The technology of frequency-hopping spread spectrum
Frequency-hopping spread spectrum ( FHSS ) is a method of transmitting radio signals by rapidly switching a carrier among many frequency channels , using a pseudorandom sequence known to both transmitter and receiver . 。 It is utilized as a multiple access method in the frequency-hopping code division multiple access (FH-CDMA) scheme.
A spread-spectrum transmission offers three main advantages over a fixed-frequency transmission:
1.Spread-spectrum signals are highly resistant to narrowband interference . The process of re-collecting a spread signal spreads out the interfering signal, causing it to recede into the background.
2. Spread-spectrum signals are difficult to intercept. An FHSS signal simply appears as an increase in the background noise to a narrowband receiver. An eavesdropper would only be able to intercept the transmission if the pseudorandom sequence was known.
3. Spread-spectrum transmissions can share a frequency band with many types of conventional transmissions with minimal interference. The spread-spectrum signals add minimal noise to the narrow-frequency communications, and vice versa. As a result, bandwidth can be utilized more efficiently.
History
Frequency hopping The concept of frequency hopping was first alluded to in the 1903 US Patent 723,188 and US Patent 725,605 filed by Nikola Tesla in July 1900. Tesla came up with the idea after demonstrating the worlds first radio-controlled submersible boat in 1898, when it became apparent the wireless signals controlling the boat needed to be secure from 'being disturbed, intercepted, or interfered with in any way.' His patents covered two fundamentally different techniques for achieving immunity to interference, both of which functioned by altering the carrier frequency or other exclusive characteristic.The first had a transmitter that worked simultaneously at two or more separate frequencies and a receiver in which each of the individual transmitted frequencies had to be tuned in, in order for the control circuitry to respond. The second technique used a variable-frequency transmitter controlled by an encoding wheel that altered the transmitted frequency in a predetermined manner. These patents describe the basic principles of frequency hopping and frequency-division multiplexing, and also the electronic AND-gate logic circuit.
Frequency hopping is also mentioned in radio pioneer Jonathan Zenneck s book Wireless Telegraphy (German, 1908, English translation McGraw Hill, 1915), although Zenneck himself states that Telefunken had already tried it several years earlier. Zennecks book was a leading text of the time, and it is likely that many later engineers were aware of it.The German military made limited use of frequency hopping for communication between fixed command points in World War I to prevent eavesdropping by British forces, who did not have the technology to follow the sequence.A Polish engineer, Leonard Danilewicz , came up with the idea in 1929. Several other patents were taken out in the 1930s, including one by Willem Broertjes (Germany 1929, US Patent 1,869,695 , 1932). During World War II , the US Army Signal Corps was inventing a communication system called SIGSALY for communication between Roosevelt and Churchill, which incorporated spread spectrum, but due to its top secret nature, SIGSALYs existence did not become known until the 1980s.
The most celebrated invention of frequency hopping was that of actress Hedy Lamarr and composer George Antheil , who in 1942 received US Patent 2,292,387 for their 'Secret Communications System'. Lamarr had learned at defense meetings she had attended with her former husband Friedrich Mandl that radio-guided missiles signals could easily be jammed. The Antheil–Lamarr version of frequency hopping used a piano-roll to change among 88 frequencies, and was intended to make radio-guided torpedoes harder for enemies to detect or to jam.The patent came to light during patent searches in the 1950s when ITT Corporation and other private firms began to develop Code Division Multiple Access (CDMA), a civilian form of spread spectrum, though the Lamarr patent had no direct impact on subsequent technology. It was in fact ongoing military research at MIT Lincoln Laboratory , Magnavox Government amp; Industrial Electronics Corporation, ITT and Sylvania Electronic Systems that led to early spread-spectrum technology in the 1950s.Parallel research on radar systems and a technologically similar concept called 'phase coding' also had an impact on spread-spectrum development.
Military use
Spread-spectrum signals are highly resistant to deliberate jamming , unless the adversary has knowledge of the spreading characteristics. Military radios use cryptographic techniques to generate the channel sequence under the control of a secret Transmission Security Key ( TRANSEC ) that the sender and receiver share in advance.
By itself, frequency hopping provides only limited protection against eavesdropping and jamming. There is a simple algorithm that effectively discovers the sequence of frequencies. To get around this weakness most modern military frequency hopping radios employ separate encryption devices such as the KY-57 . US military radios that use frequency hopping include the JTIDS/MIDS family, HAVE QUICK and SINCGARS .
Civilian use
Since the Federal Communications Commission (FCC) amended rules to allow frequency hopping spread spectrum systems in the unregulated 2.4 GHz band, many consumer devices in that band have employed various spread-spectrum modes.
Some walkie-talkies that employ frequency-hopping spread spectrum technology have been developed for unlicensed use on the 900 MHz band. Several such radios are marketed under the name eXtreme Radio Service (eXRS). Despite the names similarity
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跳频扩频技术
跳频扩频（FHSS）的传输无线电信号，通过快速切换方法的载波频率在许多渠道 ，使用伪随机序列发射器和接收器 。 它是利用作为多址接入方法在跳频码分多址接入 （FH-CDMA）的计划。
扩频传输提供一个固定的频率传输的三个主要优点：
1.扩频信号是高抗窄带干扰 。重新收集传播信号的过程中展开的干扰信号，使其回落到后台。
2.扩频信号是难以拦截。一个跳频信号只出现在窄带接收机的背景噪声的增加。窃听者只能够拦截传输，如果被称为伪随机序列。
3.扩频传输，可以与许多传统的传输类型的频带，以最小的干扰。扩频信号加噪音极小狭窄的高频通信，反之亦然。作为一个结果，可以更有效地利用带宽。
历史
跳频的概念跳频首次提到在1903年美国专利723188 美国专利725605 特斯拉在1900年7月。特斯拉来到展示了世界上第一个无线电遥控潜水船在1898年，当它成为明显的控制无线信号的船需要的是从安全“受到干扰，拦截，或以任何方式干预后的想法。” 他的专利涉及两个根本不同的技术实现的抗干扰能力，这两个的作用，通过改变载波的频率或其他专属特性。首先有一个发射器，同时在两个或两个以上的不同频率和一个接收器，在每一个人的传播频率进行调整，为了控制电路响应，工作。第二种方法使用可变频率的发射器，由一个编码轮，在预定的方式改变发射频率控制。这些专利描述跳频频率的基本原则和频分复用，电子与门的逻辑电路。
跳频无线电先驱乔纳森Zenneck的书无线电报 （德国，1908年，英文翻译McGraw Hill出版社，1915）也提到，虽然Zenneck自己指出， 德律风根已经尝试过了几年前。zenneck的书是一个时间领先的文本，它是可能的，许多后来的工程师们意识到这一点。德国军队在第一次世界大战中，英国的力量，没有技术，按照顺序，以防止窃听有限使用固定指挥点之间的通信跳频。一位波兰工程师， 伦纳德Danilewicz ，来到了在1929年的想法。在20世纪30年代被其他几个专利，包括一个由威廉Broertjes（德国1929年， 美国专利1869695 ，1932年）。第二次世界大战期间，美国陆军通信兵发明了一种称为SIGSALY罗斯福和丘吉尔之间，其中纳入扩频通信的通信系统，但由于其绝密性质，SIGSALY的存在并没有成为直到20世纪80年代闻名。
跳频频率最有名的发明是七喜拉马尔和作曲家乔治·安太尔 ，于1942年获得美国专利2292387为他们的“秘密通讯系统”的女主角。拉马尔学会了在国防她与她的前夫出席会议弗里德里希·曼德尔认为，无线电制导导弹的信号很容易被卡住。安太尔拉马尔版本频率跳频采用了钢琴辊，其中88频率改变，旨在使无线电制导鱼雷的敌人更难检测或堵塞。该专利在专利检索来点亮时， ITT公司和其他私人公司开始开发拉马尔专利虽然没有直接影响到后续技术的码分多址 （CDMA）的的扩频平民的形式，在20世纪50年代。这是在事实上正在进行的军事研究，在麻省理工学院林肯实验室 ， MAGNAVOX政府及工业电子公司，ITT公司和Sylvania的电子系统 ，导致在20世纪50年代早期的扩频技术。雷达系统和技术上称为“相类似的概念，编码”的平行研究也有一个扩频发展的影响。
军事用途
扩频信号具有很强的耐蓄意干扰 ，除非对手有知识的传播特性。 军事无线电使用加密技术，产生控制下的一个秘密通道序列传输的安全性金钥 （TRANSEC），发送者和接收者份额推进。
跳频本身，只提供有限的保护，防止窃听和干扰。有一个简单的算法，有效地发现序列的频率。要解决这个弱点，最现代化的军事跳频电台聘请独立的加密设备如KY-57 。 美国军用无线电设备使用跳频包括JTIDS / MIDS的家庭， 有快速和SINCGARS 。
民用
由于美国联邦通信委员会 （FCC）的修订规则，以允许在不受管制的2.4 GHz频段的跳频扩频系统，在这一带的许多消费电子设备采用不同的扩频模式。
已经制定了无牌使用900兆赫频段，采用跳频扩频技术的一些步话机 。几个这样的收音机销售的名义下的极端无线电服务 （eXRS）。尽管名称相似的FRS分配，该系统是一个专有的设计，而不是正式的美国联邦通信委员会（FCC）分配服务。
商业用途
扩频系统 1976年由罗伯特·狄克逊，出版书号0-471-21629-1 ，是这项技术的商业化的一个重要的里程碑。以前的出版物，要么归入军事报告或学术论文在狭窄的副标题。狄克逊的书是第一个全面的技术非保密审查，并为增加科研投入商业应用的阶段。
最初的扩频商业用途开始在20世纪80年代在美国三大体系：赤道几内亚通信系统是非常小的光圈（ VSAT ）卫星终端系统为飞机导航报纸新闻专线服务，德尔北技术的无线电导航系统除尘作物和类似用途的，和高通公司的OmniTRACS系统通信车。在高通和赤道几内亚系统，扩频启用以来，观看多个卫星小天线，扩频处理增益，消除干扰。城北系统采用扩频的高带宽，提高定位精度。
1981年，美国联邦通信委员会开始探索在调查案卷的通知，允许一般民用扩频。这案卷，提出了FCC和FCC的工作人员由迈克尔·马库斯然后定向。立案的提案频谱使用者和无线电设备制造商的普遍反对，虽然他们支持的惠普公司，由当时的实验室组，支持该建议，以后将成为部分安捷伦 。
1985年5月决定允许在此案卷3阶权力扩频未经许可使用1瓦。FCC当时表示，它欢迎在扩频的额外请求其他bands.The导致成文的规则，现在为47 CFR 15.247 允许的Wi-Fi ， 蓝牙 ，和许多其他产品，包括无绳电话。这些规则，然后将其复制在其他许多国家。.高通公司CDMA的商业化的决定后2个月内成立。
技术的考虑
跳频所需的总带宽是远远超过传输所需的更广泛的信息只使用一个载波频率 。 然而，由于传输只发生在任何特定时间的一小部分在此带宽，有效的干扰带宽是真的一样。虽然热噪声对宽带没有提供额外的保护，跳频方式减少窄带干扰所造成的退化。
跳频系统的挑战之一是同步发射器和接收器。 一种方法是有保证的发射机将使用在一个固定的时间内的所有通道。接收器可以找到发射机挑选一个随机的信道和监听该通道上的有效数据。变送器的数据是由一个特殊的数据序列，这是不可能发生在此通道和段可以有一个数据段的校验，完整性和进一步鉴定确认。 发射器和接收器，可以使用固定的信道序列表，因此，一旦同步，他们可以按照表保持沟通。每个通道上段，变送器可以在表发送其当前位置。
在美国， FCC第15部分无牌制度，在900兆赫和2.4千兆赫频段，允许更多比非扩频系统的电源。跳频和直接序列系统可以在1瓦传输。限额增加1毫瓦至1瓦或增加千倍。 美国联邦通信委员会 （FCC）的规定的渠道和最大的停留时间，为每个通道的最低数量。
在一个真正的多点广播系统，空间允许多个相同的频率上传输可能使用多个无线电在一个地理区域。 创建系统的数据传输速率高于渠道单一的香农极限的可能性。扩频系统不违反Shannon极限。扩频系统依靠过剩的信号信噪比的频谱共享。这个属性也可以看到MIMO和DSSS系统中波束定向天线，也有利于提高系统性能，提供远程无线电通讯设备之间的隔离。
技术称为20世纪40年代以来，自20世纪50年代，在军事通信系统中使用的“扩散”，在较宽的频率范围比最低要求高出几个数量级的无线电信号。使用类似于噪声的载波扩频的核心原则是，顾名思义，带宽远远超过简单的点至点的通讯需要，在相同的数据速率广泛。
DS（直接序列）是更好的抗窄带干扰的连续时间，而跳频（跳频）是在抗脉冲干扰。 在DS系统，窄带干扰影响检测性能一样多，如果干扰功率量在整个信号带宽，传播时，往往会不会有太大的比背景噪声强。 相比之下，在信号带宽是低的窄带系统，接收信号的质量将受到严重的干扰功率降低，如果发生信号带宽集中。
抗窃听的传播代码（DS系统）或的频率，跳频模式（FH系统）是经常未知任何对他们的信号是意想不到的，在这种情况下，“加密”信号，并降低对手的决策意识的机会它。此外，对于一个给定的噪声功率谱密度 （PSD）扩频系统需要窄带系统，因此如果之前传播的比特率是相同的功率相同金额的蔓延之前，每比特的相同数量的能量，但由于信号传播的力量是在一个大的带宽，信号的PSD要低得多 - 往往比噪声PSD明显降低 - 可能使对手无法确定是否存在于所有的信号。然而，对于关键任务应用，特别是那些采用市售无线电，扩频无线电没有本质提供足够的安全性。“......只用扩频无线电本身是没有足够的通信安全”
耐褪色 。扩频信号占用高带宽提供某些频率的多样性，即它是不太可能的信号会遇到严重的多径超过其整个带宽的衰落，而在其他情况下，可以检测到的信号，如使用Rake接收机 。
多址接入能力。多个用户可以同时传送相同的频率（范围），只要他们使用不同的扩频码。看到CDMA的 。
跳频变化
自适应频率跳频扩频（AHF）（使用蓝牙 ），提高抗射频干扰，避免拥挤的频率使用的跳频序列。这种自适应传输比实施更容易与跳频扩频 。
AFH的背后的关键思想是使用只有“好”的频率，以避免“坏”的频率，频道，也许那些“坏”频道正在经历频率选择性衰落 ，或者一些第三方试图对这些频段通信，或者那些乐队正在积极卡住。因此，人力资源管理司应辅之以一个好/坏的渠道检测机制。
然而，如果无线电频率的干扰本身是动态的，那么“坏通道清除”应用在人力资源管理司，战略可能无法正常工作。例如，如果有几个同位网络跳频（蓝牙微微网 ），然后他们相互干扰和AFH的战略失败，以避免这种干扰。
在这种情况下，有必要使用跳频模式的动态适应的战略。这种情况可以使用授权频谱中的场景，经常发生。
此外，动态无线电频率干扰，预计将出现在有关情况下认知无线电网络和设备应表现出敏捷的频率操作。
调频调制可以被看作是一种跳频，仅仅通过连续顺序的可用频率扫描。
GSM蜂窝系统采用跳频，频率交织的形式，在视图，以避免这两个相邻的单元格的电话不断互相干扰。然而，这是不考虑扩频，因为在同一单元格的两个电话中从来不使用相同的频率。
扩频时钟信号的产生
扩频时钟发生器（SSCG）是用来在一些同步数字系统 ，尤其是那些含有微处理器，以减少这些系统产生的电磁干扰 （EMI）的谱密度。同步数字系统是由一个时钟信号，因为其周期性质，有一个不可避免的窄频谱。事实上，一个完美的时钟信号，将其所有的能量集中在一个单一的频率及其谐波。实际同步数字系统窄波段上的时钟频率及其谐波传播，导致在频谱，在某些频率可以超过法规限制电磁干扰（例如那些辐射的电磁能量在美国FCC美国在日本和IEC ， JEITA ）在欧洲。
扩频时钟避免这个问题，通过使用前面描述的方法之一，以降低峰值辐射能量，因此，它的电磁辐射等符合电磁兼容性 （EMC）规定。
它已经成为一种流行的技术，因为它仅需要简单的设备改造，以获得监管部门批准。这是在便携式电子设备的更受欢迎，因为更快的时钟速度和更小的设备越来越多的高清晰度液晶显示器集成。由于这些设备的设计是重量轻，价格低廉，传统的被动式，电子措施，以降低EMI，如电容器或金属屏蔽，是不是可行。 有源EMI降低技术，如扩频时钟在这些情况下需要。
然而，扩频时钟，也可以为设计师创造的挑战。其中主要是时钟/数据不对，或时钟歪斜 【扩大如何发生这种情况，或参考另一篇文章。】
请注意，这种方法不会减少总辐射能量，因此，系统不一定是不太可能会造成干扰。遍布更大的带宽能有效地降低窄带内的电和磁的读数。典型的测量接收机 EMC测试实验室所使用的电磁频谱分成约120千赫宽的频带。如果被测系统的辐射都在窄带宽的能源，它会注册一个大的高峰。分发到一个更大的带宽相同的能量，防止把任何一个窄带超过法定限度的足够的能量系统。这种方法作为一种手段，以减少干扰的有效性经常辩论，因为它被认为扩频时钟隐藏，而不是解决高辐射的能源问题，在EMC立法或认证程序简单的漏洞剥削。这种情况的结果，在窄带宽（S），经历了干扰少，敏感的电子设备，而宽带的敏感性，甚至在其他频率（如无线电接收机调谐到一个不同的站）经营者，会遇到更多的干扰。
FCC认证测试往往是为了启用，以减少测量排放量在可接受的法律限制的扩频功能完成。然而，扩频功能可以由用户在某些情况下被禁用。作为一个例子，在个人电脑领域，某些BIOS作家包括能够为用户设置禁用扩频时钟发生器，从而击败了EMI规范的对象。这可能被视为一个漏洞 ，但一般只要忽视扩频是默认启用的。
禁用计算机系统中的扩频时钟的能力被认为是有用的， 超频 ，可以降低扩频最大时钟速度实现时钟歪斜 。
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