Espectro ensanchado por salto de frecuencia

La transmisión por espectro ensanchado por salto de frecuencia ( FHSS ) es un método para transmitir señales de radio mediante el cambio rápido de la frecuencia portadora entre múltiples frecuencias que ocupan una amplia banda espectral. Estos cambios se controlan mediante un código conocido tanto por el transmisor como por el receptor . La FHSS se utiliza para evitar interferencias, prevenir la interceptación de comunicaciones y habilitar las comunicaciones de acceso múltiple por división de código (CDMA).

La banda de frecuencia se divide en subbandas más pequeñas. Las señales cambian rápidamente ("saltan") sus frecuencias portadoras entre las frecuencias centrales de estas subbandas en un orden determinado. La interferencia en una frecuencia específica afectará a la señal solo durante un breve intervalo. ^{[ 1 ]}

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

1. Las señales FHSS son altamente resistentes a las interferencias de banda estrecha porque la señal salta a una banda de frecuencia diferente.
2. Las señales son difíciles de interceptar si se desconoce el patrón de salto de frecuencia.
3. La interferencia también resulta difícil si se desconoce el patrón; la señal solo puede ser interferida durante un único período de salto si se desconoce la secuencia de propagación.
4. Las transmisiones FHSS pueden compartir una banda de frecuencia con muchos tipos de transmisiones convencionales con una interferencia mutua mínima. Las señales FHSS añaden una interferencia mínima a las comunicaciones de banda estrecha, y viceversa.

El ancho de banda total requerido para el salto de frecuencia es mucho mayor que el necesario para transmitir la misma información utilizando una sola frecuencia portadora . Sin embargo, dado que la transmisión se produce solo en una pequeña porción de este ancho de banda en un momento dado, el ancho de banda de interferencia instantáneo es prácticamente el mismo. Si bien el método de salto de frecuencia no proporciona protección adicional contra el ruido térmico de banda ancha , reduce la degradación causada por fuentes de interferencia de banda estrecha.

Uno de los desafíos de los sistemas de salto de frecuencia es la sincronización entre el transmisor y el receptor. Un enfoque consiste en garantizar que el transmisor utilice todos los canales en un período de tiempo fijo. El receptor puede entonces localizar al transmisor seleccionando un canal al azar y escuchando datos válidos en dicho canal. Los datos del transmisor se identifican mediante una secuencia especial que es improbable que se repita en el segmento de datos de ese canal, y dicho segmento también puede incluir una suma de verificación para comprobar su integridad y facilitar su identificación. El transmisor y el receptor pueden utilizar tablas fijas de patrones de salto de frecuencia, de modo que, una vez sincronizados, puedan mantener la comunicación siguiendo la tabla.

En Estados Unidos, 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 una potencia mayor que la permitida para sistemas que no utilizan espectro ensanchado. Tanto los sistemas FHSS como los de espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS) pueden transmitir a 1 vatio, lo que supone un aumento de mil veces con respecto al límite de 1 milivatio de los sistemas que no utilizan espectro ensanchado. La FCC también establece un número mínimo de canales de frecuencia y un tiempo máximo de permanencia para cada canal.

En 1899, Guglielmo Marconi experimentó con la recepción selectiva de frecuencia en un intento de minimizar la interferencia. ^{[ 3 ]}

Las primeras menciones de salto de frecuencia en la literatura pública se encuentran en la patente estadounidense 725,605 , otorgada a Nikola Tesla el 17 de marzo de 1903, ^{[ 4 ]} y en el libro del pionero de la radio Jonathan Zenneck , Wireless Telegraphy (alemán, 1908, traducción al inglés McGraw Hill, 1915), ^{[ 5 ] [ a ]} ​​aunque Zenneck escribe que Telefunken ya lo había intentado. Nikola Tesla no menciona la frase "salto de frecuencia" directamente, pero ciertamente alude a ella. Titulada Method of Signaling , la patente describe un sistema que permitiría la comunicación por radio sin ningún peligro de que las señales o los mensajes fueran perturbados, interceptados o interferidos de ninguna manera . ^{[ 6 ]}

El ejército alemán utilizó de forma limitada el salto de frecuencia para comunicarse entre puestos de mando fijos durante la Primera Guerra Mundial con el fin de evitar las escuchas de las fuerzas británicas, que no contaban con la tecnología necesaria para seguir la secuencia. ^{[ 7 ]} El libro de Jonathan Zenneck, Wireless Telegraphy, se publicó originalmente en alemán en 1908, pero se tradujo al inglés en 1915, cuando el enemigo comenzó a utilizar el salto de frecuencia en el frente.

En 1920, Otto B. Blackwell, De Loss K. Martin y Gilbert S. Vernam presentaron una solicitud de patente para un "Sistema de Comunicación Secreta", que fue concedida como Patente Estadounidense 1,598,673 en 1926. Esta patente describía un método para transmitir señales en múltiples frecuencias de forma aleatoria con fines secretos, anticipando características clave de los sistemas de salto de frecuencia posteriores. ^{[ 4 ]}

Un ingeniero e inventor polaco , Leonard Danilewicz , afirmó haber sugerido el concepto de salto de frecuencia en 1929 al Estado Mayor polaco , pero fue rechazado. ^{[ 8 ]}

En 1932, Willem Broertjes recibió la patente estadounidense número 1.869.659 , denominada "Método para mantener el secreto en la transmisión de mensajes telegráficos inalámbricos", que describe un sistema en el que "los mensajes se transmiten mediante un grupo de frecuencias... conocidas únicamente por el emisor y el receptor, y que se alternan a voluntad durante la transmisión de los mensajes".

Durante la Segunda Guerra Mundial , el Cuerpo de Señales del Ejército de los Estados Unidos estaba desarrollando un sistema de comunicación llamado SIGSALY , que incorporaba espectro ensanchado en un contexto de frecuencia única. Sin embargo, SIGSALY era un sistema de comunicaciones ultrasecreto, 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 la patente estadounidense 2.292.387 por su «Sistema de Comunicaciones Secretas», ^{[ 9 ] [ 10 ]} una versión temprana de salto de frecuencia que utilizaba un rollo de pianola para alternar entre 88 frecuencias y así dificultar la detección o interferencia de torpedos guiados por radio por parte de los enemigos. Posteriormente, donaron la patente a la Armada de los Estados Unidos . ^{[ 11 ]}

Es posible que las ideas de salto de frecuencia se redescubrieran en la década de 1950 durante las búsquedas de patentes, cuando empresas privadas desarrollaban de forma independiente el acceso múltiple por división de código de secuencia directa , una forma de espectro ensanchado sin salto de frecuencia. En 1957, los ingenieros de la División de Sistemas Electrónicos de Sylvania adoptaron una idea similar, utilizando el transistor, recientemente inventado, en lugar de la tecnología de relojería de Lamarr y Antheil. ^{[ 9 ]} En 1962, la Armada de los Estados Unidos utilizó el trabajo de la División de Sistemas Electrónicos de Sylvania durante la Crisis de los Misiles de Cuba . ^{[ 12 ]}

Ray Zinn , cofundador de Micrel Corporation, desarrolló una aplicación práctica de la técnica de salto de frecuencia . Zinn creó un método que permite que los dispositivos de radio funcionen sin necesidad de sincronizar un receptor con un transmisor. Mediante el uso de salto de frecuencia y modos de barrido, el método de Zinn se aplica principalmente en aplicaciones inalámbricas de baja velocidad de datos, como la medición de servicios públicos, la monitorización y medición de maquinaria y equipos, y el control remoto. En 2006, Zinn recibió la patente estadounidense 6,996,399 por su "Dispositivo y método inalámbricos que utilizan salto de frecuencia y modos de barrido".

La técnica de espectro ensanchado por salto de frecuencia adaptativo ( AFH ), utilizada en Bluetooth, mejora la resistencia a las interferencias 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 las frecuencias "buenas" y evitar las "malas": aquellas que experimentan desvanecimiento selectivo de frecuencia , aquellas en las que un tercero intenta comunicarse o aquellas que están siendo interferidas activamente. Por lo tanto, AFH debe complementarse con un mecanismo para detectar canales buenos y malos.

Pero si la interferencia de radiofrecuencia es dinámica, la estrategia de AFH de "eliminación de canales defectuosos" podría no funcionar bien. Por ejemplo, si existen varias redes de salto de frecuencia ubicadas en el mismo lugar (como Bluetooth Piconet ), estas interfieren entre sí 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 se resolvió en la versión 1.2 del estándar Bluetooth (2003). Esta situación suele darse en escenarios que utilizan espectro no licenciado .

Además, se prevé que se produzcan interferencias dinámicas de radiofrecuencia en los escenarios relacionados con la radio cognitiva , donde las redes y los dispositivos deben presentar un funcionamiento ágil en cuanto a frecuencia .

La modulación chirriante puede considerarse una forma de salto de frecuencia que simplemente recorre las frecuencias disponibles en orden consecutivo para comunicarse.

El salto de frecuencia se puede superponer a otras modulaciones o formas de onda para mejorar el rendimiento del sistema.

• salto de frecuencia dinámico
• Lista de múltiples descubrimientos
• Secuencia de longitud máxima
• multiplexación por división de frecuencia ortogonal
• Barrido de radiofrecuencia

• Tony Rothman (enero-febrero de 2019). "Random Paths to Frequency Hopping" . American Scientist . 107 (1): 46. doi : 10.1511/2019.107.1.46 .
• Władysław Kozaczuk (1984). Christopher Kasparek (ed.). Enigma: Cómo se descifró el cifrado alemán y cómo lo leyeron los aliados en la Segunda Guerra Mundial . Traducido por Christopher Kasparek . Frederick, MD: University Publications of America. ISBN 0-89093-547-5.