Программная перестройка рабочей частоты

Программная перестройка рабочей частоты (ППРЧ, англ. Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) — это метод передачи данных, при котором несущая частота сигнала периодически и псевдослучайно изменяется в соответствии с заранее заданным алгоритмом. Относится к классу технологий расширения спектра (Spread Spectrum) и используется для повышения помехоустойчивости, скрытности связи и эффективности использования радиочастотного спектра. Основная цель ППРЧ — сделать сигнал устойчивым к узкополосным помехам и перехвату, а также обеспечить одновременную работу множества пользователей в одной полосе частот.

История

Идея перестройки рабочей частоты для защиты радиосвязи впервые была предложена австрийским инженером Хуго Гернсбеком в 1908 году, однако практическая реализация стала возможной только с развитием электроники. Первую действующую систему ППРЧ разработала американская актриса и изобретатель Хеди Ламарр совместно с композитором Джорджем Антейлом. В 1942 году они получили патент на «Секретную систему связи» (Secret Communication System), которая использовала 88 частот, переключаемых с помощью перфорированной бумажной ленты. Патент был передан Военно-морским силам США, но технология не была внедрена в производство до 1960-х годов.

В 1950-х годах работы по ППРЧ активно велись в СССР. В 1957 году инженер Л. Е. Варакин предложил принцип псевдослучайной перестройки рабочей частоты для систем связи с кодовым разделением каналов. В 1960-х годах технология была применена в военных радиолиниях, таких как американская система JTIDS (Joint Tactical Information Distribution System) и советская система «Аквамарин». С 1980-х годов ППРЧ начала использоваться в гражданских системах связи, включая стандарт Bluetooth (1994 год) и Wi-Fi (IEEE 802.11, версия b/g/n с поддержкой FHSS). В 1990-х годах технология стала основой для систем сотовой связи стандарта CDMA (Code Division Multiple Access), где перестройка частоты используется для разделения абонентов.

Принцип работы

Основные этапы

Генерация псевдослучайной последовательности (ПСП). Передатчик и приёмник синхронизируются по общему алгоритму, который определяет порядок смены частот. ПСП может быть реализована с помощью регистров сдвига с линейной обратной связью (LFSR) или более сложных криптостойких генераторов.
Модуляция. Информационный сигнал модулирует несущую частоту, которая затем переключается в соответствии с ПСП. Обычно используются методы частотной манипуляции (FSK) или фазовой манипуляции (PSK).
Перестройка частоты. Частота изменяется с определённым интервалом — временем удержания (dwell time), которое может составлять от десятков микросекунд до нескольких миллисекунд. Количество доступных частот (каналов) варьируется от десятков до тысяч.
Демодуляция. Приёмник, зная ПСП, перестраивает свой гетеродин синхронно с передатчиком, выделяя информационный сигнал из последовательности частотных скачков.

Параметры

Скорость перестройки (hopping rate) — количество скачков частоты в секунду. Измеряется в hop/с. Для медленной ППРЧ скорость составляет менее 100 hop/с, для быстрой — более 1000 hop/с.
Полоса расширения — общая полоса частот, в которой происходит перестройка. Чем шире полоса, тем выше помехоустойчивость.
Количество каналов — число дискретных частот, используемых в последовательности. Увеличение числа каналов повышает скрытность.

Классификация

По скорости перестройки

Медленная ППРЧ (Slow FHSS). Скорость перестройки меньше скорости передачи символов. Один символ может передаваться на нескольких частотах. Используется в системах с низкой помеховой обстановкой, например, в Bluetooth.
Быстрая ППРЧ (Fast FHSS). Скорость перестройки выше скорости передачи символов. Один символ передаётся на нескольких частотах, что обеспечивает высокую помехоустойчивость. Применяется в военных системах, таких как SINCGARS (Single Channel Ground and Airborne Radio System).

По методу синхронизации

Синхронная ППРЧ. Передатчик и приёмник используют общий тактовый генератор и одинаковую ПСП. Требует точной временной синхронизации.
Асинхронная ППРЧ. Каждый узел сети имеет независимый генератор ПСП, но синхронизация достигается за счёт обмена служебными сигналами. Используется в сетях с большим количеством абонентов.

По типу доступа

FH-CDMA (Frequency Hopping Code Division Multiple Access). Каждому пользователю выделяется своя ПСП, что позволяет одновременно работать в одной полосе частот.
TDMA/FHSS (Time Division Multiple Access / FHSS). Комбинация временного и частотного разделения. Используется в стандарте GSM (Global System for Mobile Communications) для снижения интерференции.

Применение

Военная связь

ППРЧ является основой для большинства современных военных радиосистем благодаря высокой устойчивости к глушению и перехвату. Примеры:

SINCGARS (США) — тактическая радиосвязь с ППРЧ в диапазоне 30–88 МГц, скорость перестройки до 100 hop/с.
«Акведук» (Россия) — система связи с ППРЧ для Сухопутных войск, работающая в диапазоне 30–108 МГц.
JTIDS — система передачи данных для авиации, использующая ППРЧ в диапазоне 960–1215 МГц.

Гражданские системы

Bluetooth (IEEE 802.15.1). Работает в диапазоне 2,4 ГГц, использует 79 каналов с перестройкой 1600 hop/с. Обеспечивает помехоустойчивость в условиях зашумлённого ISM-диапазона.
Wi-Fi (IEEE 802.11 FHSS). Устаревшая версия стандарта, использовавшая 79 каналов в диапазоне 2,4 ГГц. В современных версиях (802.11a/g/n/ac/ax) применяется OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), но ППРЧ остаётся в спецификациях для некоторых режимов.
Спутниковая связь. Системы Iridium и Globalstar используют ППРЧ для повышения надёжности связи в условиях многолучевого распространения.

Навигация и радиолокация

GPS (Global Positioning System). Военные сигналы (P(Y)-код) используют ППРЧ для защиты от помех.
РЛС с ППРЧ. Применяются в системах противовоздушной обороны для снижения вероятности обнаружения и подавления.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Помехоустойчивость. Узкополосная помеха может поразить только один или несколько каналов, но не весь сигнал.
Скрытность. Сигнал, перестраивающийся по псевдослучайному закону, трудно обнаружить и перехватить без знания ПСП.
Устойчивость к многолучевости. Перестройка частоты снижает влияние замираний, вызванных отражениями сигнала.
Эффективность использования спектра. Множество пользователей могут одновременно работать в одной полосе частот при условии использования разных ПСП.

Недостатки

Сложность синхронизации. Требуется точная временная синхронизация передатчика и приёмника, что усложняет аппаратуру.
Задержка передачи. Время на перестройку частоты и синхронизацию увеличивает задержку сигнала.
Ограниченная скорость передачи. При высокой скорости перестройки снижается пропускная способность из-за потерь на переключение.
Уязвимость к атакам. Если злоумышленник знает ПСП, он может создать помеху на всех частотах одновременно (широкополосная помеха).

Интересные факты

Патент Хеди Ламарр и Джорджа Антейла был засекречен до 1957 года и не использовался в производстве. Сама Ламарр не получила за него финансового вознаграждения, но в 2014 году была включена в Национальный зал славы изобретателей США.
В СССР первая действующая система ППРЧ была создана в 1961 году для связи с подводными лодками. Она использовала 1000 частот в диапазоне 10–30 МГц.
В стандарте Bluetooth ППРЧ реализована с помощью адаптивного частотного планирования (Adaptive Frequency Hopping, AFH), которое исключает занятые каналы (например, работающие Wi-Fi-сети).

Источники

Варакин Л. Е. «Теория систем связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты». — М.: Связь, 1973.
Proakis J. G. «Digital Communications». — 5th ed. — McGraw-Hill, 2007.
IEEE Standard 802.15.1-2005. «Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Wireless Personal Area Networks (WPANs)».
Патент США № 2,292,387 «Secret Communication System» (Hedy Lamarr, George Antheil, 1942).
«Системы связи с программной перестройкой рабочей частоты» / Под ред. В. И. Борисова. — М.: Радио и связь, 1985.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →