Οι αρχικές εφαρμογές των τεχνικών διεύρυνσης του φάσματος αναπτύχθηκαν κατά τον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο, κάτω από στρατιωτική καθοδήγηση, για την αντιμετώπιση των σκόπιμων παρεμβολών (jamming) των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων, η οποία επιτυγχάνεται με την μεταβίβαση σημάτων στην ίδια συχνότητα με το μεταδιδόμενο σήμα, τα οποία δημιουργούν θόρυβο και ταλαντώσεις στη διαμόρφωση [1]. Οι τεχνικές αυτές καλούνται έτσι διότι το εύρος ζώνης που απασχολούν είναι κατά πολύ μεγαλύτερο από το ελάχιστο εύρος ζώνης που απαιτείται για τη μετάδοση της πληροφορίας [2,3].

Ένα σύστημα χαρακτηρίζεται ως σύστημα διεύρυνσης του φάσματος εάν [2]:

(α) Να παρεμβάλει σε όλες τις συχνότητες του σήματος με ένα ίσο ποσό ισχύος με αποτέλεσμα ένα μικρό ποσό ισχύος σε κάθε συχνότητα,

(β) Να παρεμβάλει ένα μικρό μέρος συχνοτήτων με το σύνολο της ισχύος του.

Και στις δυο περιπτώσεις ένα ποσοστό του μεταδιδόμενου σήματος θα γίνει αντιληπτό από τον δέκτη. Παρόλ' αυτά, στη δεύτερη περίπτωση ο παρεμβολέας μπορεί να προκαλέσει σημαντικές παρεμβολές αν κάνει μια καλή επιλογή των συχνοτήτων που θα παρεμβάλει. Όσο μεγαλύτερο το εύρος συχνοτήτων στο οποίο ο αποστολέας μπορεί να διασπείρει το σήμα, τόσο μεγαλύτερη αβεβαιότητα θα έχει ο παρεμβολέας ως προς τις συχνότητες τις οποίες θα πρέπει να παρεμβάλει και επομένως τόσο καλύτερη η προστασία ενάντια στις παρεμβολές. Βέβαια η παρεμβολή ενός σήματος δεν είναι πάντοτε σκόπιμη. Μερικές φορές το σήμα που παρεμβάλλεται σ' ένα σήμα προς μετάδοση μπορεί να οφείλεται σε φυσικά φαινόμενα, ή να είναι το αποτέλεσμα παρεμβολών από παράλληλες διαδρομές του ίδιου σήματος.

Άλλες εφαρμογές των τεχνικών αυτών είναι (εκτός της αντιμετώπισης σκόπιμων παρεμβολών) [2,3,4]: (i) η επίτευξη απόκρυψης τηλεπικοινωνιακών σημάτων ή της πηγής τους, στέλνοντάς τα με μικρή ισχύ και επομένως μικρότερη η πιθανότητα ανίχνευσής τους (low probability of intercept signal - LPI), (ii) η επίτευξη εμπιστευτικής αποστολής σημάτων π.χ. κατά την αποστολή σημάτων πολλαπλής πρόσβασης (multiple-access communications systems) με μια μέθοδο πολυπλεξίας σημάτων γνωστής ως πολλαπλή προσπέλαση διαίρεσης κωδίκων (code-division multiple access - CDMA) κ.ά.
 
 

Σχ. 1 (α) Παρεμβολή σε ένα σήμα χωρίς διεύρυνση εύρους ζώνης.
(β) Δυνατότητες παρεμβολής σ' ένα σήμα το οποίο έχει δεχθεί διεύρυνση εύρους ζώνης.

Η διαδικασία για τη διεύρυνση του εύρους ζώνης ενός σήματος προς μετάδοση έχει ως εξής: Κατά τη διαμόρφωση, το σήμα προς μετάδοση x(t), πολλ/ζεται με ένα σήμα διεύρυνσης, g(t), του οποίου το εύρος ζώνης είναι κατά πολύ μεγαλύτερο από του σήματος x(t). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το παραγόμενο σήμα να καταλαμβάνει το ίδιο εύρος ζώνης με εκείνο του σήματος διεύρυνσης g(t). Στην αποδιαμόρφωση, το λαμβανόμενο σήμα x(t)·g(t) πολλ/ζεται με ένα συγχρονισμένο αντίγραφο του σήματος διεύρυνσης g(t) το οποίο έχει σαν αποτέλεσμα τη συμπίεση του σήματος. Αν το λαμβανόμενο σήμα δεν είναι το x(t)·g(t), ο αποδιαμορφωτής θα διασπείρει το σήμα με τον ίδιο τρόπο που ο διαμορφωτής διέσπειρε το αρχικό σήμα x(t). Ένα σήμα παρεμβολής που προσπαθεί να παρεμβάλει σε ένα μέρος συχνοτήτων του εύρους ζώνης του σήματος θα διασπαρθεί (και άρα θα «χαθεί») σ' ολόκληρο το εύρος ζώνης του σήματος όταν περάσει από τον αποδιαμορφωτή.

Οι πιο γνωστές τεχνικές διεύρυνσης του φάσματος είναι [2]:

Σύστημα διεύρυνσης φάσματος με Άμεση Ακολουθία (Direct Sequence)

Στο σύστημα αυτό, το σήμα προς μετάδοση x(t), αρχικά διαμορφώνεται από ένα φέρον και στη συνέχεια πολλ/ζεται (διαμορφώνεται) με ένα υψηλής ταχύτητας σήμα διεύρυνσης g(t).

Το σήμα διεύρυνσης θα πρέπει να έχει ορισμένα χαρακτηριστικά: (α) θα πρέπει να έχει χαρακτηριστικά λευκού θορύβου έτσι ώστε το σήμα πληροφορίας που μεταφέρει να φαίνεται επίσης σαν λευκός θόρυβος και άρα να είναι δύσκολο να ανιχνευθεί από τρίτους, (β) θα πρέπει ο δέκτης να μπορεί να αναπαράγει το σήμα διεύρυνσης του πομπού για να μπορέσει να ανακτήσει το σήμα πληροφορίας που μεταφέρει. Τα χαρακτηριστικά αυτά τα διαθέτει μια ψευδο-τυχαία ακολουθία (pseudo-random sequence).

Στην τεχνική αυτή, η ψευδο-τυχαία ακολουθία χρησιμοποιείται με διαμόρφωση PSK για να κωδικοποιήσει τη φάση του σήματος PSK [2,3].

Στο παράδειγμα που ακολουθεί, μια ακολουθία από bits προς μετάδοση διαμορφώνονται από μια ψευδο-τυχαία ακολουθία. Ο ρυθμός μετάδοσης είναι πέντε φορές ο ρυθμός δεδομένων.

bits σήματος πληροφορίας:   1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 = x[n]

ψευδο-τυχαία ακολουθία:     1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 = g[n]

bits μετάδοσης:                      0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 = x[n]+g[n]

Για να μπορέσει ο δέκτης να ανακτήσει το σήμα πληροφορίας χρειάζεται ένα αντίγραφο του σήματος διεύρυνσης g[n]το οποίο να είναι σε φάση με το λαμβανόμενο σήμα:

x^*[n] = r[n] + g[n] = (x[n] + g[n]) + g[n] = x[n] + (g[n] + g[n]) = x[n] + 0 = x[n]

διαφορετικά όταν το σήμα περάσει από το δέκτη, θα παραχθεί θόρυβος υψηλής συχνότητας και το σήμα πληροφορίας x[n] δεν θα μπορέσει να ανιχνευθεί. Γι' αυτό το λόγο, είναι απαραίτητο ο δέκτης να μπορέσει να εντοπίσει και να συγχρονιστεί με το λαμβανόμενο σήμα. Η διαδικασία αποτελείται από δυο επιμέρους βήματα [2,3], την απόκτηση (acquisition) κατά την οποία τα δυο σήματα (μετάδοσης και διεύρυνσης του δέκτη) έρχονται σε πρόχειρη «στοίχιση», και εντοπισμός (tracking) το οποίο συγχρονίζει τα δυο σήματα με τη βοήθεια ενός βρόγχου ανάδρασης.

Ένας άλλος τρόπος [3] είναι η αποστολή της ψευδο-τυχαίας ακολουθίας στο δέκτη, πριν την έναρξη της μετάδοσης δεδομένων, μέχρις ότου ο δέκτης συγχρονιστεί μαζί της.

Σύστημα διεύρυνσης φάσματος με υπερπήδηση συχνοτήτων
(Frequency Hopping)

Σ' ένα τέτοιο σύστημα, το σήμα πληροφορίας διαμορφώνει ένα φέρον του οποίου η συχνότητα μεταβάλλεται με τυχαίο τρόπο. Σ' αυτήν την περίπτωση δηλ., η ψευδο-τυχαία ακολουθία χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με διαμόρφωση FSK και κωδικοποιεί τη συχνότητα του FSK σήματος.

Π.χ. αν το σήμα προς μετάδοση διαθέτει τέσσερεις καταστάσεις:
 

Πηγή	Συχνότητα
00	fh + 300 Hz
01	fh + 100 Hz
10	fh - 100 Hz
11	fh - 300 Hz

όπου f_h είναι μια συχνότητα φέροντος η οποία αλλάζει τυχαία βάσει μιας ψευδο-τυχαίας ακολουθίας:
 
 

Bits ψευδο-τυχαίας ακολουθίας	fh, Hz
000	1000
001	1100
010	1200
011	1300
100	1400
101	1500
110	1600
111	1700

τότε, μεταδίδεται η συχνότητα f₀:
 

ψευδο-τυχαία ακολουθία	1 0 1	1 1 1	0 0 0
fh	1500	1700	1000	Hz
Δεδομένα	01	10	11
f0	1600	1600	700	Hz

Σχ. 2 Παράδειγμα υπερπήδησης συχνοτήτων

Αν ο δέκτης διαθέτει ένα συγχρονισμένο, με το λαμβανόμενο σήμα, αντίγραφο της ψευδο-τυχαίας ακολουθίας, τότε μπορεί να ανακτήσει το σήμα πληροφορίας:
 

fr	1600	1600	700	Hz
fh	1500	1700	1000	Hz
fr - fh	100	-100	-300	Hz
Δεδομένα	01	10	11

Τα συστήματα διεύρυνσης του φάσματος εμφανίστηκαν τη δεκαετία του 1950. Έκτοτε, εφαρμόζονται κυρίως για αντιμετώπιση σκόπιμων ή μη παρεμβολών και αντίσταση στο θόρυβο από τη NASA και στρατιωτικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα.
 
 

Βιβλιογραφία