L'affidabilità dei collegamenti di dati nei sistemi di telerilevamento determina direttamente la qualità e la tempestività delle informazioni raccolte dai satelliti, i veicoli aerei senza equipaggio (UAV) e i sensori basati sul suolo.

Che cosa è Spread Spectrum Technology?

Lo spettro di diffusione è una tecnica di trasmissione in cui l'energia di un segnale viene distribuita su una banda di frequenza che è significativamente più ampia della larghezza di banda delle informazioni originali. Nelle comunicazioni a banda stretta convenzionali, il segnale occupa abbastanza larghezza di banda per trasportare i dati in modo efficiente.

Storia e sviluppo

Il concetto risale agli anni '40, quando l'attrice Hedy Lamarr e il compositore George Antheil brevettarono un sistema di intercettazione di frequenza destinato a proteggere i segnali di guida torpedo da jamming. La loro idea, tuttavia, non vide applicazione pratica fino agli anni '60 e '70, quando l'elettronica digitale rese possibile la sincronizzazione necessaria.

Principio fondamentale: Elaborazione guadagno

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Confronto con le comunicazioni della banda stretta

Nei sistemi a banda stretta, una singola fonte di interferenza, sia da un altro trasmettitore radio, da un'armonica o da una fonte di rumore naturale, può bloccare completamente il segnale. Lo spettro di diffusione diffonde la potenza di interferenza attraverso la banda larga, in modo che dopo la dissoluzione, solo una frazione dell'interferenza rientra nella larghezza di banda di informazioni.

Tipi di tecniche di spettro di diffusione

Due famiglie principali dello spettro di diffusione, il salto di frequenza e la sequenza diretta, dominano sistemi pratici, con varianti ibride utilizzate anche in progetti avanzati.

Spettro di diffusione di frequenza (FHSS)

FHSS divide la larghezza di banda disponibile in molti canali di frequenza. Il trasmettitore passa rapidamente la frequenza di vettore tra questi canali secondo una sequenza pseudo-random conosciuta al ricevitore. Il tempo di permanenza per canale è tipicamente corto - sull'ordine di millisecondi o meno. Il modello di accoppiamento è sincronizzato tra tra il trasmettitore e il ricevitore, permettendo al ricevitore di seguire la sequenza di hop.

Nel telerilevamento, FHSS viene utilizzato nei collegamenti di telemetria per satelliti a bassa frequenza (LEO) e nei sistemi di telerilevamento militare dove la protezione anti-jam (AJ) è critica. Ad esempio, la rete satellitare Iridium utilizza FHSS per i suoi collegamenti trasversali e i collegamenti utente, fornendo resilienza contro le interferenze nella banda L. Un sistema tipico di elaborazione FHSS raggiunge 100 canali di guadagno su 30B.

Spettro di diffusione della sequenza diretta (DSSS)

DSSS moltiplica il segnale di dati con un codice pseudo-raggio ad alta velocità (PN), diffondendo il segnale attraverso una larghezza di banda larga. Il tasso di chip, il tasso del codice PN, determina il fattore di diffusione. Al ricevitore, lo stesso codice PN, sincronizzato nel tempo, viene utilizzato per disperdere il segnale, riducendo il segnale a banda larga all'informazione a banda stretta originale.

Il Global Positioning System (GPS) è un esempio di DSSS nel telerilevamento. Ogni satellite GPS trasmette un codice PN unico, permettendo a tutti i satelliti di condividere la stessa banda di frequenza (L1 a 1575.42 MHz) con minime interferenze reciproche. La capacità del ricevitore di correlare con più codici consente un posizionamento preciso.

Altre varianti e tecniche ibride

Chirp spread spettro (CSS), utilizzato in alcune reti radar e di ampia portata (ad esempio, LoRa), modula il segnale con una scansione lineare di frequenza nel tempo. CSS fornisce un'eccellente robustezza contro i turni Doppler ed è adatto per piattaforme di rilevamento remoto dinamiche come UAVs. I sistemi ibridi spesso combinano FHSS e DSSS per ottenere i vantaggi di entrambi: l'evitazione di interferenze di FHSS e il rifiuto di interferenza di DSSS comune.

Vantaggi dello spettro di diffusione in Remote Sensing

L'adozione di uno spettro di diffusione nei collegamenti di dati a distanza è guidata da vantaggi quantificabili in affidabilità, sicurezza e flessibilità operativa.

Maggiore affidabilità e interferenze Mitigazione

I collegamenti di rilevamento remoto funzionano frequentemente in bande di frequenza condivise con altri servizi, come i servizi satellitari fissi, telefonia mobile o radar, che lasciano a interferenze intenzionali o non intenzionali. Il guadagno di elaborazione dello spettro di diffusione sopprime gli interferenti a banda stretta dal rapporto della larghezza di banda di diffusione alla larghezza di banda di informazioni.

Miglioramento della sicurezza e bassa probabilità di intercetti

Poiché i segnali dello spettro di diffusione vengono trasmessi a una densità spettrale a bassa potenza, spesso appaiono come rumore a qualsiasi ricevitore che non conosca il codice di diffusione. Questa bassa probabilità di intercettazione (LPI) aiuta a proteggere i dati sensibili di telerilevamento da accessi non autorizzati. Inoltre, il codice di diffusione agisce come una forma di crittografia primaria: senza la conoscenza della sequenza PN, un eavesdropper non può disperdere il segnale.

Resistenza a Jamming e capacità anti-Jam

La diffusione di un jamming intenzionale rappresenta una minaccia seria per le operazioni di telerilevamento, soprattutto in contesti di difesa o intelligenza. I segnali dello spettro di diffusione sono intrinsecamente difficili da incedere efficacemente. Un jammer a banda stretta che brucia attraverso solo una frazione della larghezza di banda ha un impatto minimo perché il processo di dispersione del ricevitore diffonde la potenza del jammer attraverso l'intera banda, riducendo il suo effetto a un livello tollerabile.

Robustezza in ambienti rumorosi e multipath

Le piattaforme di rilevamento remoto spesso operano in ambienti con un significativo rumore o una propagazione multipath—aree urbane, terreni montagnosi o vicino a corpi d’acqua dove i riflessi causano la cancellazione del segnale. Le proprietà di autocorrelazione di DSSS lo rendono intrinsecamente robusto al multipassaggio: le versioni ritardate del segnale non sono collegate al percorso diretto desiderato, quindi contribuiscono solo ad un piccolo aumento del pavimento rumore dopo la dispelazione.

Applicazioni nei sistemi di rilevamento remoto dello spettro di diffusione

Le tecniche di spettro di diffusione sono ora incorporate in una vasta gamma di piattaforme di rilevamento remoto, dai satelliti di osservazione della Terra di grandi dimensioni ai piccoli droni e alle reti di sensori in-situ.

Comunicazioni via satellite

I satelliti di rilevamento remoto più moderni utilizzano uno spettro di diffusione per almeno i loro collegamenti di telemetria, tracciamento e comando (TT&C). Le missioni Sentinel dell’Agenzia Spaziale Europea, ad esempio, impiegano DSSS nella banda S per comando e telemetria con guadagni di elaborazione intorno a 20 dB, garantendo la chiusura dei collegamenti anche durante i passaggi di bassa elevazione attraverso la ioosfera.

Veicoli aerei senza equipaggio (UAV)

Il rapporto tra ipertestuali e ipertestuali di lunga durata e linea-di-sight utilizzato in molte operazioni UAV è vulnerabile alle interferenze da trasmettitori, linee di potenza e altri aeromobili. FHSS è comune nei sistemi di controllo dei droni industriali e dei consumatori (ad esempio, la banda di diffusione ISS 2.4 GHz) perché evita i canali di congestione.

Network di rilevamento remoto basati su terra

Le grandi reti di sensori basati su terra, come radar meteo, monitor sismici e osservatori ambientali, spesso comunicano senza fili su distanze estese. Lo spettro di diffusione consente a queste reti di operare in bande ISM senza licenza (ad esempio, 900 MHz, 2.4 GHz, 5.8 GHz) mentre la coesistenza di siti Wi‐Fi, Bluetooth e altri utenti.

Conclusione e direzioni future

La sua capacità di mitigare le interferenze, resistere al jamming e operare robustamente in ambienti rumorosi e multipath lo rende indispensabile per i sistemi di rilevamento remoto attuali e futuri. Poiché lo spettro elettromagnetico diventa sempre più congestionato con i satelliti, i dispositivi IoT e le reti wireless, la necessità di uno spettro di diffusione si intensificherà solo come spettro di correzione cognitivo (dove si diffonde l'evoluzione dei dati in ritardo sistema si adatta dinamicamente ai dati avanzati).

Per ulteriori informazioni sui fondamentali dello spettro di diffusione e sulle applicazioni di telerilevamento, consultare le seguenti risorse: