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電気通信、特に無線通信において、スペクトラム拡散とは、 特定の帯域幅で生成された信号（例えば、電気信号、電磁信号、音響信号）を、周波数領域においてより広い周波数帯域に意図的に拡散させる技術である。スペクトラム拡散技術は、安全な通信の確立、自然干渉、ノイズ、妨害に対する耐性の向上、探知の防止、電力束密度の制限（例えば、衛星ダウンリンク）、および多重アクセス通信の実現に用いられる。
スペクトラム拡散は一般的に、通常狭帯域の情報信号を比較的広帯域の（無線）周波数帯域に拡散するために、シーケンシャルノイズのような信号構造を利用します。受信機は受信した信号を相関させて元の情報信号を復元します。当初は、敵の通信妨害の試みに抵抗する（対妨害、またはAJ）、あるいは通信が行われているという事実を隠す（傍受される確率が低い（LPI）とも呼ばれる）という2つの動機がありました。[ 1 ]
周波数ホッピングスペクトラム拡散（FHSS）、直接シーケンススペクトラム拡散（DSSS）、時間ホッピングスペクトラム拡散（THSS）、チャープスペクトラム拡散（CSS）、およびこれらの技術の組み合わせは、スペクトラム拡散の一種です。これらの技術のうち最初の2つは、擬似乱数発生器を用いて生成された擬似乱数シーケンスを使用して、割り当てられた帯域幅全体にわたる信号の拡散パターンを決定および制御します。無線規格IEEE 802.11は、無線インターフェースでFHSSまたはDSSSのいずれかを使用します。
無線伝送における干渉を保護し回避しようとする考えは、電波信号の黎明期にまで遡ります。1899年、グリエルモ・マルコーニは干渉を最小限に抑えるために周波数選択受信の実験を行いました。[ 2 ]周波数ホッピングの概念は、ドイツの無線会社テレフンケンによって採用され、ニコラ・テスラによる1903年の米国特許の一部にも記載されています。[ 3 ] [ 4 ]無線のパイオニアであるジョナサン・ツェネックの1908年のドイツ語の著書『無線電信』では、このプロセスについて説明し、テレフンケンが以前からこれを使用していたことを記しています。[ 2 ]第一次世界大戦ではドイツ軍によって限定的に使用され、[ 5 ] 1929年にポーランドのエンジニア、レオナルド・ダニレヴィッチによって提案され、 [ 6 ] 1930年代にはウィレム・ブロエルチェスによる特許（1932年8月2日発行の米国特許1,869,659 ）に登場し、第二次世界大戦中の米国陸軍通信隊の 秘密通信システムSIGSALYにも使用されました。
第二次世界大戦中、ハリウッド黄金時代の女優ヘディ・ラマーと前衛作曲家ジョージ・アンタイルは、連合軍の魚雷で使用するための妨害電波耐性無線誘導システムを開発し、1942年8月11日に米国特許2,292,387 「秘密通信システム」として特許を取得した。彼らのアプローチは、周波数調整を紙製の自動演奏ピアノロールで行うという点で独特であり、斬新なアプローチであったが、実際に使用されることはなかった。[ 7 ]
スペクトラム拡散クロック生成（SSCG）は、特にマイクロプロセッサを搭載した同期デジタルシステムにおいて、これらのシステムが発生させる電磁干渉（EMI）のスペクトル密度を低減するために使用されます。同期デジタルシステムとは、クロック信号によって駆動されるシステムであり、その周期性ゆえに、周波数スペクトルは必然的に狭くなります。実際、理想的なクロック信号は、そのエネルギーすべてが単一の周波数（目的のクロック周波数）とその高調波に集中しているはずです。
実用的な同期デジタルシステムは、クロック周波数とその高調波に広がる多数の狭帯域で電磁エネルギーを放射するため、特定の周波数では、電磁干渉に関する規制値（例えば、米国ではFCC 、日本ではJEITA 、欧州ではIECの規制値）を超える周波数スペクトルが生じる可能性がある。
スペクトラム拡散クロッキングは、放射されるピークエネルギーを低減し、それによって電磁波放射を抑制することで、この問題を回避し、電磁両立性（EMC）規制に準拠します。簡単な機器の変更だけで済むため、規制当局の承認を得るための一般的な技術となっています。クロック速度の高速化と、高解像度LCDディスプレイの小型化が進む携帯型電子機器では、さらに普及が進んでいます。これらの機器は軽量かつ低価格に設計されているため、コンデンサや金属シールドといった従来の受動的な電子的なEMI低減対策は適用できません。このような場合、スペクトラム拡散クロッキングのような能動的なEMI低減技術が必要となります。
PCIe、USB 3.0、SATA システムでは、最も一般的な手法は、より低い周波数のソースによる周波数変調によるダウンスプレッドです。 [ 8 ]スペクトラム拡散クロッキングは、他の種類の動的周波数変更と同様に、設計者にとって課題となる場合もあります。その中でも主なものは、クロック/データのずれ、つまりクロックスキューです。受信側の位相同期ループは、スペクトラム拡散クロックを正しく追跡するために十分な帯域幅を必要とします。[ 9 ]
SATAレシーバーではSSC互換性が必須であるにもかかわらず、[ 10 ]エキスパンダーチップがそのようなクロックの処理に問題を抱えていることは珍しくありません。そのため、コンピュータシステムでスペクトラム拡散クロックを無効にする機能は有用であると考えられています。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]
この方法では放射エネルギーの総量は減らないため、システムが干渉を引き起こす可能性が必ずしも低くなるわけではないことに注意してください。 エネルギーをより広い帯域幅に分散させることで、狭い帯域幅内の電気的および磁気的測定値を効果的に低減できます。 EMC 試験ラボで使用される一般的な測定受信機は、電磁スペクトルを約 120 kHz 幅の周波数帯域に分割します。[ 14 ]試験対象のシステムがそのエネルギーのすべてを狭い帯域幅で放射すると、大きなピークが記録されます。 この同じエネルギーをより広い帯域幅に分散させることで、システムが法定制限を超えるのに十分なエネルギーを 1 つの狭い帯域に投入することを防ぎます。 この方法が実際の干渉問題を軽減する手段として有用かどうかは、しばしば議論されています。[ 9 ]スペクトラム拡散クロッキングは、EMC 法規制や認証手順の抜け穴を単純に悪用することで、より高い放射エネルギーの問題を解決するのではなく隠蔽していると見なされているためです。この状況により、狭帯域に敏感な電子機器は干渉をはるかに少なく受ける一方、広帯域に敏感な機器、あるいは他のより高い周波数で動作する機器（例えば、別の放送局に同調したラジオ受信機など）は、より多くの干渉を受けることになる。
FCC認証試験では、測定された放射量を許容される法的制限値内に抑えるため、スペクトラム拡散機能を有効にした状態で実施されることがよくあります。しかし、スペクトラム拡散機能はユーザーによって無効にされる場合もあります。例えば、パーソナルコンピュータの分野では、一部のBIOS開発者がスペクトラム拡散クロック生成をユーザー設定で無効にする機能を搭載しており、EMI規制の目的を損なっています。これは抜け穴と見なされるかもしれませんが、スペクトラム拡散がデフォルトで有効になっている限り、一般的には見過ごされています。
この記事は、連邦規格1037C（一般調達局）からのパブリックドメイン資料を組み込んでいます。 2022年1月22日にオリジナルからアーカイブされました。 （ MIL-STD-188に準拠）