Методы расширения спектра

Проектировщиков систем связи обычно интересует, насколько эффективно они используют энергию сигнала и занимаемую им полосу частот — в большинстве случаев это ключевые вопросы. Однако иногда возникают требования к устойчивости к внешним помехам, работе при низкой спектральной плотности мощности, поддержке многопользовательского доступа без внешнего согласования и обеспечению защищённости канала от несанкционированного прослушивания. Для этого нередко приходится жертвовать частью эффективности использования спектра. Именно методы модуляции с расширением спектра позволяют достичь этих целей.

Теоретические основы применения расширения спектра в условиях сильных помех были известны уже около сорока лет назад, но их практическая реализация стала возможна лишь недавно. Изначально методы расширения спектра разрабатывались для военных целей и были чрезвычайно дорогими. Только развитие технологий, таких как сверхкрупномасштабная интеграция (англ. very large-scale integration, VLSI), и совершенствование алгоритмов цифровой обработки сигналов сделали возможным создание относительно недорогого оборудования для гражданских нужд. Современные применения этой технологии охватывают мобильную телефонию, беспроводную передачу данных и спутниковую связь.

Технологии расширения спектра получили развитие вследствие военных потребностей — в частности, во Второй мировой войне (1939—1945) вопросы перехвата сигналов и противодействия радарным системам были особенно актуальны. В этот период и союзники, и страны Оси экспериментировали с простейшими системами расширения спектра.

Первая публичная патентная заявка на систему с использованием расширения спектра относится к военному времени — 11 августа 1942 года; её авторами были голливудская актриса Хеди Ламарр (англ. Hedy Lamarr) и пианист Джордж Антейл (англ. George Antheil).

Знакомая с военными проблемами передачи данных, Ламарр предложила систему радиоуправляемого наведения торпед, часть которой заключалась в постоянном изменении частоты (по аналогии с игрой на пианино), чтобы избежать помех и сделать перехват невозможным, что стало известным как метод скачкообразного изменения частоты. После длительной работы над проектом, с поддержкой американского правительства, был получен патент (с подписью Ламарр под фамилией по браку — Хеди Кизлер Марки).

Однако механизм оказался недостаточно пригодным для военного флота из-за уязвимости к помехам, и проект был свёрнут. Лишь в 1957 году инженеры Silvania Electronics Systems Division использовали транзисторы для реализации идеи Ламарр, а в 1962 году правительство США официально внедрило эти методы в военной связи (уже после окончания срока действия патента). Хеди Ламарр не получила финансовой выгоды от своего изобретения.

Сегодня методы расширения спектра широко применяются как в гражданских, так и в военных системах передачи речи и данных; число патентов, связанных с этой областью, продолжает расти.

Методы «рассеяния спектра» традиционно были характерны для военного применения из-за высоких затрат; только с начала 1990-х годов начинается постепенное проникновение их в гражданский сектор. С распространением локальных вычислительных сетей (ЛВС) появляются и радиоинтерфейсы — беспроводные LAN (RLAN).

Пример: диапазон FM-вещания составляет 88-108 МГц. Если ширина полосы передатчика 1 МГц, в диапазоне помещаются 20 станций; если 200 кГц — до 100 станций. Снижение полосы ниже 200 кГц уменьшает качество передачи. Этот принцип справедлив и для других диапазонов (AM, радиолюбительские, полицейские и пр.). Узкополосное приёмное оборудование нацелено на минимально возможную ширину полосы для передачи заданной информации.

В системах расширения спектра используется наоборот: полосы сознательно делают намного шире, чем формально необходимо. Для этого используют один из двух основных подходов: кодируют информацию при помощи псевдослучайной последовательности (метод прямой последовательности) либо кодируют рабочую частоту с помощью псевдослучайного сигнала, постоянно меняя её (метод скачкообразного изменения частоты). Простому приёмнику с узкой полосой такие сигналы кажутся шумом. Для выделения полезной информации требуются специальные широкополосные приёмники с декодированием псевдослучайной последовательности.

Военное применение объясняется трудностью перехвата и эффективности защиты от помех. Кроме того, для обнаружения таких передатчиков недостаточно обычных средств радиоразведки — сигналы маскируются под шум.

В гражданской связи использование методов расширения спектра позволяет увеличивать число пользователей в заданном диапазоне частот и повышать безопасность передачи (каждый пользователь кодируется уникальной последовательностью). Передача информации идёт фактически в зашифрованном виде.

Примечания 1) Псевдослучайная последовательность — «почти произвольный» сигнал, повторяющийся с заданным периодом (от 1 секунды до нескольких суток). 2) «Технология цифровой аналоговой связи», октябрь 1992, с. 24.

Существует пять основных техник расширения спектра:

Прямая последовательность — один из наиболее известных и распространённых методов расширения спектра, относительно простый в реализации. Несущая модулируется псевдослучайной последовательностью (ПСП), имеющей периодический, но на вид шумаподобный характер. Коэффициент расширения определяется отношением скорости псевдослучайной последовательности к скорости исходных данных. На приёме восстановление информации возможно с помощью локально генерируемой копии ПСП.

В этих системах несущая частота передатчика изменяется (прыгает) в соответствии с псевдослучайной последовательностью. Порядок изменения частот задаётся кодовой последовательностью, и приёмник синхронизируется с её изменениями.

В системах с временным скачком длительность и цикл несущей изменяются псевдослучайно под управлением ПСП. Часто используется совместно с FHSS для реализации гибридных схем спектрального доступа по разделению времени (TDMA).

Менее распространённая техника, использующая короткий импульс (чирп), «прочёсывающий» все частоты, чтобы расширить спектр сигнала. Первоначально применялась в радиолокации, но в последние годы используется и для передачи данных, например, в сетях LoRa.

Гибридные системы сочетают различные техники расширения спектра для совокупного использования их преимуществ. Часто комбинируют методы прямой последовательности и скачкообразного изменения частоты, получая свойства, недостижимые каждым из методов по отдельности.

Методы расширения спектра обладают уникальными свойствами, не встречающимися больше ни у одной другой техники модуляции. Вот основные достоинства и недостатки:

• Устойчивость к помехам любого происхождения, как случайным, так и специально создаваемым (джемминг), причём особенно эффективна при узкополосных помехах.
• Способность подавлять эффекты многолучевых помех.
• Возможность совместного использования полосы частот несколькими пользователями.
• Конфиденциальность информации за счёт использования псевдослучайных кодов (кодовое разделение каналов).

• Меньшая эффективность использования полосы пропускания.
• Сложность аппаратной реализации.

Псевдослучайные последовательности и большая ширина спектра обеспечивают методам расширения спектра ряд дополнительных преимуществ:

• Адресация сообщений и мультиплексирование по коду (CDMA): каждому абоненту присваивается уникальная ПСП, позволяющая направлять информацию селективно и минимизировать взаимные помехи (низкая корреляция межкодовых последовательностей).
• Низкая вероятность перехвата и защита от преднамеренных помех (антиджемминг): большая ширина спектра распределяет мощность сигнала, делая его труднообнаружимым и устойчивым к внешним воздействиям.
• Возможность одновременной передачи нескольких сигналов в одном диапазоне (CDMA).
• Дополнительные криптографические свойства (невозможность отличить модуляцию данных от модуляции несущей).

Если обратиться к теореме Шеннона: ${\displaystyle C=W\cdot \log \left(1+{\frac {S}{N}}\right)}$ где: C — пропускная способность канала, W — ширина полосы, S — мощность сигнала, N — мощность шума, становится ясно, что расширение полосы позволяет повысить помехоустойчивость канала даже при сохранении необходимой скорости передачи данных.

Методам расширения спектра свойственны:

• Высокий выигрыш обработки по отношению к исходной полосе и исходному сигналу, что позволяет достичь низкой вероятности перехвата.
• Надёжная защита от джемминга благодаря непредсказуемости ПСП.
• Высокое временное разрешение сигналов, позволяющее распознавать задержки и устранять многолучевые помехи.
• Возможность одновременной работы множества абонентов без взаимных помех (CDMA).
• Криптографическая устойчивость благодаря сложной для постороннего анализа структуре модулированного сигнала.

Демодуляция сигналов с расширенным спектром включает два этапа:

1. Удаление модуляции с расширением спектра (для DSSS и FHSS).
2. Последующая демодуляция полезной информации.

Операция выделения исходного сигнала — это процесс корреляции, для которого необходима точная синхронизация псевдослучайной последовательности между передатчиком и приёмником. Синхронизация является одним из наиболее сложных аспектов приёма сигнала; значительная часть исследований и разработок в этой области посвящена именно решению задач синхронизации (выделяют две стадии: первичное захватывание сигнала и его дальнейшее отслеживание).

Современные реализации опираются на цифровую обработку сигналов (DSP) и специализированные интегральные схемы (ASIC), которые ускоряют синхронизацию и обработку и снижают стоимость аппаратуры.

Основные методы восстановления несущей:

• Системы с эталонной передачей: передают две версии несущей (модулированную и немодулированную), на выходе кореллятора выделяется сообщение.
• Системы с хранимым эталоном: и передатчик, и приёмник используют одну и ту же ПСП, приёмник синхронизирует свою ПСП с приходящей несущей.
• Использование согласованных цифровых фильтров для выделения сигнала с расширенным спектром по характерному отклику (обеспечивает безопасность передачи).