CDMA - Spread Spectrum

Tutta la modulazione e la demodulazione tecnica mirano a una maggiore potenza e / o efficienza della larghezza di banda in un canale di rumore stazionario additivo gaussiano bianco. Poiché la larghezza di banda è una risorsa limitata, uno degli obiettivi principali di progettazione di tutti gli schemi di modulazione è ridurre al minimo la larghezza di banda richiesta per la trasmissione. D'altra parte, le tecniche di spettro esteso utilizzano una larghezza di banda di trasmissione che è dell'ordine di grandezza maggiore della larghezza di banda richiesta per il segnale minimo.

Il vantaggio della tecnica dello spettro diffuso è che: molti utenti possono utilizzare contemporaneamente la stessa larghezza di banda senza interferire tra loro. Pertanto, lo spettro diffuso non è economico quando il numero di utenti è inferiore.

  • Lo spettro esteso è una forma di comunicazione wireless in cui la frequenza del segnale trasmesso viene deliberatamente variata con conseguente maggiore larghezza di banda.

  • Lo spettro di diffusione è evidente nel teorema della capacità del canale di Shannon e Hartley -

    C = B × log 2 (1 + S / N)

  • Nell'equazione data, "C" è la capacità del canale in bit al secondo (bps), che è la velocità dati massima per un tasso di errore di bit teorico ( BER ). "B" è la larghezza di banda del canale richiesta in Hz e S / N è il rapporto di potenza segnale-rumore.

  • Lo spettro esteso utilizza segnali a banda larga simili a rumore difficili da rilevare, intercettare o demodulare. Inoltre, i segnali a spettro esteso sono più difficili da disturbare (interferire con) rispetto ai segnali a banda stretta.

  • Poiché i segnali a spettro esteso sono così ampi, trasmettono a una densità di potenza spettrale molto inferiore, misurata in watt per hertz, rispetto ai trasmettitori a banda stretta. I segnali a spettro esteso e banda stretta possono occupare la stessa banda, con poca o nessuna interferenza. Questa capacità è l'attrazione principale per tutto l'interesse per lo spettro diffuso oggi.

Points to Remember -

  • La larghezza di banda del segnale trasmesso è maggiore della larghezza di banda minima delle informazioni, necessaria per trasmettere correttamente il segnale.

  • Alcune funzioni diverse dalle informazioni stesse vengono normalmente impiegate per determinare la larghezza di banda trasmessa risultante.

Di seguito sono riportati i due tipi di tecniche di spettro esteso:

  • Sequenza diretta e
  • Salto di frequenza.

La sequenza diretta è adottata da CDMA.

Sequenza diretta (DS)

Direct Sequence Code Division Multiple Access (DS-CDMA) è una tecnica per multiplexare utenti in base a codici diversi. In questa tecnica, la stessa larghezza di banda viene utilizzata da utenti diversi. Ad ogni utente viene assegnato un proprio codice di diffusione. Questi set di codici sono divisi in due classi:

  • Codici ortogonali e
  • Codici non ortogonali

Le sequenze Walsh rientrano nella prima categoria, ovvero i codici ortogonali, mentre le altre sequenze, ovvero PN, Gold e Kasami, sono sequenze di registro a scorrimento.

I codici ortogonali sono assegnati agli utenti, l'uscita del correlatore nel ricevitore sarà zero tranne la sequenza desiderata. Nella sequenza diretta sincrona, il ricevitore riceve la stessa sequenza di codice che è stata trasmessa in modo che non vi sia alcuno spostamento temporale tra gli utenti.

Segnali DS demodulanti - 1

Per demodulare i segnali DS, è necessario conoscere il codice utilizzato al momento della trasmissione. In questo esempio, moltiplicando il codice utilizzato nella trasmissione per il segnale di ricezione, possiamo ottenere il segnale trasmesso.

In questo esempio, sono stati utilizzati più codici al momento della trasmissione (10,110,100) al segnale ricevuto. Qui, abbiamo calcolato utilizzando la legge dei due additivi (Modulo 2 Addition). Viene ulteriormente demodulato moltiplicando il codice utilizzato al momento di questa trasmissione, denominatoreverse diffusion(spargimento). Nel diagramma riportato di seguito, si può vedere che durante la trasmissione dei dati allo spettro a banda stretta (Narrow Band), lo spettro del segnale viene disperso.

Segnali DS demodulanti - 2

Se invece non conosci il codice che è stato utilizzato al momento della trasmissione, non potrai demodulare. Qui stai cercando di demodulare il codice di diverso (10101010) e l'ora di trasmissione, ma non è riuscita.

Anche guardando lo spettro, si sta diffondendo durante il tempo di trasmissione. Quando viene fatto passare attraverso un filtro passa-banda (Band Path Filter), rimane solo questo piccolo segnale e questi non vengono demodulati.

Caratteristiche dello spettro di diffusione

Come mostrato nella figura seguente, la densità di potenza dei segnali Spread Spectrum potrebbe essere inferiore alla densità del rumore. Questa è una caratteristica meravigliosa che può proteggere i segnali e mantenere la privacy.

Diffondendo lo spettro del segnale trasmesso, si può ridurre la sua densità di potenza in modo che diventi inferiore alla densità di potenza del rumore. In questo modo è possibile nascondere il segnale nel rumore. Può essere demodulato se si conosce il codice utilizzato per inviare il segnale. Nel caso in cui il codice non sia noto, il segnale ricevuto rimarrà nascosto nel rumore anche dopo la demodulazione.

DS-CDMA

Il codice DS viene utilizzato in CDMA. Finora è stata spiegata la parte fondamentale della comunicazione a spettro esteso. Da qui, spiegheremo come funziona Direct Sequence Code Division Multiple Access (DS-CDMA).

Il segnale che è a spettro diffuso, può essere demodulato solo da un codice utilizzato per la trasmissione. Usando questo, il segnale di trasmissione di ciascun utente può essere identificato dal codice separato quando riceve il segnale. Nell'esempio fornito, il segnale diffuso dell'utente A in corrispondenza del codice A e il segnale diffuso dell'utente B in corrispondenza del codice B. Ciascuno dei segnali quando riceve vengono miscelati. Tuttavia, dal diffusore inverso (Despreadder), identifica il segnale di ogni utente.

DS-CDMA System - Forward Link

DS-CDMA System - Reverse Link

Codice di diffusione

Cross-Correlation

La correlazione è un metodo di misurazione della precisione con cui un dato segnale corrisponde a un codice desiderato. Nella tecnologia CDMA, ad ogni utente viene assegnato un codice diverso, il codice che viene assegnato o scelto dall'utente è molto importante per modulare il segnale perché è legato alle prestazioni del sistema CDMA.

Si otterranno le migliori prestazioni quando ci sarà una netta separazione tra il segnale degli utenti desiderati e i segnali degli altri utenti. Questa separazione viene effettuata correlando il codice di segnale desiderato che è stato generato localmente e altri segnali ricevuti. Se il segnale corrisponde al codice dell'utente, la funzione di correlazione sarà alta e il sistema può estrarre quel segnale. Se il codice desiderato dall'utente non ha nulla in comune con il segnale, la correlazione dovrebbe essere il più vicino possibile allo zero (eliminando così il segnale); noto anche come correlazione incrociata. Quindi, c'è un fileself-correlation (Auto-correlazione) e cross-correlation (Correlazione incrociata).

Le proprietà di autocorrelazione e codice sono mostrate nel diagramma riportato di seguito in cui è mostrata la correlazione tra il codice di diffusione "A" e il codice di diffusione "B". In questo esempio, viene fornita la correlazione calcolata tra il codice di diffusione 'A (1010110001101001) e il codice di diffusione' B '(1010100111001001), mentre si eseguono i calcoli nell'esempio seguente, il risultato è arrivato a 6/16.

Preferable Codes

Il codice preferibile è utilizzato in CDMA. Esistono diversi codici che possono essere utilizzati a seconda del tipo di sistema di CDMA. Esistono due tipi di sistema:

  • Sistema sincrono (sincrono) e
  • Sistema asincrono (asincrono).

In un sistema sincrono è possibile utilizzare codici ortogonali (codice ortogonale). Nel sistema asincrono per questo, come il codice pseudo-casuale (rumore pseudo-casuale) o il codice Gold viene utilizzato.

Al fine di ridurre al minimo l'interferenza reciproca in DS-CDMA, dovrebbero essere scelti i codici di diffusione con minore correlazione incrociata.

Synchronous DS-CDMA

  • I codici ortogonali sono appropriati. (Codice Walsh ecc.)

Asynchronous DS-CDMA

  • Codici di rumore pseudocasuali (PN) / sequenza massima
  • Codici Gold

Synchronous DS-CDMA

I sistemi CDMA sincroni sono realizzati in sistemi da punto a multipunto. Ad esempio, Forward Link (da stazione base a stazione mobile) nel telefono cellulare.

Il sistema di sincronizzazione viene utilizzato nei sistemi uno-a-molti (punto a multipunto). Ad esempio, in un dato momento, in un sistema di comunicazione mobile, una singola stazione base (BTS) può comunicare con più telefoni cellulari (collegamento in avanti / collegamento in discesa).

In questo sistema, un segnale di trasmissione per tutti gli utenti può comunicare in sincronizzazione. Significa che la "sincronizzazione" su questo punto è un senso che può essere inviato per allineare la parte superiore di ogni segnale utente. In questo sistema è possibile utilizzare codici ortogonali ed è anche possibile ridurre l'interferenza reciproca. E i codici ortogonali, è il segno, come la correlazione incrociata cioè 0.

Asynchronous DS-CDMA

Nel sistema CDMA asincrono, i codici ortogonali hanno una cattiva correlazione incrociata.

A differenza del segnale dalla stazione base, il segnale dalla stazione mobile alla stazione base, diventa il sistema asincrono.

In un sistema asincrono, l'interferenza un po 'reciproca aumenta, ma utilizza altri codici come il codice PN o il codice Gold.

Vantaggi dello spettro di diffusione

Poiché il segnale è distribuito su un'ampia banda di frequenza, la densità spettrale di potenza diventa molto bassa, quindi altri sistemi di comunicazione non soffrono di questo tipo di comunicazione. Tuttavia, il rumore gaussiano aumenta. Di seguito è riportato un elenco di alcuni dei principali vantaggi di Spread Spectrum:

  • Multipath può essere concordato, poiché è possibile generare un numero elevato di codici, consentendo un numero elevato di utenti.

  • Nello spettro diffuso, non ci sono limiti di utenti mentre ci sono limitazioni di utenti nella tecnologia FDMA.

  • Sicurezza: senza conoscere il codice di diffusione, è quasi impossibile recuperare i dati trasmessi.

  • Rifiuto decrescente: poiché viene utilizzata una larghezza di banda ampia, il sistema; è meno suscettibile alla deformazione.

Sequenza PN

Il sistema DS-CDMA utilizza due tipi di sequenze di spargimento, ovvero, PN sequences e orthogonal codes. Come accennato in precedenza, la sequenza PN è generata dal generatore di rumore pseudo-casuale. È semplicemente un registro a scorrimento con feedback lineare binario, costituito da porte XOR e un registro a scorrimento. Questo generatore PN ha la capacità di creare una sequenza identica sia per il trasmettitore che per il ricevitore,and retaining the desirable properties of the noise randomness bit sequence.

Una sequenza PN ha molte caratteristiche come avere un numero quasi uguale di zeri e uno, una correlazione molto bassa tra le versioni spostate della sequenza e una correlazione incrociata molto bassa con altri segnali come interferenza e rumore. Tuttavia, è in grado di correlarsi bene con se stesso e con il suo inverso. Un altro aspetto importante è l'autocorrelazione della sequenza in quanto determina la capacità di sincronizzare e bloccare il codice di diffusione per il segnale ricevuto. Questa lotta effettua efficacemente l'interferenza multipla e migliora l'SNR. Le sequenze M, i codici Gold e le sequenze Kasami sono gli esempi di questa classe di sequenze.

  • Una sequenza di rumore pseudocasuale (PN) è una sequenza di numeri binari, ad esempio ± 1, che sembra essere casuale; ma in effetti è perfettamente deterministico.

  • Le sequenze PN vengono utilizzate per due tipi di tecniche di spettro diffuso PN:

    • Spettro di diffusione del segnale diretto (DS-SS) e

    • Spettro di diffusione del luppolo in frequenza (FH-SS).

  • Se "u" utilizza PSK per modulare la sequenza PN, risulta DS-SS.

  • Se "u" utilizza FSK per modulare la sequenza PN, risulta in FH-SS.

Tecnologia di salto di frequenza

Il salto di frequenza è uno spettro diffuso in cui la propagazione avviene saltando di frequenza su un'ampia banda. L'ordine preciso in cui si verifica l'interruzione è determinato da una tabella di salto generata utilizzando una sequenza di codice pseudo-casuale.

La velocità di salto è una funzione delle informazioni sulla velocità. L'ordine delle frequenze è selezionato dal ricevitore ed è dettato dalla sequenza di rumore pseudo-casuale. Sebbene la trasmissione di uno spettro di segnale a salto di frequenza sia molto diversa da quella di un segnale in sequenza diretta, è sufficiente notare che i dati distribuiti su una banda di segnale è più grande del necessario per il trasporto. In entrambi i casi, il segnale risultante apparirà come rumore e il ricevitore utilizza una tecnica simile, che viene utilizzata nella trasmissione per recuperare il segnale originale.