Hajaspekter

Hajaspekter (ingl "spread spectrum") märgib telekommunikatsioonis protsessi, mille käigus infosignaal, millega moduleeritakse raadiokanali kandesagedust, edastatakse sagedusvahemikus (spektrilaiuses), mis on tunduvalt suurem kui teabe edastamiseks vajalik. Seejuures jaotub – hajub – edastusenergia laiemale sagedusvahemikule. 
Hajaspektritehnika meetodid võimaldavad turvalise side loomist, suurendavad vastupanuvõimet looduslikele häiretele, mürale ja segamistele ning takistavad sideühenduse tuvastamist. Samuti väheneb võimsusvoo tihedus edastuskanalis. Kõik need omadused muudavad hajaspektritehnika oluliseks osaks tänapäeva elektroonilise side süsteemides, et oleks võimalik tagada nii turvaline, usaldusväärne kui ka tõhus side.
Telekommunikatsiooni valdkonnas, eriti raadiosides, on hajaspektri tehnoloogiad olulised vahendid signaali töötlemisel ja edastamisel. Hajaspekter võimaldab signaali kavatsetud hajutamist üle laiema sagedusriba kui algse signaali sagedusriba, tagades seeläbi mitmeid eeliseid ja rakendusi. Lisaks signaali laiemale hajutamisele võimaldavad hajaspektri tehnikad turvalise side loomist, suurendavad vastupanuvõimet looduslikele häiretele, mürale ja segamistele ning aitavad ennetada signaali avastamist. Samuti on need kasulikud võimsusvoogude tiheduse piiramisel ning võimaldavad mitme juurdepääsuga side. Kõik need rakendused muudavad hajaspektri tehnikad oluliseks osaks tänapäevastest telekommunikatsioonisüsteemidest, et oleks võimalik tagada nii turvaline, usaldusväärne kui ka tõhus side.
Telekommunikatsioon.
Hajaspektrite kasutamine telekommunikatsioonis põhineb tavaliselt järjestikusel mürataolisel signaalstruktuuril, kus teabesignaal, mis on tavaliselt kitsasriba, hajutatakse suhteliselt laiale sagedusribale, eriti raadiosagedustel. Signaali vastuvõtjal on võime korreleerida vastuvõetud signaale, et taastada algne teabesignaal, mis võimaldab edukat sideühendust. Hajaspektri tehnoloogia arendamisel ja kasutamisel oli algselt kaks peamist eesmärki: vastupanu vaenlase pingutustele side segamisel, mis on tuntud ka kui vastussegamine, ning võime varjata side toimumist, mida mõnikord nimetatakse väikseks tabamise tõenäosuseks. Need algseadistused on aidanud kaasa hajaspektreid kasutavatele süsteemidele, et tagada usaldusväärne ja turvaline side ka keerulistes olukordades.
Sagedushüppega hajaspekter (), otsejärjestusega hajaspekter (), ajahüppega hajaspekter (), kiirendusega hajaspekter () ning nende tehnikate kombineerimine moodustavad laia valiku hajaspektri rakendusi. Esimesed kaks mainitud tehnikat tuginevad näivjuhuslike numbri generaatorite kasutamisele, mis loovad signaali hajutamismustri, mis on määratud kindlale sagedusalale. Neid meetodeid võib leida laialdaselt traadita side standardites, nagu IEEE 802.11, kus kasutatakse kas -i või -i raadioliideste rakendustes. Hajaspektri erinevate vormide ja nende kombineerimise abil on võimalik luua mitmekesiseid ja paindlikke sidevõimalusi erinevatele kasutusjuhtudele ja keskkondadele.
Sagedushüppe leiutamine.
Raadiosignaalide kaitse ja häirete vältimise idee ulatub tagasi raadiolainete märguandmise algusaegadesse. Aastal 1899 katsetas Guglielmo Marconi sageduselektiivset vastuvõttu, et vähendada häireid. Sagedushüppe kontseptsioon võeti kasutusele Saksa raadioettevõtte Telefunkeni poolt ning kirjeldati osaliselt ka Nikola Tesla 1903. aasta USA patendis. Raadio pioneer 1908. aasta saksa raamatus """ kirjeldab protsessi ja märgib, et Telefunken kasutas seda varem. See nägi piiratud kasutust Saksa sõjaväes Esimese maailmasõja ajal, seda propageeris Poola insener 1929. aastal, ilmus patendis 1930. aastatel Willem Broertjesi (USA patendinumber 1,869,659, välja antud 2. augustil 1932) ning USA salajases Armeekorpuse Sidekorpus World War II side süsteemis nimega SIGSALY.
Teise maailmasõja ajal töötasid Hollywoodi kuldajastu näitleja Hedy Lamarr ja avangardistlik helilooja George Antheil välja häiretele kindla raadiosuunamissüsteemi liitlaste torpeedode jaoks, patenteerides seadme USA patendis 2,292,387 "Secret communication system"" 11. augustil 1942. Nende lähenemine oli unikaalne, sest sageduste kooskõlastamist tehti paberist mängupiano rullidega, mida kunagi varem ei oldud praktikas rakendatud.
Hajaspekter infoajastul.
Kuni aastani 1999 oli Qualcomm San Diegos asuv ettevõte, millest vähesed olid kuulnud. Ometi tõusid selle aktsiad tol aastal tohutult, muutes selle aktsiaturgude liidriks. Qualcommi edu saladus seisnes nende keskendumises tehnoloogiale, erinevalt konkurentidest, kes kuulasid rohkem kliente ja eksperte. Mobiilsidepakkujad olid uute tehnoloogiavõimaluste suhtes kõhklevad ning eelistasid vanu süsteeme nagu TDMA ja FDMA. Siiski näitasid uuringud, et CDMA süsteemid suudavad oluliselt suuremat võimsust pakkuda, mis viis CDMA laialdasele kasutuselevõtule. CDMA leidis kasutust ka GPS-süsteemis ja traadita lokaalvõrkudes (WLAN). IEEE 802.11 standardid, mis võimaldavad DSSS-i või FHSS-i, said kiiresti populaarseks, toetades kõrgeid bitikiirusi. Tänapäeval leidub WLAN-e paljudes kohtades, alustades ülikoolilinnakutest ja lõpetades tööstuskeskkondadega, võimaldades kiiret juurdepääsu infole.
Taktsignaali genereerimine.
Digitaaltehnikas on hajaspekter omandanud hoopis teise tähenduse (millel pole midagi ühist ülalmainitud edastusmeetodiga).
Hajaspektri taktsignaali genereerimine (SSCG) on kasutusel paljudes sünkroonsetes digitaalsetes süsteemides, eriti neis, mis sisaldavad mikroprotsessoreid, Siin on eesmärk vähendada taktsignaalide spektraaltihedust, et piirata elektromagnethäireid ja nii tagada häiresignaalide elektromagnetilise ühilduvuse nõuete täitmine.
Sünkroonne digitaalne süsteem on selline, mida juhib taktsignaal ja kuna see on perioodiline, omab see paratamatult kitsast sagedusspektrit. Tegelikult oleks täiuslikul taktsignaalil kogu oma energia koondunud ühele sagedusele (soovitud taktsagedusele) ja selle harmoonikutele.
Taust.
Praktilised sünkroonsed digitaalsed süsteemid kiirgavad elektromagnetilist energiat mitmel kitsal sagedusribal, mis on hajutatud taktsagedusele ja selle harmoonikutele, mis võib teatud sagedustel ületada elektromagnetilise interferentsi (nt -s Ameerika Ühendriikides, -s Jaapanis ja IEC-s Euroopas) reguleerivaid piiranguid.
Hajaspektri taktsageduse abil saab vältida seda probleemi, vähendades kiiratava energia tippväärtust ja seega ka elektromagnetilist kiirgust, ning vastama elektromagnetilise ühilduvuse (EMC) eeskirjadele. See on muutunud populaarseks tehnikaks reguleerivate lubade saamiseks, kuna see nõuab ainult lihtsaid seadmete muudatusi. See on veelgi populaarsem kaasaskantavates elektroonikaseadmetes tänu kiirematele taktsagedustele ja kõrglahutusega LCD-ekraanide üha suuremale integreerimisele järjest väiksematesse seadmetesse. Kuna need seadmed on mõeldud olema kerged ja odavad, ei ole traditsioonilised passiivsed, elektroonilised meetmed EMI vähendamiseks, nagu kondensaatorid või metallvarjud, elujõulised. Aktiivseid EMI vähendamise tehnikaid, nagu hajaspektri takti sünkroonimine, on nendel juhtudel vaja.
Meetod.
PCIe, USB 3.0 ja SATA süsteemides on kõige levinumaks tehnikaks allhajutamine, sagedusmodulatsioon madalama sagedusega allikaga. Hajaspektri taktsignaaliga sünkroonimine, nagu ka teised dünaamilise sageduse muutmise liigid, võib tekitada väljakutseid disaineritele. Peamine neist on taktsignaalide/sisendandmete mittesobivus või taktsignaalide nihkevus. Vastuvõtva poole faasijuhtimisega silmus vajab piisavalt suurt ribalaiust, et korrektselt jälgida hajaspektri taktsignaali.
Kuigi SATA vastuvõtjatel on SSC ühilduvus kohustuslik, ei ole harvad juhud, kus laienduskiibidel on probleeme sellise taktsignaali käsitlemisega. Seetõttu peetakse võimalust hajaspektri taktsignaali väljalülitamiseks arvutisüsteemides kasulikuks.
Efekt.
Tuleb märkida, et see meetod ei vähenda kogu kiiritatud energiat ja seega ei pruugi süsteemid tingimata põhjustada vähem häireid. Energia hajutamine suurema sagedusriba ulatuses vähendab tõhusalt elektrilisi ja magnetilisi lugemisi kitsastes sagedusribades. EMC testimislaborite poolt kasutatavad tüüpilised mõõtvas vastuvõtjasüsteemid jagavad elektromagnetilise spektri umbes 120 kHz laiusteks sagedusribadeks. Kui testimise all olev süsteem kiirgaks kogu oma energia kitsas sagedusribas, registreeriks see suure tipu. Selle sama energia jaotamine laiemasse sagedusribasse takistab süsteeme panemast piisavalt energiat ühte kitsasse sagedusribasse, et ületada seaduslikke piiranguid. Selle meetodi kasulikkust reaalsete häireprobleemide vähendamise vahendina arutatakse sageli, kuna hajaspektri sünkroonimine varjab pigem kui lahendab kõrgema kiiritatud energia küsimusi, kasutades lihtsalt EMC seadusandluse või sertifitseerimisprotseduuride lünki. See olukord tähendab, et kitsas sagedusriba(de) suhtes tundlikud elektroonikaseadmed kogevad palju vähem häireid, samas kui lairiba tundlikkusega või isegi teistes kõrgemates sagedustes töötavad seadmed (nagu raadiovastuvõtja, mis on häälestatud teisele sagedusele), kogevad rohkem häireid.
FCC sertifitseerimistestid viiakse sageli läbi hajaspektri funktsiooni sisselülitatult, et vähendada mõõdetud emissioone vastuvõetavate seaduslike piirideni. Siiski võib mõnel juhul kasutaja hajaspektri funktsionaalsuse välja lülitada. Näiteks personaalarvutite valdkonnas võivad mõned BIOS-i kirjutajad lisada võimaluse hajaspektri takti generaatori väljalülitamiseks kasutaja seadistusena, mis rikub seega EMI määruste eesmärki. Seda võidakse pidada seaduselüngaks, kuid tavaliselt jäetakse see tähelepanuta, kui hajaspekter on vaikimisi sisse lülitatud.