スペクトラム拡散

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電気通信および無線通信においてスペクトラム拡散技術は、特定の帯域幅で生成された信号 (たとえば、電気、電磁、または音響信号)を周波数領域で意図的に拡散し、より広い帯域幅の信号を生成する方法です。これらの技術は、安全な通信の確立、自然干渉ノイズ妨害に対する耐性の向上、検出の防止、電力束密度の制限衛星など)など、さまざまな理由で使用されます。 ダウンリンク)、および多元接続通信を有効にします。

電気通信

スペクトラム拡散は一般に、シーケンシャルノイズのような信号構造を利用して、通常は狭帯域の情報信号を比較的広帯域(無線)の周波数帯域に拡散します。受信機は、受信した信号を相互に関連付けて、元の情報信号を取得します。もともと2つの動機がありました:通信を妨害する敵の努力に抵抗すること(アンチジャム、またはAJ)、または通信が行われているという事実を隠すこと、時には被探知(LPI)と呼ばれることです。[1]

周波数ホッピングスペクトラム拡散(FHSS)、直接シーケンススペクトラム拡散(DSSS)、タイムホッピングスペクトラム拡散(THSS)、チャープスペクトラム拡散(CSS)、およびこれらの手法の組み合わせは、スペクトラム拡散の形式です。これらの手法の最初の2つは、疑似乱数ジェネレーターを使用して作成された疑似乱数シーケンスを使用して、割り当てられた帯域幅全体での信号の拡散パターンを決定および制御します。ワイヤレス標準IEEE802.11は、無線インターフェイスでFHSSまたはDSSSのいずれかを使用します。

  • 1940年代から知られ、1950年代から軍事通信システムで使用されている技術は、最小要件よりも数桁高い広い周波数範囲に無線信号を「拡散」します。スペクトラム拡散のコア原理は、ノイズのような搬送波の使用であり、その名前が示すように、同じデータレートでの単純なポイントツーポイント通信に必要な帯域幅よりもはるかに広い帯域幅です。
  • 妨害(干渉)に対する耐性。直接シーケンス(DS)は、連続時間の狭帯域妨害に抵抗するのに優れていますが、周波数ホッピング(FH)は、パルス妨害に抵抗するのに優れています。DSシステムでは、狭帯域妨害は、妨害電力の量が信号帯域幅全体に広がっているかのように検出パフォーマンスに影響を与えます。この場合、多くの場合、バックグラウンドノイズよりもそれほど強くはありません。対照的に、信号帯域幅が低い狭帯域システムでは、妨害電力が信号帯域幅に集中すると、受信信号品質が大幅に低下します。
  • 盗聴に対する抵抗拡散シーケンス(DSシステムの場合)または周波数ホッピングパターン(FHシステムの場合)は、信号が意図されていない人にはよくわかりません。その場合、信号が不明瞭になり、攻撃者が信号を理解する可能性が低くなります。さらに、与えられたノイズパワースペクトル密度に対して(PSD)、スペクトラム拡散システムは、狭帯域システムと同じビットあたりのエネルギー量を必要とします。したがって、拡散前のビットレートが同じである場合、同じ量の電力が必要ですが、信号電力は広い帯域幅に拡散されるため、信号PSDははるかに低く(多くの場合、ノイズPSDよりも大幅に低い)、攻撃者は信号がまったく存在するかどうかを判断できない可能性があります。ただし、ミッションクリティカルなアプリケーション、特に市販の無線を使用するアプリケーションの場合、スペクトラム拡散無線は、少なくとも長い非線形拡散シーケンスが使用され、メッセージが暗号化されない限り、十分なセキュリティを提供しません。
  • 退色への抵抗スペクトラム拡散信号が占める高帯域幅は、ある程度の周波数ダイバーシティを提供します。つまり、信号が帯域幅全体にわたって深刻なマルチパスフェージングに遭遇する可能性はほとんどありません。直接シーケンスシステムでは、レーキ受信機を使用して信号を検出できます。
  • 符号分割多元接続(CDMA)または符号分割多元接続(CDM)として知られる多元接続機能。複数のユーザーは、異なる拡散シーケンスを使用している限り、同じ周波数帯域で同時に送信できます。

周波数ホッピングの発明

無線送信の干渉を保護および回避しようとするアイデアは、電波信号の始まりにまでさかのぼります。1899年、グリエルモマルコーニは、干渉を最小限に抑えるために周波数選択受信を実験しました。[2]周波数ホッピングの概念は、ドイツのラジオ会社Telefunkenによって採用され、 NikolaTeslaによる1903年の米国特許の一部としても説明されています。[3] [4]ラジオのパイオニアであるJonathanZenneckの1908年のドイツ語の本WirelessTelegraphyは、プロセスを説明し、Telefunkenが以前にそれを使用していたことを示しています。[2]第一次世界大戦中のドイツ軍による限定的な使用が見られ[5]は1929年にポーランドのエンジニアLeonard Danilewiczによって提唱され、 [6]は1930年代にWillem Broertjesによって特許に現れました(米国特許1,869,659、8月2日発行)。 、1932)、およびSIGSALYという名前の極秘の米陸軍通信部隊 第二次世界大戦通信システム

第二次世界大戦中、ハリウッドの女優ヘディ・ラマーと前衛作曲家のジョージ・アンタイルの黄金時代は、連合軍の魚雷で使用するための意図された妨害耐性のある無線誘導システムを開発し、 8月11日に米国特許2,292,387「秘密の通信システム」の下でデバイスの特許を取得しました。 1942年。彼らのアプローチは、周波数調整が紙のプレーヤーのピアノロールで行われたという点で独特でした。これは、決して実践されなかった斬新なアプローチです。[7]

クロック信号生成

最新のスイッチング電源(加熱期間)のスペクトラム拡散。数分間の滝グラフ。NF-5030EMCアナライザーで記録

スペクトラム拡散クロック生成(SSCG)は、一部の同期デジタルシステム、特にマイクロプロセッサを含むシステムで使用され、これらのシステムが生成する電磁干渉(EMI)のスペクトル密度を低減します。同期デジタルシステムは、クロック信号によって駆動されるシステムです。そして、その周期的な性質のために、不可避的に狭い周波数スペクトルを持っています。実際、完全なクロック信号では、すべてのエネルギーが単一の周波数(目的のクロック周波数)とその高調波に集中します。実用的な同期デジタルシステムは、クロック周波数とその高調波に広がる多数の狭帯域で電磁エネルギーを放射し、特定の周波数で電磁干渉の規制限界を超える可能性のある周波数スペクトルをもたらします(たとえば、米国のFCCの限界を超える可能性があります)。州、日本のJEITAおよびヨーロッパ のIEC )。

スペクトラム拡散クロッキングは、前述の方法の1つを使用してこの問題を回避し、ピーク放射エネルギーを削減します。したがって、その電磁放射を削減し、電磁両立性(EMC)規制に準拠します。

簡単な機器の変更のみが必要なため、規制当局の承認を得るための一般的な手法になっています。クロック速度が速く、高解像度LCDディスプレイの小型デバイスへの統合が進んでいるため、ポータブル電子機器でさらに人気があります。これらのデバイスは軽量で安価に設計されているため、コンデンサや金属シールドなど、EMIを低減するための従来の受動的な電子的手段は実行可能ではありません。これらの場合、スペクトラム拡散クロッキングなどの アクティブなEMI低減技術が必要です。

ただし、スペクトラム拡散クロッキングは、他の種類の動的周波数変化と同様に、設計者にとって課題となる可能性があります。これらの主なものは、クロック/データの不整合、またはクロックスキューです。したがって、コンピュータシステムでスペクトラム拡散クロッキングを無効にする機能は有用であると考えられています。

この方法では総放射エネルギーが減少しないため、システムが干渉を引き起こす可能性が必ずしも低くなるとは限らないことに注意してください。より広い帯域幅にエネルギーを分散させると、狭い帯域幅内の電気的および磁気的な読み取り値が効果的に減少します。EMC試験所で使用される一般的な測定受信機は、電磁スペクトルを約120kHz幅の周波数帯域に分割します。[8]テスト対象のシステムがすべてのエネルギーを狭い帯域幅で放射する場合、大きなピークが記録されます。この同じエネルギーをより広い帯域幅に分配すると、システムが法定の制限を超えるのに十分なエネルギーを1つの狭帯域に入れることができなくなります。スペクトラム拡散クロッキングは、EMC法または認証手順の抜け穴を単純に利用することによって、より高い放射エネルギーの問題を解決するのではなく、隠れていると認識されているため、実際の干渉問題を減らす手段としてのこの方法の有用性は、しばしば議論されます。この状況では、狭帯域幅に敏感な電子機器は干渉がはるかに少なくなりますが、ブロードバンド感度を備えた電子機器、または他のより高い周波数で動作する電子機器(別のステーションに調整されたラジオ受信機など)でも干渉が多くなります。

FCC認証テストは、測定された排出量を許容可能な法的制限内に減らすために、スペクトラム拡散機能を有効にして完了することがよくあります。ただし、スペクトラム拡散機能は、ユーザーによって無効にされる場合があります。一例として、パーソナルコンピュータの分野では、一部のBIOSライターには、ユーザー設定としてスペクトラム拡散クロックの生成を無効にする機能が含まれているため、EMI規制の対象が無効になります。これは抜け穴と見なされる可能性がありますが、スペクトラム拡散がデフォルトで有効になっている限り、通常は見落とされます。

も参照してください

メモ

  1. ^ Torrieri、ドン(2018)。スペクトラム拡散通信システムの原理、第4版
  2. ^ a b デビッド・カーン、第二次世界大戦の最大のスパイとその他のインテリジェンスとコードのストーリーをどのように発見したか、CRC Press- 2014年、157〜158ページ
  3. ^ Tony Rothman、周波数ホッピングへのランダムパス、アメリカンサイエンティスト、2019年1月〜2月第107巻、第1号、46ページamericanscientist.org
  4. ^ Jonathan Adolf Wilhelm Zenneck、無線電信、McGraw-Hill Book Company、Incorporated、1915年、331ページ
  5. ^ デニス・ウィンター、ハイグの指揮-再評価
  6. ^ Danilewiczは後に、次のように回想しましモデルを実行し、さらに作業を進めるための励ましとして、 5,000ズウォティを私に与えるのに適していると考えてくださいヴワディスワフコザチュクで引用:ドイツの機械暗号がどのように壊れたか、そして第二次世界大戦で連合国によってどのように読まれたか、1984年、p。27。
  7. ^ Ari Ben-Menahem、Historical Encyclopedia of Natural and Mathematical Sciences、Volume 1、Springer Science&Business Media-2009、pages 4527-4530
  8. ^ 電磁ノイズおよび電界強度計装に関する米国規格、10 Hz〜40 GHz-仕様、ANSI C63.2-1996、セクション8.2全体の帯域幅

ソース

外部リンク