Псевдослучайная перестройка рабочей частоты

Полоса пропускания, требуемая для передачи с использованием FHSS, гораздо шире полосы для передачи того же объёма информации на одной несущей частоте. Однако в каждый момент времени передача данных затрагивает только узкий сегмент полосы; следовательно, «мгновенная» интерференционная полоса ширины остаётся прежней. Хотя FHSS не обеспечивает дополнительной защиты от широкополосных шумов, она снижает влияние узкополосных помех.

Одной из сложностей FHSS-систем является синхронизация передатчика и приёмника. Применяется подход, при котором передатчик гарантированно использует все каналы за определённый период. Приёмник может настроиться на случайный канал и ожидать валидные данные; передатчик метит передаваемую информацию специальной последовательностью, маловероятной для совпадения, а также может использовать контрольную сумму для проверки целостности и идентификации. Перестройка осуществляется по согласованным таблицам частотных последовательностей.

В США нормативы FCC часть 15 относительно разрешённых систем с распространением спектра в диапазонах 902–928 МГц и 2,4 ГГц допускают большую выходную мощность (до 1 Вт) для FHSS и DSSS-систем, что на три порядка выше ограничений для неширокополосных устройств (1 мВт). Также предписаны минимальное количество каналов и максимальное время работы на одном канале.

В зависимости от скорости перестройки частоты методы разделяют на быструю (англ. Fast Frequency Hopping, FFH) и медленную перестройку (англ. Slow Frequency Hopping, SFH). При быстрой перестройке на один передаваемый символ приходится несколько скачков частоты; этот метод обеспечивает высокую устойчивость к помехам и применяется для защиты от средств РЭБ. При медленной перестройке за время одного скачка передаётся один или несколько символов, что характерно для коммерческих сетей связи^[9].^[10]

В 1899 году Гульельмо Маркони экспериментировал с частотной селекцией для уменьшения помех^[11].

Самое раннее упоминание частотной перестройки встречается в патенте США 725605, выданном Николе Тесле 17 марта 1903 года^[12], и в книге пионера радио Джонатана Ценнека «Беспроволочная телеграфия» (на немецком языке, 1908; англ. перевод — McGraw Hill, 1915)^[13], хотя Ценнек указывает, что компания Telefunken уже пробовала это решение. Тесла прямо не упоминает термин «frequency hopping», но описывает систему радиосвязи, защищённой от вмешательства и перехвата.

Германские военные ограниченно использовали перестройку частот для связи между командными пунктами в ходе Первой мировой войны, чтобы помешать британским войскам слушать переговоры^[14]. Оригинальное издание книги Ценнека по беспроводной телеграфии вышло на немецком в 1908 году, но англ. перевод был опубликован в 1915 году, когда противник стал использовать перестройку частот на передовой.

В 1920 году Отто Блэквелл, Де Лосс К. Мартин и Гилберт Вернам подали патентную заявку на «Секретную радиосистему», патент США 1,598,673 от 1926 года. В заявке описан способ передачи сигналов на множестве частот случайным образом для обеспечения секретности, что предвосхищает многие признаки более поздних FHSS-систем^[12].

Польский инженер Леонард Данилевич утверждал, что в 1929 году предложил концепцию частотной перестройки польскому Генеральному штабу, но предложение было отклонено^[15].

В 1932 году патент США 1,869,659 был выдан Виллему Бройертесу, изобретателю «Способа поддержания тайны при передаче радиотелеграфных сообщений», где описана система передачи сообщений на группе частот, известных только отправителю и получателю и изменяемых по желанию в процессе передачи.

Во время Второй мировой войны армейский корпус связи США разработал систему SIGSALY, в которой широкополосное распространение сигнала использовалось на одной частоте. Однако SIGSALY был засекреченной системой, информация о которой стала известна только в 1980-х.

В 1942 году актриса Хеди Ламарр и композитор Джордж Антейл получили патент США 2,292,387^[16][17] на систему «секретной связи», основанную на прототипе FHSS с использованием музыкального ролла для перебора 88 частот с целью затруднить обнаружение или подавление радиоуправляемых торпед. Патент был передан ВМС США. В 2014 году Хеди Ламарр (посмертно) и Джордж Антейл были включены в Национальный зал славы изобретателей США за изобретение системы связи с перескоком частоты^[18].

Идеи частотной перестройки могли быть вновь открыты в 1950-х, когда частные компании независимо разрабатывали прямое расширение спектра (DSSS) и проводили патентные исследования. В 1957 году инженеры Sylvania Electronic Systems Division реализовали похожую идею, используя транзистор вместо часового механизма, предложенного Ламарр и Антейлом^[16]. В 1962 году флот США применил работу Sylvania в ходе Карибского кризиса^[19].

Практическую реализацию FHSS предложил Рэй Зинн, сооснователь Micrel Corporation, создав схему радиосвязи без необходимости синхронизации приёмника с передатчиком. Метод с перестройкой частот и режимами обзора используется преимущественно в низкоскоростных системах сбора данных, например, счётчиках, мониторинге оборудования, дистанционном управлении. В 2006 году Зинн получил патент США 6,996,399 на «беспроводное устройство и способ с использованием частотной перестройки и сканирующих режимов».

Адаптивная псевдослучайная перестройка рабочей частоты (англ. adaptive frequency-hopping spread spectrum, AFH), применяемая, например, в стандарте Bluetooth, увеличивает помехоустойчивость путём исключения из последовательности занятых частот. Такой подход проще реализуется в FHSS, чем в DSSS.

Ключевая идея AFH — использовать только «хорошие» частоты и избегать «плохих» (занятых каналов, частот, подверженных замиранию, либо подвергающихся активным помехам). Поэтому AFH требует механизма для определения качества каналов.

Однако если помехи меняются динамически, стратегия AFH может потерпеть неудачу; например, при наличии нескольких соседних сетей с FHSS (например, Bluetooth Piconet), они могут мешать друг другу, и адаптивное исключение каналов не срабатывает. Динамические помехи, постепенное сокращение доступных частот и вопрос совместимости были решены в версии 1.2 стандарта Bluetooth (2003). Подобные ситуации характерны для неразрешённых диапазонов.

В версии Bluetooth 5.3 была улучшена функция классификации каналов, позволяющая устройствам согласовывать наилучшие частоты для снижения влияния помех^[20]. Для предотвращения рассинхронизации при динамическом исключении зашумлённых каналов применяется механизм синхронизации AFH через версионирование карт каналов и отложенную активацию: передатчик назначает точный момент перехода на новую карту, и оба устройства переключаются одновременно, а при отсутствии подтверждения от приёмника активация откладывается^[21].

Динамические помехи также типичны для систем когнитивное радио, где устройства должны уметь гибко менять рабочие частоты.

Чирп-модуляция (CSS) и псевдослучайная перестройка рабочей частоты (FHSS) являются принципиально разными методами. В отличие от CSS, использующей непрерывные изменения частоты во всей доступной полосе, существует отдельная технология LR-FHSS, которая делит спектр на узкие подканалы и осуществляет быструю скачкообразную перестройку частоты для защиты от помех^[22][23].

Частотную перестройку можно совмещать с другими видами модуляции или сигналов с целью повышения эффективности системы.