Spectre à Saut de Frequence - Frequency-hopping spread spectrum

Le spectre étalé à sauts de fréquence ( FHSS ) est une méthode de transmission de signaux radio en changeant rapidement la fréquence porteuse parmi de nombreuses fréquences distinctes occupant une large bande spectrale. Les changements sont contrôlés par un code connu à la fois de l' émetteur et du récepteur . FHSS est utilisé pour éviter les interférences, pour empêcher l'écoute clandestine et pour permettre les communications à accès multiple par division de code (CDMA).

La bande de fréquence disponible est divisée en sous-bandes plus petites. Les signaux changent rapidement ("saut") leurs fréquences porteuses parmi les fréquences centrales de ces sous-bandes dans un ordre prédéterminé. Les interférences à une fréquence spécifique n'affecteront le signal que pendant un court intervalle.

FHSS offre quatre avantages principaux par rapport à une transmission à fréquence fixe :

Les signaux FHSS sont très résistants aux interférences à bande étroite car le signal saute vers une bande de fréquence différente.
Les signaux sont difficiles à intercepter si le modèle de saut de fréquence n'est pas connu.
Le brouillage est également difficile si le motif est inconnu ; un individu malveillant ne peut brouiller le signal que pendant une seule période de saut si la séquence d'étalement est inconnue.
Les transmissions FHSS peuvent partager une bande de fréquences avec de nombreux types de transmissions conventionnelles avec une interférence mutuelle minimale. Les signaux FHSS ajoutent un minimum d'interférences aux communications à bande étroite, et vice versa.

Utilisation militaire

Les signaux à spectre étalé sont très résistants au brouillage délibéré , à moins que l'adversaire ne connaisse le modèle de saut de fréquence. Les radios militaires génèrent le modèle de saut de fréquence sous le contrôle d'une clé secrète de sécurité de transmission (TRANSEC) que l'expéditeur et le récepteur partagent à l'avance. Cette clé est générée par des appareils tels que l' équipement de sécurité vocale KY-57 . Les radios militaires des États-Unis qui utilisent le saut de fréquence comprennent la famille JTIDS/MIDS, le système de communication mobile aéronautique HAVE QUICK et la radio SINCGARS Combat Net, Link-16 .

Utilisation civile

Aux États-Unis, depuis que la Federal Communications Commission (FCC) a modifié les règles pour autoriser les systèmes FHSS dans la bande 2,4 GHz non réglementée, de nombreux appareils grand public dans cette bande ont utilisé divers modes FHSS. eFCC CFR 47 partie 15.247 couvre les réglementations aux États-Unis pour les bandes 902-928 MHz, 2400-2483,5 MHz et 5725-5850 MHz, et les exigences pour les sauts de fréquence

Certains talkies-walkies utilisant la technologie FHSS ont été développés pour une utilisation sans licence sur la bande 900 MHz. La technologie FHSS est également utilisée dans de nombreux émetteurs et récepteurs de loisirs utilisés pour les modèles réduits de voitures, d'avions et de drones radiocommandés. Un type d'accès multiple est obtenu permettant à des centaines de paires d'émetteurs/récepteurs d'être exploitées simultanément sur la même bande contrairement aux précédents systèmes radiocommandés FM ou AM qui avaient des canaux simultanés limités.

Considérations techniques

La bande passante globale requise pour les sauts de fréquence est beaucoup plus large que celle requise pour transmettre la même information en utilisant une seule fréquence porteuse . Cependant, étant donné que la transmission ne se produit que sur une petite partie de cette bande passante à un moment donné, la bande passante d'interférence instantanée est vraiment la même. Tout en n'offrant aucune protection supplémentaire contre le bruit thermique à large bande , l'approche par sauts de fréquence réduit la dégradation causée par les sources d'interférences à bande étroite.

L'un des défis des systèmes à sauts de fréquence est de synchroniser l'émetteur et le récepteur. Une approche consiste à avoir la garantie que l'émetteur utilisera tous les canaux dans un laps de temps déterminé. Le récepteur peut alors trouver l'émetteur en choisissant un canal au hasard et en écoutant des données valides sur ce canal. Les données de l'émetteur sont identifiées par une séquence spéciale de données qui est peu susceptible de se produire sur le segment de données pour ce canal, et le segment peut également avoir une somme de contrôle pour le contrôle d'intégrité et une identification ultérieure. L'émetteur et le récepteur peuvent utiliser des tables fixes de schémas de sauts de fréquence, de sorte qu'une fois synchronisés, ils puissent maintenir la communication en suivant la table.

Aux États-Unis, la partie 15 de la FCC sur les systèmes à étalement de spectre sans licence dans les bandes 902-928 MHz et 2,4 GHz autorise plus de puissance que ce qui est autorisé pour les systèmes sans étalement de spectre. Les systèmes à spectre étalé à séquence directe et à spectre étalé (DSSS) peuvent tous deux transmettre à 1 watt, une augmentation de mille fois par rapport à la limite de 1 milliwatt sur les systèmes à spectre sans étalement. La Federal Communications Commission (FCC) prescrit également un nombre minimum de canaux de fréquence et un temps de séjour maximum pour chaque canal.

Plusieurs inventeurs

En 1899, Guglielmo Marconi a expérimenté la réception sélective en fréquence dans le but de minimiser les interférences.

Les premières mentions de sauts de fréquence dans la littérature ouverte se trouvent dans le brevet américain 725 605 attribué à Nikola Tesla le 17 mars 1903, et dans le livre du pionnier de la radio Jonathan Zenneck , Wireless Telegraphy (allemand, 1908, traduction anglaise McGraw Hill, 1915), bien que Zenneck déclare lui-même que Telefunken l' avait déjà essayé. Nikola Tesla ne mentionne pas directement l'expression « saut de fréquence », mais y fait certainement allusion. Intitulé Method of Signaling , le brevet décrit un système qui permettrait la communication radio sans aucun danger que les signaux ou les messages soient perturbés, interceptés, perturbés de quelque manière que ce soit .

L'armée allemande a fait un usage limité des sauts de fréquence pour la communication entre les points de commandement fixes pendant la Première Guerre mondiale afin d'éviter les écoutes clandestines par les forces britanniques, qui n'avaient pas la technologie pour suivre la séquence. Le livre de Jonathan Zenneck Wireless Telegraphy a été publié à l'origine en allemand en 1908, mais a également été traduit en anglais en 1915 lorsque l'ennemi a commencé à utiliser le saut de fréquence sur la ligne de front. Zenneck était un physicien et ingénieur électricien allemand qui s'était intéressé à la radio en assistant à des conférences Tesla sur les «sciences sans fil». La télégraphie sans fil comprend une section sur les sauts de fréquence et, comme elle est devenue un texte standard pendant de nombreuses années, elle a probablement présenté la technologie à une génération d'ingénieurs.

Un ingénieur et inventeur polonais , Leonard Danilewicz , a eu l'idée en 1929. Plusieurs autres brevets ont été déposés dans les années 1930, dont un par Willem Broertjes ( brevet américain 1 869 659 , délivré le 2 août 1932).

Pendant la Seconde Guerre mondiale , l' US Army Signal Corps inventait un système de communication appelé SIGSALY , qui incorporait un spectre étalé dans un contexte de fréquence unique. Cependant, SIGSALY était un système de communication top secret, son existence n'a donc été connue que dans les années 1980.

En 1942, l'actrice Hedy Lamarr et le compositeur George Antheil ont reçu le brevet américain 2 292 387 pour leur "Secret Communications System", une première version du saut de fréquence utilisant un rouleau de piano pour changer parmi 88 fréquences afin de rendre les torpilles radioguidées plus difficiles à détecter ou à brouiller pour les ennemis. , il a été rejeté par l'US Navy puis saisi comme « propriété étrangère » en 1942 (Lamarr était autrichien) mais classé sans trace d'un appareil en état de marche. L'idée de Lamarr et Antheil a été redécouverte dans les années 1950 lors de recherches de brevets lorsque des entreprises privées développaient indépendamment l' accès multiple par répartition de code à séquence directe , une forme d'étalement de spectre sans saut de fréquence, et a été citée à de nombreuses reprises depuis. En 1957, les ingénieurs de la division Sylvania Electronic Systems ont adopté le concept breveté, combiné au transistor récemment inventé. En 1962, l'US Navy a finalement utilisé la technologie pendant la crise des missiles de Cuba ; Le brevet de Lamarr et Antheil avait depuis expiré.

Une application pratique du saut de fréquence a été développée par Ray Zinn , co-fondateur de Micrel Corporation. Zinn a développé une méthode permettant aux appareils radio de fonctionner sans avoir besoin de synchroniser un récepteur avec un émetteur. Utilisant des modes de saut de fréquence et de balayage, la méthode de Zinn est principalement appliquée dans les applications sans fil à faible débit de données telles que la mesure des services publics, la surveillance et la mesure des machines et des équipements et la commande à distance. En 2006, Zinn a reçu le brevet américain 6 996 399 pour son « dispositif et méthode sans fil utilisant des modes de saut de fréquence et de balayage ».

Variantes

Le spectre étalé à saut de fréquence adaptatif ( AFH ) tel qu'il est utilisé dans Bluetooth améliore la résistance aux interférences de radiofréquence en évitant les fréquences encombrées dans la séquence de saut. Ce type de transmission adaptative est plus facile à mettre en œuvre avec FHSS qu'avec DSSS .

L'idée clé derrière AFH est d'utiliser uniquement les "bonnes" fréquences, en évitant les "mauvais" canaux de fréquences - peut-être que ces "mauvais" canaux de fréquences subissent un évanouissement sélectif en fréquence , ou peut-être qu'un tiers essaie de communiquer sur ces bandes ou peut-être que ces groupes sont activement brouillés. Par conséquent, l'AFH doit être complétée par un mécanisme de détection des bons/mauvais canaux.

Cependant, si les interférences radioélectriques sont elles-mêmes dynamiques, la stratégie de « suppression des mauvais canaux », appliquée en AFH pourrait ne pas bien fonctionner. Par exemple, s'il existe plusieurs réseaux à sauts de fréquence colocalisés (comme Bluetooth Piconet ), alors ils interfèrent mutuellement et la stratégie d'AFH ne parvient pas à éviter cette interférence.

Le problème des interférences dynamiques, de la réduction progressive des canaux de saut disponibles et de la rétrocompatibilité avec les appareils Bluetooth existants a été résolu dans la version 1.2 de la norme Bluetooth (2003). Une telle situation peut souvent se produire dans les scénarios qui utilisent un spectre sans licence .

En outre, des interférences radio dynamiques devraient se produire dans les scénarios liés à la radio cognitive , où les réseaux et les appareils devraient présenter un fonctionnement agile en fréquence .

La modulation chirp peut être considérée comme une forme de saut de fréquence qui balaye simplement les fréquences disponibles dans un ordre consécutif pour communiquer.

Le saut de fréquence peut être superposé à d'autres modulations ou formes d'onde pour améliorer les performances du système.

Voir également

Remarques

Les références

Władysław Kozaczuk , Enigma: How the German Machine Cipher Was Broken, and How It Was Read by the Allies in World War Two , édité et traduit par Christopher Kasparek , Frederick, MD, University Publications of America, 1984, ISBN 0-89093-547 -5 .

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