스펙트럼 확산

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통신 및 무선통신에서 확산 스펙트럼 기술은 특정 대역폭으로 생성된 신호(예를 들어 전기, 전자기 또는 음향 신호)를 의도적으로 주파수 영역에 확산시켜 더 넓은 대역폭을 갖는 신호를 생성하는 방법이다.이러한 기술은 안전한 통신의 확립, 자연 간섭, 노이즈 및 방해에 대한 저항의 증가, 검출의 방지, 전원 플럭스 밀도(예를 들어 위성 다운링크)의 제한, 다중 액세스 통신의 활성화 등 다양한 이유로 사용됩니다.

전기 통신

확산 스펙트럼은 일반적으로 순차적 노이즈와 같은 신호 구조를 사용하여 통상적으로 협대역 정보 신호를 비교적 넓은 주파수 대역으로 확산시킨다.수신기는 수신 신호를 상관하여 원래 정보 신호를 가져옵니다.원래 두 가지 동기가 있었습니다. 즉, 통신을 방해하려는 적의 노력에 저항하거나(안티잼(Anti-Jam, AJ), 또는 통신이 이루어지고 있다는 사실을 숨기려는 것입니다(LPI(Low Probability of Intercept)[1]라고도 합니다).

주파수 호핑 확산 스펙트럼(FHSS), 직접 시퀀스 확산 스펙트럼(DSSS), 시간 호핑 확산 스펙트럼(THS), 채프 확산 스펙트럼(CSS) 및 이들 기술의 조합은 확산 스펙트럼의 한 형태이다.이들 기술 중 처음 2개는 의사난수 생성기를 사용하여 작성된 의사난수 시퀀스를 사용하여 할당된 대역폭 전체에 걸쳐 신호의 확산 패턴을 판단하고 제어합니다.무선 표준의 IEEE 802.11 에서는, 무선 인터페이스에 FHSS 또는 DSSS 의 어느쪽인가를 사용합니다.

  • 1940년대부터 알려져 있고 1950년대부터 군 통신 시스템에 사용된 기술은 최소 요구량보다 몇 등급 높은 넓은 주파수 범위에 무선 신호를 "확산"했다.스펙트럼 확산의 핵심 원칙은 노이즈와 같은 반송파를 사용하는 것이며, 이름에서 알 수 있듯이 동일한 데이터 속도의 단순한 포인트 투 포인트 통신에 필요한 대역폭보다 훨씬 넓은 대역폭을 사용한다.
  • 방해(간섭)에 대한 저항성.Direct Sequence(DS; 직접 시퀀스)는 연속 시간 협대역 방해에 대한 내성이 우수하며, FH(주파수 호핑)는 펄스 방해에 대한 내성이 우수합니다.DS 시스템에서 협대역 방해는 신호 대역폭 전체에 걸쳐 방해 전력이 분산되어 있는 것처럼 검출 성능에 영향을 미칩니다.이 경우 배경 노이즈보다 훨씬 강하지 않은 경우가 많습니다.반면 신호 대역폭이 낮은 협대역 시스템에서는 방해전력이 신호 대역폭에 집중되면 수신 신호 품질이 심각하게 저하됩니다.
  • 도청에 대한 저항력.확산 시퀀스(DS 시스템의 경우) 또는 주파수 호핑 패턴(FH 시스템의 경우)은 신호가 의도하지 않은 누군가에 의해 종종 알 수 없으며, 이 경우 신호가 흐려지고 상대방이 신호를 이해할 가능성이 줄어듭니다.또한 특정 노이즈 파워 스펙트럼 밀도(PSD)에 대해 확산 스펙트럼 시스템은 협대역 시스템과 확산하기 전에 비트당 동일한 양의 에너지를 필요로 합니다.따라서 확산 전 비트레이트가 동일한 경우에는 동일한 양의 전력을 필요로 하지만 신호 파워가 큰 대역폭으로 분산되기 때문에 신호 PSD는 훨씬 낮습니다.노이즈 PSD보다 약간 낮기 때문에 상대방이 신호의 존재 여부를 판단할 수 없습니다.단, 미션 크리티컬한 애플리케이션, 특히 시판되고 있는 무선을 사용하는 애플리케이션에서는 적어도 긴 비선형 확산 시퀀스를 사용하여 메시지를 암호화하지 않는 한 확산 스펙트럼 무선은 적절한 보안을 제공하지 않습니다.
  • 페이딩에 대한 저항성.스펙트럼 확산 신호에 의해 사용되는 고대역폭은 어느 정도 주파수 다양성을 제공합니다.즉, 신호가 대역폭 전체에 걸쳐 심각한 멀티패스 페이딩이 발생할 가능성은 낮습니다.직접 시퀀스 시스템에서는 레이크 수신기를 사용하여 신호를 검출할 수 있습니다.
  • Code-Division Multiple Access(CDM; 코드분할다중접속) 또는 Code-Division Multiplexing(CDM; 코드분할다중접속)이라고 불리는 다중접속 기능.여러 사용자가 다른 확산 시퀀스를 사용하는 한 동일한 주파수 대역에서 동시에 전송할 수 있습니다.

주파수 호핑의 발명

상세 정보:주파수 호핑 확산 스펙트럼

무선 전송의 간섭을 보호하고 회피하려는 생각은 전파 시그널링의 시초로 거슬러 올라갑니다.1899년, Guglielmo Marconi는 [2]간섭을 최소화하기 위해 주파수 선택 수신을 실험했습니다.주파수 호핑의 개념은 독일의 라디오 회사인 Telefunken에 의해 채택되었고, 또한 Nikola [3][4]Tesla에 의해 1903년 미국 특허의 일부에 기술되었다.라디오의 선구자 조나단 젠넥의 1908년 독일 저서 무선 텔레그래피는 그 과정을 설명하고 텔레펑켄이 이전에 [2]그것을 사용하고 있었다는 것을 언급하고 있다.독일군이 [5]제1차 세계대전에서 제한적으로 사용했고,[6] 1929년 폴란드 기술자 레오나르도 다닐레비치가 제창했으며, 1930년대 빌렘 브로르제스(미국 특허 186만9659건, 1932년 8월 2일 발행), 제2차 세계 대전에서 미군의 일급 비밀 신호전단에 등장했다.

제2차 세계대전 중 할리우드 여배우 헤디 라마르와 아방가르드 작곡가 조지 안테일은 1942년 8월 11일 미국 특허 2,292,387 "비밀 통신 시스템"에 따라 이 장치를 특허로 연합군 어뢰에 사용할 수 있는 교란 방지 라디오 유도 시스템을 개발했다.그들의 접근방식은 종이 플레이어 피아노 롤로 주파수 조정이 이루어졌다는 점에서 독특했다. 이는 [7]실천되지 않은 새로운 접근방식이다.

클럭 신호 생성

폭포 다이어그램을 포함한 최신 스위칭 전원 공급 장치(난방 기간)의 스펙트럼을 몇 분에 걸쳐 확산시킵니다.NF-5030 EMC-Analyzer로 기록

확산 스펙트럼 클럭 생성(SSCG)은 일부 동기 디지털 시스템, 특히 마이크로프로세서를 포함하는 시스템에서 이러한 시스템이 생성하는 전자파 간섭(EMI)의 스펙트럼 밀도를 줄이기 위해 사용됩니다.동기 디지털 시스템은 클럭 신호에 의해 구동되며 주기적인 특성 때문에 불가피하게 좁은 주파수 스펙트럼을 갖는 시스템입니다.실제로 완벽한 클럭 신호는 모든 에너지가 단일 주파수(희망 클럭 주파수)와 고조파에 집중됩니다.실용적인 동기 디지털 시스템은 클럭 주파수와 그 고조파에 퍼져 있는 다수의 좁은 대역에 전자기 에너지를 방사하여 특정 주파수에서 전자파 간섭에 대한 규제 한계를 초과할 수 있는 주파수 스펙트럼을 생성한다(예: 미국의 FCC, 일본의 JEITA 및 IEC).유럽)에서)

확산 스펙트럼 클로킹은 앞서 설명한 방법 중 하나를 사용하여 최대 방사 에너지를 줄이고 그 전자파 방출을 줄여 Electronagnetic Compatibility(EMC; 전자파 적합성) 규정을 준수함으로써 이 문제를 방지합니다.

간단한 장비 개조만 하면 되기 때문에 규제 승인을 받을 수 있는 인기 기술로 자리 잡았다.클럭 속도가 빨라지고 고해상도 LCD 디스플레이가 더욱 작은 장치에 통합되기 때문에 휴대용 전자제품에서 더욱 인기가 있습니다.이러한 장치는 가볍고 저렴하도록 설계되었기 때문에 캐패시터나 금속 차폐와 같은 EMI를 줄이기 위한 기존의 수동적 전자적 조치는 실행할 수 없습니다.이러한 경우 확산 스펙트럼클로킹 등의 액티브한 EMI 저감 기술이 필요합니다.

그러나 확산 스펙트럼 클로킹은 다른 종류의 동적 주파수 변화와 마찬가지로 설계자에게도 문제를 일으킬 수 있습니다.그 중 주된 것은 클럭/데이터 정렬 오류 또는 클럭 스큐입니다.따라서 컴퓨터 시스템에서 스펙트럼 확산 클로킹을 비활성화하는 기능은 유용한 것으로 간주됩니다.

이 방법은 총 방사 에너지를 줄이는 것이 아니기 때문에 시스템이 간섭을 일으킬 가능성이 반드시 적은 것은 아닙니다.더 큰 대역폭에 에너지를 분산시키면 좁은 대역폭 내에서 전기 및 자기 판독값이 효과적으로 감소합니다.EMC 시험소에서 사용하는 일반적인 측정 수신기는 전자파 스펙트럼을 [8]약 120kHz 폭의 주파수 대역으로 나눈다.테스트 대상 시스템이 모든 에너지를 좁은 대역폭으로 방출하는 경우 큰 피크를 기록합니다.이 같은 에너지를 더 큰 대역폭으로 분배하면 시스템이 법정 제한을 초과하기 위해 1개의 협대역에 충분한 에너지를 투입할 수 없게 됩니다.확산 스펙트럼 클로킹은 EMC 법률 또는 인증 절차의 허점을 단순히 이용함으로써 높은 방사 에너지 문제를 해결하는 것이 아니라 숨는 것으로 인식되기 때문에 실제 간섭 문제를 줄이기 위한 수단으로서의 이 방법의 유용성에 대해 종종 논의된다.이러한 상황으로 인해 좁은 대역폭에 민감한 전자 기기는 간섭을 훨씬 덜 받는 반면 광대역 감도를 가진 전자 기기 또는 다른 고주파(다른 스테이션에 튜닝된 무선 수신기 등)로 작동하는 전자 기기는 간섭을 더 많이 받습니다.

FCC 인증 테스트는 측정된 배출량을 허용 가능한 법적 한도 이내로 줄이기 위해 스펙트럼 확산 기능을 활성화한 상태에서 종종 완료됩니다.다만, 경우에 따라서는, 유저가 스펙트럼 확산 기능을 무효로 할 수 있습니다.예를 들어 퍼스널 컴퓨터의 영역에서 일부 BIOS 라이터는 사용자 설정으로서 확산 스펙트럼 클럭 생성을 비활성화하는 기능을 포함하므로 EMI 규제의 대상이 무효화됩니다.이는 허점으로 간주될 수 있지만 기본적으로 확산 스펙트럼이 활성화되어 있는 한 일반적으로 간과됩니다.

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메모들

  1. ^ Torrieri, Don (2018). Principles of Spread-Spectrum Communication Systems, 4th ed.
  2. ^ a b David Kahn, How I Discovered the Greatest Spy and Other Stories of Intelligence and Code, CRC Press - 2014, 157-158페이지
  3. ^ Tony Rothman, 주파수 호핑 무작위 경로, 미국 과학자, 2019년 1월 - 2월, 107권, 1번, 46페이지 americanscientist.org
  4. ^ Jonathan Adolf Wilhelm Zenneck, Wireless Telegraphy, McGraw-Hill Book Company, Incorporated, 1915, 331페이지
  5. ^ 데니스 윈터, 헤이그의 명령 - 재평가
  6. ^ Danilewicz는 나중에 다음과 같이 회상했다: "1929년, 우리는 비밀 무선 전신을 위한 내 디자인의 장치를 총참모부에 제안했지만, 다행히 받아들여지지 않았다. 왜냐하면 그것은 송신기 주파수의 끊임없는 변화로 이루어진 정말로 야만적인 생각이었기 때문이다.그러나 위원회는 모델 실행과 추가 작업에 대한 격려로 5,000 즈워티를 승인하는 것이 적절하다고 생각했습니다."브와디스와프 코작주크에서 인용한 에니그마: 독일 기계 암호는 어떻게 깨졌고, 제2차 세계대전에서 연합군에 의해 어떻게 읽혔는지, 1984년, 페이지 27.
  7. ^ Ari Ben-Menahem, 자연 및 수리과학 역사 백과사전, 1권, 스프링거 과학 & 비즈니스 미디어 - 2009, 4527-4530 페이지
  8. ^ 미국 전자파 소음 및 전계 강도 계측 표준, 10Hz ~ 40GHz—사양, ANSI C63.2-1996, 섹션 8.2 전체 대역폭

원천

외부 링크