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Articulo de referencia

Espectro ensanchado

En telecomunicaciones , especialmente en radiocomunicaciones , el espectro ensanchado es una técnica mediante la cual una señal (por ejemplo, eléctrica, electromagnética o acúst...

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En telecomunicaciones , especialmente en radiocomunicaciones , el espectro ensanchado es una técnica mediante la cual una señal (por ejemplo, eléctrica, electromagnética o acústica) generada con un ancho de banda determinado se distribuye deliberadamente en el dominio de la frecuencia sobre una banda de frecuencia más amplia . Las técnicas de espectro ensanchado se utilizan para establecer comunicaciones seguras, aumentar la resistencia a las interferencias naturales , el ruido y las interferencias , evitar la detección, limitar la densidad de flujo de potencia (por ejemplo, en enlaces descendentes de satélite ) y permitir comunicaciones de acceso múltiple.

Telecomunicaciones

El espectro ensanchado generalmente utiliza una estructura de señal secuencial similar al ruido para distribuir la señal de información, normalmente de banda estrecha , en una banda de frecuencias relativamente ancha (de radio). El receptor correlaciona las señales recibidas para recuperar la señal de información original. Originalmente existían dos motivaciones: o bien resistir los intentos del enemigo de interferir las comunicaciones (antiinterferencias o AJ), o bien ocultar el hecho de que se estaba produciendo una comunicación, lo que a veces se denomina baja probabilidad de interceptación (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 modulación de frecuencia ( CSS) y las combinaciones de estas técnicas son formas de espectro ensanchado. Las dos primeras técnicas emplean secuencias de números pseudoaleatorios —creadas mediante generadores de números pseudoaleatorios— para determinar y controlar el patrón de dispersión de la señal en el 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 sistemas de comunicación militar desde la década de 1950 "expanden" una señal de radio en un amplio rango de frecuencias, varias magnitudes superior al mínimo requerido. El principio fundamental del espectro ensanchado es el uso de ondas portadoras similares al ruido y, como su nombre indica, anchos de banda mucho mayores que los necesarios para una comunicación punto a punto simple a la misma velocidad de datos.
  • Resistencia a la interferencia . La secuencia directa (DS) es eficaz contra la interferencia de banda estrecha en tiempo continuo, mientras que el salto de frecuencia (FH) es mejor contra la interferencia por pulsos. En los sistemas DS, la interferencia de banda estrecha afecta el rendimiento de detección de forma similar a si la potencia de interferencia se distribuyera por todo el ancho de banda de la señal, donde a menudo no será mucho mayor que el ruido de fondo. Por el contrario, en sistemas de banda estrecha con un ancho de banda de señal reducido, la calidad de la señal recibida se verá gravemente afectada si la potencia de interferencia se concentra en dicho ancho de banda.
  • Resistencia a la interceptación . La secuencia de dispersión (en sistemas DS) o el patrón de salto de frecuencia (en sistemas FH) suele ser desconocido para quienes no reciben la señal, lo que la oculta y reduce la probabilidad de que un adversario la interprete. Además, para una densidad espectral de potencia (PSD) de ruido dada, los sistemas de espectro ensanchado requieren la misma cantidad de energía por bit antes de la dispersión que los sistemas de banda estrecha y, por lo tanto, la misma cantidad de potencia si la tasa de bits antes de la dispersión es la misma, pero como la potencia de la señal se distribuye en un ancho de banda amplio, la PSD de la señal es mucho menor —a menudo significativamente menor que la PSD del ruido— , por lo que el adversario podría ser incapaz de determinar si la señal existe. Sin embargo, para aplicaciones de misión crítica, en particular aquellas que emplean radios disponibles comercialmente, las radios de espectro ensanchado no proporcionan la seguridad adecuada a menos que, como mínimo, se utilicen secuencias de dispersión no lineales largas y los mensajes estén cifrados.
  • Resistencia al desvanecimiento . El ancho de banda elevado que ocupan las señales de espectro ensanchado ofrece cierta diversidad de frecuencia; es decir, es improbable que la señal experimente un desvanecimiento multitrayecto severo en todo su ancho de banda. En los sistemas de secuencia directa, la señal se puede detectar utilizando un receptor de rake .
  • 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 secuencias de dispersión diferentes.

Invención del salto de frecuencia

La idea de intentar proteger y evitar interferencias en las transmisiones de radio se remonta a los inicios de la señalización por ondas de radio. En 1899, Guglielmo Marconi experimentó con la recepción selectiva de frecuencia en un intento de minimizar las interferencias. [ 2 ] El concepto de salto de frecuencia fue adoptado por la compañía de radio alemana Telefunken y también se describió parcialmente en una patente estadounidense de 1903 de 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 ya lo utilizaba. [ 2 ] Tuvo 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 secreto de comunicaciones 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 época dorada de Hollywood, Hedy Lamarr, y el compositor vanguardista George Antheil desarrollaron un sistema de guía por radio resistente a las 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 era único, ya que la coordinación de frecuencias se realizaba con rollos de papel de pianola, un método 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), incluyendo diagrama de cascada durante unos minutos. Grabado con un analizador EMC NF-5030.

La generación de reloj de espectro ensanchado (SSCG) se utiliza en algunos sistemas digitales síncronos , especialmente en aquellos que contienen microprocesadores, para reducir la densidad espectral de la interferencia electromagnética (EMI) que generan. Un sistema digital síncrono es aquel que se alimenta mediante una señal de reloj y, debido a su naturaleza periódica, tiene un espectro de frecuencia inevitablemente estrecho. De hecho, una señal de reloj ideal concentraría toda su energía en una sola frecuencia (la frecuencia de reloj deseada) y sus armónicos.

Fondo

Los sistemas digitales síncronos prácticos irradian energía electromagnética en varias bandas estrechas distribuidas en la frecuencia del reloj y sus armónicos, lo que da como resultado un espectro de frecuencias que, en ciertas frecuencias, puede exceder los límites reglamentarios para la interferencia electromagnética (por ejemplo, los de la FCC en Estados Unidos, JEITA en Japón y la IEC en Europa).

La sincronización de espectro ensanchado evita este problema al reducir la energía radiada máxima y, por lo tanto, sus emisiones electromagnéticas, cumpliendo así con las normativas de compatibilidad electromagnética (CEM). Se ha convertido en una técnica popular para obtener la aprobación regulatoria, ya que solo requiere una modificación sencilla del equipo. Su popularidad es aún mayor 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. Dado que estos dispositivos están diseñados para ser ligeros y económicos, las medidas electrónicas pasivas tradicionales para reducir la EMI, como los condensadores o el blindaje metálico, no son viables. En estos casos, se necesitan técnicas activas de reducción de EMI , como la sincronización de espectro ensanchado.

Método

En los sistemas PCIe, USB 3.0 y SATA, la técnica más común es la dispersión descendente, mediante modulación de frecuencia con una fuente de menor frecuencia. [ 8 ] La sincronización de espectro ensanchado, al igual que otros tipos de cambio de frecuencia dinámico , también puede plantear desafíos para los diseñadores. El principal de ellos es la desalineación de reloj/datos, o desviación de reloj . Un bucle de enganche de fase en el lado receptor necesita un ancho de banda suficientemente alto para seguir 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 tengan problemas para manejar dicho reloj. Por consiguiente, se considera útil la capacidad de deshabilitar la sincronización de espectro ensanchado en los sistemas informáticos. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]

Efecto

Cabe señalar que este método no reduce la energía radiada total y, por lo tanto, los sistemas no necesariamente tienen menos probabilidades de causar interferencias. Distribuir la energía en un ancho de banda mayor reduce eficazmente 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. Distribuir esta misma energía en un ancho de banda mayor evita que los sistemas concentren suficiente energía en cualquier banda estrecha como para exceder los límites legales. La utilidad de este método como medio para reducir los problemas de interferencia en la vida real suele ser objeto de debate, [ 9 ] ya que se percibe que la sincronización de espectro ensanchado oculta, en lugar de resolver, los problemas de mayor energía radiada mediante la simple explotación de lagunas en la legislación de EMC o los procedimientos de certificación. Esta situación provoca que los equipos electrónicos sensibles a anchos de banda estrechos experimenten mucha menos interferencia, mientras que aquellos con sensibilidad de banda ancha, o incluso que operan en otras frecuencias más altas (como un receptor de radio sintonizado a una estación diferente), experimentarán más interferencia.

Las pruebas de certificación de la FCC suelen realizarse con la función de espectro ensanchado activada para reducir las emisiones medidas a límites legales aceptables. Sin embargo, en algunos casos, el usuario puede desactivar esta función. Por ejemplo, en el ámbito de los ordenadores personales, algunos desarrolladores de BIOS incluyen la opción de desactivar la generación de reloj de espectro ensanchado como configuración de usuario, lo que contradice el objetivo de las normativas de interferencia electromagnética (EMI). Si bien esto podría considerarse una laguna legal , generalmente se pasa por alto mientras el espectro ensanchado esté activado por defecto.

Véase también

Notas

  1. ↑ Torrieri, Don (2018). Principios de los sistemas de comunicación de espectro ensanchado, 4.ª ed .
  2. 1 2 Kahn, David (17 de enero de 2014). Cómo descubrí al mejor espía de la Segunda Guerra Mundial y otras historias de inteligencia y códigos . CRC Press. ISBN 9781466561991Recuperado el 9 de noviembre de 2022 – a través de Google Libros.
  3. ↑ Tony Rothman, Rutas aleatorias hacia el salto de frecuencia, 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 la radiotelegrafía secreta que, afortunadamente, no fue aceptado, ya que era una idea verdaderamente bárbara que consistía en cambios constantes de frecuencia del transmisor. Sin embargo, la comisión consideró oportuno concederme 5000 zlotys por la realización de un prototipo y como incentivo para seguir trabajando». Citado en Władysław Kozaczuk , Enigma: Cómo se descifró el cifrado alemán y cómo lo leyeron los aliados en la Segunda Guerra Mundial , 1984, pág. 27.
  7. ↑ Ari Ben-Menahem, Enciclopedia histórica de ciencias naturales y matemáticas, Volumen 1, Springer Science & Business Media - 2009, páginas 4527-4530
  8. ↑ "Spread Spectrum Clocking" . Microsemi .
  9. 1 2 Item Media (19 de marzo de 2013). "Generación de reloj de espectro ensanchado: teoría y debate" . Interference Technology .
  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 SSC Toggle – Barracuda 7200.9 en Wayback Machine (archivado el 29/04/2010) (Base de conocimientos de Seagate)
  14. ↑ Norma Nacional Estadounidense para Instrumentación de Ruido Electromagnético e Intensidad de Campo, 10 Hz a 40 GHz: Especificaciones, ANSI C63.2-1996, Sección 8.2 Ancho de banda total

Fuentes

  • 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