El espectro ensanchado por salto de frecuencia ( FHSS ) es un método de transmisión de señales de radio que consiste en cambiar rápidamente la frecuencia portadora entre muchas frecuencias que ocupan una gran banda espectral. Los cambios se controlan mediante un código conocido tanto por el transmisor como por el receptor . El FHSS se utiliza para evitar interferencias, prevenir escuchas no autorizadas y permitir comunicaciones de acceso múltiple por división de código (CDMA).
La banda de frecuencia se divide en subbandas más pequeñas. Las señales cambian rápidamente ("saltan") sus frecuencias portadoras entre las frecuencias centrales de estas subbandas en un orden determinado. La interferencia en una frecuencia específica afectará a la señal solo durante un intervalo corto. [1]
FHSS ofrece cuatro ventajas principales sobre una transmisión de frecuencia fija:
Las señales de espectro ensanchado son muy resistentes a las interferencias deliberadas , a menos que el adversario conozca el patrón de salto de frecuencia. Las radios militares generan el patrón de salto de frecuencia bajo el control de una clave de seguridad de transmisión secreta (TRANSEC) que el emisor y el receptor comparten de antemano. Esta clave es generada por dispositivos como el equipo de seguridad de voz KY-57. Las radios militares de los Estados Unidos que utilizan salto de frecuencia incluyen la familia JTIDS/MIDS, el sistema de comunicaciones móviles aeronáuticas HAVE QUICK y la radio de red de combate SINCGARS , Link-16 .
En los EE. UU., desde que la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) modificó las normas para permitir los sistemas FHSS en la banda no regulada de 2,4 GHz, muchos dispositivos de consumo en esa banda han empleado varios modos FHSS. La eFCC CFR 47 parte 15.247 cubre las regulaciones en los EE. UU. para las bandas de 902–928 MHz, 2400–2483,5 MHz y 5725–5850 MHz, y los requisitos para el salto de frecuencia. [2]
Algunos walkie-talkies que emplean tecnología FHSS han sido desarrollados para su uso sin licencia en la banda de 900 MHz. La tecnología FHSS también se utiliza en muchos transmisores y receptores de aficionados que se utilizan para coches, aviones y drones a escala controlados por radio . Se consigue un tipo de acceso múltiple que permite que cientos de pares de transmisores y receptores funcionen simultáneamente en la misma banda, a diferencia de los sistemas anteriores controlados por radio FM o AM que tenían canales simultáneos limitados.
El ancho de banda total necesario para el salto de frecuencia es mucho mayor que el necesario para transmitir la misma información utilizando una sola frecuencia portadora . Pero como la transmisión se produce solo en una pequeña parte de este ancho de banda en un momento dado, el ancho de banda de interferencia instantánea es realmente el mismo. Si bien no proporciona protección adicional contra el ruido térmico de banda ancha , el enfoque de salto de frecuencia reduce la degradación causada por fuentes de interferencia de banda estrecha.
Uno de los desafíos de los sistemas de salto de frecuencia es sincronizar el transmisor y el receptor. Un enfoque es tener la garantía de que el transmisor utilizará todos los canales en un período de tiempo fijo. El receptor puede entonces encontrar el transmisor eligiendo un canal aleatorio y escuchando datos válidos en ese canal. Los datos del transmisor se identifican mediante una secuencia especial de datos que es poco probable que se produzcan en el segmento de datos de este canal, y el segmento también puede tener una suma de comprobación para comprobar la integridad y realizar una identificación adicional. El transmisor y el receptor pueden utilizar tablas fijas de patrones de salto de frecuencia, de modo que una vez sincronizados puedan mantener la comunicación siguiendo la tabla.
En los EE. UU., la parte 15 de la FCC sobre sistemas de espectro ensanchado sin licencia en las bandas de 902–928 MHz y 2,4 GHz permite más potencia que la permitida para sistemas sin espectro ensanchado. Tanto los sistemas FHSS como los de espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS) pueden transmitir a 1 vatio, un aumento de mil veces respecto del límite de 1 milivatio de los sistemas sin espectro ensanchado. La FCC también prescribe un número mínimo de canales de frecuencia y un tiempo máximo de permanencia para cada canal.
En 1899, Guglielmo Marconi experimentó con la recepción selectiva de frecuencia en un intento de minimizar las interferencias. [3]
Las primeras menciones del salto de frecuencia en la literatura abierta se encuentran en la patente estadounidense 725.605, otorgada a Nikola Tesla el 17 de marzo de 1903, [4] y en el libro Wireless Telegraphy (alemán, 1908, traducción al inglés McGraw Hill, 1915) del pionero de la radio Jonathan Zenneck , [5] [a] aunque Zenneck escribe que Telefunken ya lo había intentado. Nikola Tesla no menciona la frase "salto de frecuencia" directamente, pero ciertamente alude a ella. Titulada Method of Signaling (Método de señalización ) , la patente describe un sistema que permitiría la comunicación por radio sin ningún peligro de que las señales o los mensajes se perturben, intercepten o interfieran de algún modo . [6]
El ejército alemán hizo un uso limitado del salto de frecuencia para la comunicación entre puntos de mando fijos en la Primera Guerra Mundial para evitar escuchas por parte de las fuerzas británicas, que no tenían la tecnología para seguir la secuencia. [7] El libro de Jonathan Zenneck, Wireless Telegraphy, se publicó originalmente en alemán en 1908, pero se tradujo al inglés en 1915 cuando el enemigo comenzó a utilizar el salto de frecuencia en la línea del frente.
En 1920, Otto B. Blackwell, De Loss K. Martin y Gilbert S. Vernam presentaron una solicitud de patente para un "Sistema de comunicación secreta", concedida como patente estadounidense 1.598.673 en 1926. Esta patente describía un método de transmisión de señales en múltiples frecuencias de manera aleatoria para mantener el secreto, anticipándose a las características clave de los sistemas de salto de frecuencia posteriores. [4]
Un ingeniero e inventor polaco , Leonard Danilewicz , afirmó haber sugerido el concepto de salto de frecuencia en 1929 al Estado Mayor polaco , pero fue rechazado. [8]
En 1932 se concedió a Willem Broertjes la patente estadounidense 1.869.659 , denominada "Método de mantenimiento del secreto en la transmisión de mensajes telegráficos inalámbricos", que describe un sistema en el que "los mensajes se transmiten por medio de un grupo de frecuencias... conocidas únicamente por el emisor y el receptor, y que se alternan a voluntad durante la transmisión de los mensajes".
Durante la Segunda Guerra Mundial , el Cuerpo de Señales del Ejército de los Estados Unidos estaba inventando un sistema de comunicación llamado SIGSALY , que incorporaba espectro ensanchado en un contexto de frecuencia única. Pero SIGSALY era un sistema de comunicaciones de alto secreto, por lo que su existencia no se conoció hasta la década de 1980.
En 1942, la actriz Hedy Lamarr y el compositor George Antheil recibieron la patente estadounidense 2.292.387 por su "Sistema de comunicaciones secretas", [9] [10] una versión temprana del salto de frecuencia que utilizaba un rollo de piano para cambiar entre 88 frecuencias y hacer que los torpedos guiados por radio fueran más difíciles de detectar o bloquear para los enemigos. Luego donaron la patente a la Marina de los EE. UU . [11]
Las ideas de salto de frecuencia pueden haber sido redescubiertas en la década de 1950 durante las búsquedas de patentes cuando las empresas privadas estaban desarrollando de forma independiente el Acceso Múltiple por División de Código de secuencia directa , una forma de espectro ensanchado sin salto de frecuencia. [ cita requerida ] En 1957, los ingenieros de la División de Sistemas Electrónicos de Sylvania adoptaron una idea similar, utilizando el transistor recientemente inventado en lugar de la tecnología de relojería de Lamarr y Antheil. [9] [ dudoso - discutir ] En 1962, la Marina de los EE. UU. utilizó el trabajo de la División de Sistemas Electrónicos de Sylvania durante la Crisis de los Misiles de Cuba . [12]
Ray Zinn , cofundador de Micrel Corporation, desarrolló una aplicación práctica del salto de frecuencia . Zinn desarrolló un método que permite que los dispositivos de radio funcionen sin necesidad de sincronizar un receptor con un transmisor. Mediante el uso de saltos de frecuencia y modos de barrido, el método de Zinn se aplica principalmente en aplicaciones inalámbricas de baja velocidad de datos, como la medición de servicios públicos, el control y la medición de máquinas y equipos, y el control remoto. En 2006, Zinn recibió la patente estadounidense 6.996.399 por su "Dispositivo inalámbrico y método que utiliza saltos de frecuencia y modos de barrido".
El espectro ensanchado por salto de frecuencia adaptativo ( AFH ) que se utiliza en Bluetooth mejora la resistencia a la interferencia de radiofrecuencia al evitar frecuencias saturadas en la secuencia de salto. Este tipo de transmisión adaptativa es más fácil de implementar con FHSS que con DSSS .
La idea clave detrás de AFH es utilizar solo las frecuencias "buenas" y evitar las "malas": aquellas que experimentan desvanecimiento selectivo de frecuencia , aquellas en las que un tercero está tratando de comunicarse o aquellas que están siendo bloqueadas activamente. Por lo tanto, AFH debería complementarse con un mecanismo para detectar canales buenos y malos.
Pero si la interferencia de radiofrecuencia es dinámica, la estrategia de AFH de "eliminación de canales defectuosos" puede no funcionar bien. Por ejemplo, si hay varias redes de salto de frecuencia ubicadas en el mismo lugar (como Bluetooth Piconet ), se interfieren entre sí y la estrategia de AFH no logra evitar esta interferencia.
El problema de la interferencia dinámica, la reducción gradual de los canales de salto disponibles y la compatibilidad con dispositivos Bluetooth antiguos se resolvió en la versión 1.2 del estándar Bluetooth (2003). Esta situación puede ocurrir a menudo en los escenarios en los que se utiliza espectro sin licencia .
Además, se espera que se produzcan interferencias de radiofrecuencia dinámicas en los escenarios relacionados con la radio cognitiva , donde las redes y los dispositivos deben exhibir un funcionamiento ágil en frecuencia .
La modulación chirp puede verse como una forma de salto de frecuencia que simplemente escanea las frecuencias disponibles en orden consecutivo para comunicarse.
El salto de frecuencia se puede superponer a otras modulaciones o formas de onda para mejorar el rendimiento del sistema.