3 Прямое расширение: общий случай.

При расширении спектра с помощью прыгающей частоты (frequency hopping (FH)) используются ЧМ сигнатуры, а модуляция данных, как правило, также осуществляется с помощью ЧМ. Традиционно различают два типа расширения прыгающей частотой: быстрое (fast) и медленное (slow), критерием классификации которой служит соотношение между длительностями чипа Δ и символа данных T . Для быстрой FH Δ=T/l, где l>1– натуральное число, тогда как для медленной FH Δ=lT, где l≥1 – натуральное. Другими словами, при быстрой FH на один символ данных приходится несколько скачков частоты, тогда как при медленной FH в течение одного частотного скачка сигнатуры могут быть переданы несколько символов данных. Для лучшего понимания сущности этого типа расширения обратимся к примеру.

Рисунок 11. ЧМ сигнал с параметрами N=8, M=5

Возьмем ЧМ сигнатуру примера и используем ее для расширения спектра с помощью быстрой FH в комбинации с бинарной модуляцией данных. В этом случае число различных частот в сигнатуре M=5, длина сигнатуры N=8, а один символ данных передает один бит информации, так что T=T_b . Предположим, что в схеме быстрой FH l=N=8, т.е. на один бит данных приходится 8 скачков частоты. Тогда полная последовательность ЧМ чипов, представленная на рис. 8, передается в течение одного бита. Если бит данных равен нулю, то частотный образец излучается на несущей частоте, равной f₀ , тогда как для бита, равного единице, несущая частота изменяется на f₁. Очевидно, что разность между частотами f₁ и f₀ должна быть не меньше полосы, занимаемой сигнатурой, т.е. MF. На рис. 12, а изображен передаваемый частотный образец, соответствующий потоку битовых данных вида 01011. Как можно видеть, спектр одиночного бита данных, полоса которого перед расширением была примерно 1/T_b , расширяется до полосы, равной MF≈M/Δ=MN/T_b, т.е. становится в MN раз шире

На приемной стороне снятие расширения заключается в обратном преобразовании наблюдаемого колебания на промежуточную частоту f_i . С этой целью используется опорное колебание несущей частоты f₀-f_i , модулированное согласно ЧМ образца сигнатуры с необходимой задержкой во времени (рис. 12, b). В результате сигнал со снятым расширением представляет собой обычное узкополосное колебание, частотно-манипулированное в соответствие с передаваемыми данными, где нулевой бит данных передается более низкой частотой, чем бит, отвечающий единице. Теперь спектр отдельного символа данных возвращается к полосе 1/T_b и может быть использован обычный бинарный ФМ демодулятор для восстановления принятых данных.

Следующий пример иллюстрирует алгоритм расширения спектра медленной FH.

Используем ту же самую сигнатуру снова в комбинации бинарной ФМ данных и приравняем длительности чипа и символа данных: T=T_b=Δ. Последнее означает, что текущая частота остается постоянной в течение всей длительности бита данных, а скачок частоты происходит только при переходе от одного бита к следующему.

Рисунок 12. Расширение-сужение с помощью быстрой FH (fast FH).

Частотный образец сигнатуры растягивается во времени и его длина охватывает N бит данных (рис. 7.13, а). Предположим, что в течение бита данных с номером i частота сигнатуры равна F_i . Тогда частота передачи становится равной f₀+F_i в случае нулевого бита данных и f₁+F_i для бита данных, равного единице. Рис. 13, b служит иллюстрацией этого для битового потока 00101101. Принципиальное отличие между быстрой и медленной FH теперь очевидно: последняя не расширяет спектр отдельного символа данных, увеличивая только полосу, занимаемую системой. Это аналогично тому, как если бы система просто время от времени переключалась бы с одной рабочей частоты на другую, но не происходило бы переключения на интервале фиксированной группы символов данных.

На приемной стороне обратное преобразование на промежуточную полосу f_i выполняется с помощью опорного сигнала на частоте f₀-f_i, повторяющего частотный образец сигнатуры (задержанным во времени соответствующим образом) (рис. 13, с). Данная операция возвращает колебание в полосу, соответствующую простой (без скачков частоты) ЧМ модуляции данных (рис. 13, d), так что для восстановления передаваемых данных может быть использован обычный ЧМ демодулятор (рис. 13, с).

Методы, иллюстрируемые приведенными выше примерами для передачи данных с помощью бинарной ФМ, легко обобщаются на случай модуляции данных произвольной ФМ.

Рисунок 13. Расширение-сжатие с помощью медленной FH.

Расширение спектра с помощью прыгающей частоты обладает некоторыми особенностями, делающими этот метод особенно привлекательным для военных приложений, в частности в различных антагонистических сценариях борьбы против систем подавления. В то же время, его коммерческое использование до недавнего времени совершенно незначительно, по крайней мере в отношении FFH. Однако внедрение технологии Bluetooth указывает, что этот тип расширения спектра также обладает хорошими коммерческими перспективами.