スペクトラム拡散

電気通信、特に無線通信において、拡散スペクトルとは、特定の帯域幅で生成された信号 （例：電気、電磁、音響）を、周波数領域においてより広い周波数帯域に意図的に拡散させる技術です。拡散スペクトル技術は、安全な通信の確立、自然干渉、ノイズ、妨害電波への耐性の向上、検出の防止、電力束密度の制限（例：衛星ダウンリンク）、および多重アクセス通信の実現に使用されます。

通信

スペクトラム拡散は、通常、狭帯域の情報信号を比較的広帯域（無線）の周波数帯域に拡散するために、ノイズのような連続信号構造を利用する。受信機は受信した信号を相関させて元の情報信号を復元する。当初、この技術には2つの目的があった。敵の通信妨害への抵抗（アンチジャミング、AJ）と、通信が行われているという事実を隠すこと（低傍受確率（LPI）と呼ばれることもある）である。[ 1 ]

周波数ホッピング拡散スペクトル（FHSS）、直接拡散スペクトル（DSSS）、時間ホッピング拡散スペクトル（THSS）、チャープ拡散スペクトル（CSS）、そしてこれらの技術の組み合わせは、拡散スペクトルの形態です。最初の2つの技術は、疑似乱数発生器を用いて生成された疑似乱数列を用いて、割り当てられた帯域幅全体にわたる信号の拡散パターンを決定・制御します。無線規格IEEE 802.11は、無線インターフェースにおいてFHSSまたはDSSSのいずれかを使用します。

  • 1940年代から知られ、1950年代から軍事通信システムで使用されている技術は、無線信号を最低要件よりも数桁高い広い周波数範囲に「拡散」します。スペクトラム拡散の基本原理は、ノイズのような搬送波を使用することであり、その名の通り、同じデータレートで単純なポイントツーポイント通信に必要な帯域幅よりもはるかに広い帯域幅を実現します。
  • 妨害（干渉）に対する耐性。直接拡散（DS）方式は連続時間狭帯域妨害への耐性に優れており、周波数ホッピング（FH）方式はパルス妨害への耐性に優れています。DSシステムでは、狭帯域妨害が検出性能に与える影響は、妨害電力が信号帯域幅全体に分散している場合と同程度で、その場合、妨害電力は背景ノイズよりもそれほど強くならないことがよくあります。一方、信号帯域幅が狭い狭帯域システムでは、妨害電力が信号帯域幅に集中すると、受信信号品質が著しく低下します。
  • 盗聴に対する耐性。拡散シーケンス（DSシステムの場合）または周波数ホッピングパターン（FHシステムの場合）は、信号の受信意図がない人には分からないことが多く、その場合、信号が隠蔽され、攻撃者が解読できる可能性が低くなります。さらに、特定のノイズ電力スペクトル密度（PSD）の場合、拡散前のビットあたりのエネルギー量は狭帯域システムと同量で、したがって拡散前のビットレートが同じであれば電力も同じですが、信号電力が広い帯域幅に拡散されるため、信号PSDははるかに低く（多くの場合、ノイズPSDよりも大幅に低い）、攻撃者は信号が存在するかどうかを判断できない可能性があります。ただし、ミッションクリティカルなアプリケーション、特に市販の無線を使用するアプリケーションでは、少なくとも長い非線形拡散シーケンスを使用し、メッセージを暗号化しない限り、拡散スペクトル無線は適切なセキュリティを提供できません。
  • フェージング耐性。スペクトラム拡散信号が占める広い帯域幅は、ある程度の周波数ダイバーシティを提供します。つまり、信号が全帯域幅にわたって深刻なマルチパスフェージングに遭遇する可能性は低いです。直接拡散方式では、レーキ受信機を用いて信号を検出できます。
  • 多元接続機能。CDMA （コード分割多元接続）またはCDM（コード分割多重化）とも呼ばれます。複数のユーザーが異なる拡散シーケンスを使用することで、同じ周波数帯域で同時に送信できます。

周波数ホッピングの発明

無線通信における干渉を防ぎ、回避しようとする考え方は、電波信号の黎明期にまで遡ります。1899年、グリエルモ・マルコーニは干渉を最小限に抑える試みとして、周波数選択受信の実験を行いました。[ 2 ]周波数ホッピングの概念はドイツのラジオ会社テレフンケンによって採用され、ニコラ・テスラが1903年に取得した米国特許の一部にも記載されています。[ 3 ] [ 4 ]ラジオのパイオニアであるジョナサン・ツェネックが1908年に出版したドイツ語の著書『Wireless Telegraphy』では、このプロセスについて説明されており、テレフンケンが以前からこの技術を使用していたことが記されています。[ 2 ]第一次世界大戦ではドイツ軍によって限定的に使用され、[ 5 ] 1929年にポーランドの技術者レナード・ダニレヴィッツによって提案され、 [ 6 ] 1930年代にウィレム・ブロエルチェスによって特許（米国特許1,869,659、 1932年8月2日発行）に登場し、 SIGSALYと呼ばれる極秘の第二次世界大戦時の米国陸軍通信部隊 通信システムに使用されました。

第二次世界大戦中、ハリウッドの黄金時代の女優ヘディ・ラマーと前衛作曲家ジョージ・アンタイルは、連合軍の魚雷に使用するための妨害電波に強い無線誘導システムを開発し、1942年8月11日に米国特許2,292,387 「秘密通信システム」として特許を取得しました。彼らのアプローチは、周波数調整を紙製のピアノロールで行うという点で独特でしたが、実用化されることはありませんでした。[ 7 ]

クロック信号生成

最新のスイッチング電源のスペクトラム拡散波形（加熱期間）と、ウォーターフォール波形を数分間記録した。NF-5030 EMCアナライザで記録。

拡散スペクトラムクロック生成（SSCG）は、一部の同期デジタルシステム、特にマイクロプロセッサを搭載したシステムで使用され、これらのシステムが生成する電磁干渉（EMI）のスペクトル密度を低減します。同期デジタルシステムはクロック信号によって駆動され、その周期的な性質上、周波数スペクトルが必然的に狭くなります。実際、完璧なクロック信号は、そのエネルギーの全てが単一の周波数（目的のクロック周波数）とその高調波に集中しているはずです。

背景

実際の同期デジタル システムは、クロック周波数とその高調波に広がる多数の狭帯域で電磁エネルギーを放射し、その結果、特定の周波数で電磁干渉の規制制限 (米国のFCC 、日本のJEITA 、欧州のIECなど) を超える周波数スペクトルが生じることがあります。

スペクトラム拡散クロッキングは、放射エネルギーのピーク値を低減し、ひいては電磁放射を低減することでこの問題を回避し、電磁両立性（EMC）規制に準拠します。機器の簡単な改造のみで済むため、規制当局の承認を得るための一般的な手法となっています。携帯型電子機器では、クロック速度の高速化と、高解像度LCDディスプレイの小型化が進む中で、スペクトラム拡散クロッキングはさらに普及しています。これらの機器は軽量かつ低価格に設計されているため、コンデンサや金属シールドといった従来の受動的な電子的EMI低減対策は有効ではありません。このような場合には、スペクトラム拡散クロッキングのような 能動的なEMI低減手法が求められます。

方法

PCIe、USB 3.0、SATAシステムでは、低周波信号源を用いた周波数変調によるダウンスプレッディングが最も一般的な手法です。 [ 8 ]スペクトラム拡散クロックは、他の種類の動的周波数変更と同様に、設計者にとって課題となる可能性があります。主な課題は、クロック/データのずれ、つまりクロックスキューです。受信側の位相同期回路は、スペクトラム拡散クロックを正しく追跡するために十分な帯域幅を必要とします。[ 9 ]

SATAレシーバーではSSC互換性が必須であるにもかかわらず[ 10 ]、拡張チップがそのようなクロックを扱う際に問題を抱えることは珍しくありません。そのため、コンピュータシステムにおいてスペクトラム拡散クロックを無効にする機能は有用であると考えられています。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]

効果

この方法では総放射エネルギーは削減されないため、システムが干渉を引き起こす可能性が必ずしも低くなるわけではないことに注意してください。エネルギーをより広い帯域幅に拡散すると、狭い帯域幅内の電気的および磁気的測定値が効果的に削減されます。EMC試験機関で使用される一般的な測定受信機は、電磁スペクトルを約120kHz幅の周波数帯域に分割します。[ 14 ]試験対象のシステムがすべてのエネルギーを狭い帯域幅で放射すると、大きなピークが記録されます。この同じエネルギーをより広い帯域幅に分散すると、システムが法定制限を超えるほどのエネルギーを1つの狭帯域に投入するのを防ぎます。実際の干渉問題を軽減する手段としてのこの方法の有用性はしばしば議論されています。[ 9 ]これは、スペクトラム拡散クロックがEMC法規または認証手順の抜け穴を単純に利用することで、高放射エネルギー問題を解決するのではなく、隠蔽していると考えられているためです。この状況により、狭い帯域幅に敏感な電子機器が受ける干渉は大幅に減少しますが、広帯域感度を持つ電子機器や、他のより高い周波数で動作する電子機器（別の放送局に同調したラジオ受信機など）は、より多くの干渉を受けることになります。

FCC認証試験は、測定された放射を法的許容限度内に抑えるため、スペクトラム拡散機能を有効にした状態で実施されることが多い。しかし、場合によっては、ユーザーがスペクトラム拡散機能を無効にできることもある。例えば、パーソナルコンピュータの分野では、一部のBIOSライタにスペクトラム拡散クロック生成をユーザー設定で無効にする機能が組み込まれており、EMI規制の目的に反する場合がある。これは抜け穴と見なされる可能性もあるが、スペクトラム拡散がデフォルトで有効になっている限り、通常は見過ごされる。

参照

注記

  1. ^ Torrieri, Don (2018).拡散スペクトル通信システムの原理, 第4版.
  2. ^ a bカーン、デイヴィッド（2014年1月17日）。『第二次世界大戦の偉大なスパイと諜報・暗号の物語』 CRCプレス。ISBN 97814665619912022年11月9日閲覧– Googleブックス経由。
  3. ^トニー・ロスマン「周波数ホッピングへのランダムパス」アメリカン・サイエンティスト、2019年1月～2月号、第107巻、第1号、46ページ americanscientist.org
  4. ^ジョナサン・アドルフ・ヴィルヘルム・ゼンネック著『無線電信』、マグロウヒル・ブック・カンパニー、1915年、331ページ
  5. ^デニス・ウィンター『ヘイグの命令 - 再評価』
  6. ^ダニレヴィチは後にこう回想している。「1929年、私は秘密無線通信用の装置を参謀本部に提案したが、幸いなことに採用されなかった。送信周波数を絶えず変更するという、実に野蛮なアイデアだったからだ。しかし、委員会は私に試作品の製作費と更なる研究への奨励金として5,000ズウォティを支給してくれた。」ヴワディスワフ・コザチュク著『エニグマ』（1984年、27ページ）より引用。
  7. ^アリ・ベン・メナヘム著『自然科学と数学の歴史百科事典』第1巻、シュプリンガー・サイエンス＆ビジネス・メディア - 2009年、4527-4530ページ
  8. ^「拡散スペクトラムクロッキング」。Microsemi 。
  9. ^ a b Item Media (2013年3月19日). 「スペクトラム拡散クロック生成 - 理論と議論」 .干渉技術.
  10. ^ 「CATC SATracer / Trainer アプリケーションノート：拡散スペクトラムクロッキング」（PDF） . CATC . 2003年7月2日. 2023年5月20日閲覧。
  11. ^ Western Digital Raid Edition III HDD に関する RAID コントローラーの詳細(Thomas Krenn Wiki)
  12. ^ Intel Speichersystem SS4000-E: Western Digital WD2500JS SATA に関するイベントプラッテン、最新情報。ウォラン・リーグ・ダス？ (インテル リセラー センター)
  13. ^ SSC トグルユーティリティ – Barracuda 7200.9 at the Wayback Machine (アーカイブ 2010-04-29) (Seagate Knowledge Base)
  14. ^電磁ノイズおよび電界強度計測器に関する米国国家規格、10 Hz～40 GHz—仕様、ANSI C63.2-1996、セクション8.2 全体帯域幅

出典

「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Spread_spectrum&oldid=1312262566」より取得