datos.
  • Resistencia a las interferencias. La secuencia directa (DS) es buena para resistir las interferencias de banda estrecha en tiempo continuo, mientras que el salto de frecuencia (FH) es mejor para resistir las interferencias de pulso. En los sistemas DS, las interferencias de banda estrecha afectan el rendimiento de detección casi tanto como si la cantidad de potencia de interferencia se distribuyera en 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 donde 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 clandestinas . La secuencia de propagación (en sistemas DS) o el patrón de salto de frecuencia (en sistemas FH) a menudo son desconocidos para cualquier persona a la que no se desee que llegue la señal, en cuyo caso oscurecen la señal y reducen la posibilidad de que un adversario la interprete. Además, para una densidad espectral de potencia de ruido (PSD) dada, los sistemas de espectro ensanchado 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 como la potencia de la señal se propaga en un gran ancho de banda, la PSD de la señal es mucho menor (a menudo significativamente menor que la PSD del ruido), de modo que el adversario puede ser incapaz de determinar si la señal existe o no. Sin embargo, para aplicaciones de misión crítica, en particular las que emplean radios disponibles comercialmente, las radios de espectro ensanchado no proporcionan una seguridad adecuada a menos que, como mínimo, se utilicen secuencias de propagación no lineales largas y los mensajes estén cifrados.
  • Resistencia al desvanecimiento . El gran ancho de banda ocupado por las señales de espectro ensanchado ofrece cierta diversidad de frecuencia; es decir, es poco probable que la señal experimente un desvanecimiento por trayectos múltiples severo en 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 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 tratar de proteger y evitar interferencias en transmisiones de radio se remonta al comienzo de la señalización de ondas de radio. En 1899, Guglielmo Marconi experimentó con recepción selectiva de 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 por Nikola Tesla . [3] [4] El libro alemán de 1908 del pionero de la radio Jonathan Zenneck, Wireless Telegraphy, 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 estadounidense 1.869.659 emitida el 2 de agosto de 1932), y en el sistema de comunicaciones ultrasecreto del Cuerpo de Señales del Ejército de los 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 su uso en torpedos aliados , patentando el dispositivo bajo la patente estadounidense 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. [7]

Generación de señal de reloj

Espectro ensanchado de una fuente de alimentación conmutada moderna (periodo de calentamiento) incluido diagrama de cascada durante unos minutos. Registrado con un analizador de compatibilidad electromagnética NF-5030

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 está 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.

Fondo

Los sistemas digitales síncronos prácticos irradian energía electromagnética en un número 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 superar los límites reglamentarios para la interferencia electromagnética (por ejemplo, los de la FCC en los Estados Unidos, JEITA en Japón y la IEC en Europa).

La sincronización de espectro ensanchado evita este problema al reducir la energía máxima radiada y, por lo tanto, sus emisiones electromagnéticas, cumpliendo así con las normas de compatibilidad electromagnética (CEM). 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 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 los capacitores o el blindaje metálico, no son viables. En estos casos se necesitan técnicas de reducción activa de la EMI , como la sincronización de espectro ensanchado.

Método

En los sistemas PCIe, USB 3.0 y SATA, la técnica más común es la propagación descendente, a través de la modulación de frecuencia con una fuente de frecuencia más baja. [8] La sincronización de reloj de espectro ensanchado, al igual que otros tipos de cambio de frecuencia dinámico , también puede crear desafíos para los diseñadores. El principal de ellos es la desalineación de reloj/datos, o sesgo de reloj . Un bucle de enganche de fase en el lado receptor necesita un ancho de banda lo suficientemente alto como para rastrear correctamente un reloj de espectro ensanchado. [9]

Aunque la compatibilidad con SSC es obligatoria en los receptores SATA, [10] no es raro encontrar chips expansores que tienen problemas para manejar este tipo de reloj. En consecuencia, se considera útil poder desactivar el reloj de espectro ensanchado en los sistemas informáticos. [11] [12] [13]

Efecto

Tenga en cuenta que este método no reduce la energía radiada total y, por lo tanto, los sistemas no tienen necesariamente menos probabilidades de causar interferencias. La distribución de la 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. [14] 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 cualquier banda estrecha para superar los límites legales. La utilidad de este método como un medio para reducir los problemas de interferencia de la vida real es a menudo debatida, [9] ya que se percibe que la sincronización 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 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 a otras frecuencias más altas (como un receptor de radio sintonizado en una estación diferente), experimentarán más interferencia.

Las pruebas de certificación de la FCC suelen realizarse con la función de espectro ensanchado habilitada para reducir las emisiones medidas a límites legales aceptables. Sin embargo, el usuario puede desactivar la funcionalidad de espectro ensanchado en algunos casos. Por ejemplo, en el área de las computadoras personales, algunos programadores de BIOS incluyen la capacidad de desactivar la generación de reloj de espectro ensanchado como una configuración de usuario, anulando así el objetivo de las regulaciones EMI. Esto podría considerarse una laguna , pero generalmente se pasa por alto mientras el espectro ensanchado esté habilitado de manera predeterminada.

Véase también

Notas

  1. ^ Torrieri, Don (2018). Principios de los sistemas de comunicación de espectro ensanchado, 4.ª ed .
  2. ^ ab Kahn, David (17 de enero de 2014). Cómo descubrí al mayor espía de la Segunda Guerra Mundial y otras historias de inteligencia y código. CRC Press. ISBN 9781466561991. Recuperado el 9 de noviembre de 2022 – vía Google Books.
  3. ^ Tony Rothman, Random Paths to Frequency Hopping, American Scientist, enero-febrero de 2019, volumen 107, número 1, página 46 americanscientist.org
  4. ^ Jonathan Adolf Wilhelm Zenneck, Telegrafía inalámbrica, McGraw-Hill Book Company, Incorporated, 1915, página 331
  5. ^ Denis Winter, El mando de Haig: una reevaluación
  6. ↑ Danilewicz recordó más tarde: "En 1929 propusimos al Estado Mayor un dispositivo de mi diseño para radiotelegrafía secreta que afortunadamente no fue aceptado, ya que era una idea verdaderamente bárbara que consistía en cambios constantes de frecuencia de transmisión. Sin embargo, la comisión consideró oportuno concederme 5.000 zlotys por la ejecución de 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.
  7. ^ Ari Ben-Menahem, Enciclopedia histórica de ciencias naturales y matemáticas, volumen 1, Springer Science & Business Media - 2009, páginas 4527-4530
  8. ^ "Reloj de espectro ensanchado". Microsemi .
  9. ^ ab Item Media (19 de marzo de 2013). "Generación de relojes de espectro ensanchado: teoría y debate". Tecnología de interferencias .
  10. ^ "Nota de aplicación CATC SATracer/Trainer: sincronización de espectro ensanchado" (PDF) . CATC . 2 de julio de 2003 . Consultado el 20 de mayo de 2023 .
  11. ^ Los discos duros Western Digital Raid Edition III no funcionan desde el controlador RAID (Thomas Krenn Wiki)
  12. ^ Intel Speichersystem SS4000-E: Festplatten, wie beispielsweise die Western Digital WD2500JS SATA, werden nicht erkannt. Woran liegt das? (Centro de revendedores Intel)
  13. ^ Utilidad de alternancia de SSC – Barracuda 7200.9 en Wayback Machine (archivado el 29 de abril de 2010) (Base de conocimiento de Seagate)
  14. ^ Norma nacional estadounidense para instrumentación de intensidad de campo y ruido electromagnético, de 10 Hz a 40 GHz: especificaciones, ANSI C63.2-1996, sección 8.2 Ancho de banda general

Fuentes

  • Una breve historia del espectro ensanchado
  • CDMA y espectro ensanchado Archivado el 16 de abril de 2009 en Wayback Machine.
  • Boletín informativo de Spread Spectrum Scene
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