＜スペクトラム拡散の知識＞
2007/09/14 日記<スペクトラム拡散>
スペクトラム拡散
スペクトラム拡散（―かくさん、Spread Spectrum、SS）は、通信の信号を本来よりも広い帯域に拡散して通信する技術。無線通信に多く用いられる。「スペクトル拡散」、「周波数拡散」とも言う。スペクトラム拡散の代表的な方式には、#周波数ホッピング|周波数ホッピングと、#直接シーケンス|直接拡散とがあり、いずれもノイズや干渉 (物理学)|干渉に強く、秘匿性に優れるとされている。元々は軍事無線のために技術開発が進み、CDMA方式の携帯電話や、無線LAN（IEEE 802.11シリーズ）、無線アクセスなどに用いられている。
なお、電子デバイスのクロック発生に用いられるスペクトラム拡散は、クロック信号に対して意図的にジッターを加え、電波障害の原因となる特定周波数へのエネルギー集中を緩和し、妨害を軽減する物である。本質的には通信で使われている技術と同質である。
なおスペクトル拡散とはただ単に通信方法ではなく、情報変換方法の一方式である。従ってスペクトル拡散はさまざまな分野に応用可能である。たとえば「画像のデジタル処理」などの場合にも、ある情報をスペクトル拡散、特に「直接シーケンス」方式により変換し、目で見てもわからない程度の画像の色調などの変化として画像の中に多重化することが可能である。
周波数ホッピング
周波数ホッピング（しゅうはすう―、Frequency-Hopping、FH）は、周波数を一定の規則に従い高速に切り替え、送受信機間で通信を行う、スペクトラム拡散の一方式。周波数ホッピング・スペクトラム拡散（Frequency Hopping Spread Spectrum、FHSS）とも言う。送信側と受信側でホッピング・シーケンスやホッピング・パターンと呼ぶ一定の規則を規定し、それに従って一定の通信帯域の中で高速に通信周波数を切り替えて、通信を行う。ホップする周波数をホッピング・チャンネルと呼び、これが多いほど妨害・干渉・傍受に強くなる。
ホッピング・チャンネルの一部にノイズが局在した場合でも、高速に周波数切替するおかげで実際に妨害を受ける確率は低減される。よってノイズに強いとされ、またホッピング・シーケンスが分からなければ通信を傍受しにくいため、ある程度は通信の秘匿性にも優れているとされる。無線局ごとに異なるホッピング・シーケンスを適用すると、多元接続が可能となる。戦術無線機ではFHの使用が多い。なお、この技術の基礎的発明は女優のヘディ・ラマール (:en:Hedy Lamarr) と音楽家のジョージ・アンタイル (:en:George Antheil) によってなされた。
直接拡散
直接拡散、直接シーケンス（ちょくせつかくさん、ちょくせつ―、Direct Sequence、DS）は、送信データよりも遥かに広い帯域の信号を用いて送信データを乗算し、広い周波数にエネルギーを拡散して通信するスペクトラム拡散の一方式。送受信双方が保持する「拡散符号」と呼ばれる鍵にもとずいて演算を行なう。直接シーケンス・スペクトラム拡散、直接スペクトラム拡散（Direct Sequence Spread Spectrum、DSSS）とも言う。送信側では送信データに対して拡散符号による演算を行い、送信データよりも広い帯域にエネルギーを拡散して送信する。送信データの数十倍〜数千倍の帯域に広げる。拡散に使用される送信データのビットを「チップ」と呼ぶ。受信側では送信側との拡散符号から逆拡散符号を作って、この演算により送信データを復号する。拡散符号は自己相関が小さい符号系列である擬似ランダム雑音（Pseudo random noise、PN）パターンが使われる。2種類のPN系列を加算して得られるGold系列や最長系列（M系列）も拡散符号に使われる。
拡散された帯域の一部にノイズが局在した場合はその影響も拡散されるためノイズに強くなる。また逆拡散符号によって復号演算を行なわなければノイズにしか聞こえず、拡散符号が判らなければ通信を傍受できないので通信の秘匿性にも優れているとされる。無線局ごとに異なる拡散符号を適用すると、多元接続が可能となる。（符号分割多元接続）
ハイブリッド方式
ハイブリッド方式はDSを行い、さらにFHを行なう方式。必要な演算処理量は増えるがDSの重なりを半分行なった後でFHを行なうと、処理利得が3dB向上する。処理利得は、拡散帯域幅／送信データの帯域幅で表わされる。
同期と遠近問題
FHもDSも送受信間で同期が正しく取れないと、期待された処理利得は得られない。同期は2つの段階がある。同期捕捉（Acquisition）は最初にとる同期であり、一度合った同期を維持するのが同期追跡（Tracking）である。SSでは遠近問題と呼ばれる問題点がある。SSでは同じ帯域を複数の送受信局が使用する。強力な送信出力の局の近くでは、弱い局の送信が受信局で受信できなくなる。この問題はDSで顕著である。送信出力の制御によって強すぎる送信局がなくなるようにすることで軽減できる。
画像:Ss1.jpg|ベースバンド信号
画像:Ss2_.jpg|拡散符号により
拡散された信号
画像:Ss3.jpg|妨害を受けた信号
赤色が妨害信号
画像:Ss4.jpg|拡散符号により
復元された信号
赤色が妨害信号
関連項目
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