CDMA-スペクトラム拡散
すべての技術的な変調および復調は、白色ガウス加法性定常ノイズチャネルの帯域幅のより大きな電力および/または効率を目指して努力します。帯域幅は限られたリソースであるため、すべての変調方式の主要な設計目標の1つは、送信に必要な帯域幅を最小限に抑えることです。一方、スペクトラム拡散技術は、最小信号に必要な帯域幅よりも1桁大きい送信帯域幅を使用します。
スペクトラム拡散技術の利点は、多くのユーザーが互いに干渉することなく同じ帯域幅を同時に使用できることです。したがって、ユーザー数が少ない場合、スペクトラム拡散は経済的ではありません。
スペクトラム拡散は、送信信号の周波数を意図的に変化させて帯域幅を広げる無線通信の一形態です。
スペクトラム拡散は、シャノンとハートレーのチャネル容量定理で明らかです。
C = B×ログ2（1 + S / N）を
与えられた式で、「C」はビット/秒（bps）単位のチャネル容量であり、理論上のビットエラーレート（BER）の最大データレートです。「B」は必要なチャネル帯域幅（Hz）であり、S / Nは信号対雑音比です。
スペクトラム拡散は、検出、傍受、または復調が難しい広帯域のノイズのような信号を使用します。さらに、スペクトラム拡散信号は、狭帯域信号よりも妨害（干渉）しにくいです。
スペクトラム拡散信号は非常に広いため、狭帯域送信機よりもはるかに低いスペクトル電力密度（ワット/ヘルツで測定）で送信します。スペクトラム拡散信号と狭帯域信号は、干渉がほとんどまたはまったくなく、同じ帯域を占めることができます。この機能は、今日のスペクトラム拡散に対するすべての関心の主な魅力です。
Points to Remember −
送信信号帯域幅は、信号を正常に送信するために必要な最小情報帯域幅よりも大きくなっています。
結果として生じる送信帯域幅を決定するために、通常、情報自体以外のいくつかの機能が使用されます。
以下は、2種類のスペクトラム拡散技術です。
- 直接シーケンスと
- 周波数ホッピング。
直接シーケンスはCDMAで採用されています。
直接シーケンス（DS）
直接シーケンス符号分割多元接続（DS-CDMA）は、ユーザーを異なるコードで多重化する手法です。この手法では、同じ帯域幅が異なるユーザーによって使用されます。各ユーザーには、独自の拡散コードが1つ割り当てられます。これらのコードセットは2つのクラスに分けられます-
- 直交コードと
- 非直交コード
Walshシーケンスは、直交コードである最初のカテゴリに分類されますが、他のシーケンス、つまりPN、Gold、およびKasamiはシフトレジスタシーケンスです。
直交コードがユーザーに割り当てられ、レシーバーの相関器の出力は、目的のシーケンスを除いてゼロになります。同期直接シーケンスでは、受信者は送信されたのと同じコードシーケンスを受信するため、ユーザー間でタイムシフトは発生しません。
DS信号の復調-1
DS信号を復調するには、送信時に使用されたコードを知る必要があります。この例では、送信に使用したコードを受信信号に乗算することで、送信信号を取得できます。
この例では、受信信号への送信（10,110,100）時に複数のコードが使用されました。ここでは、2つの添加剤（モジュロ2添加）の法則を使用して計算しました。この送信時に使用されたコードを乗算することにより、さらに復調されます。reverse diffusion（逆拡散）。下の図では、データを狭帯域（狭帯域）スペクトルに送信している間、信号のスペクトルが拡散していることがわかります。
DS信号の復調− 2
一方、送信時に使用されたコードがわからない場合は、復調できません。ここでは、異なるコード（10101010）と送信時間で復調しようとしていますが、失敗しました。
スペクトルを見ても、送信時に広がっています。バンドパスフィルター（バンドパスフィルター）を通過すると、この小さな信号だけが残り、復調されません。
スペクトラム拡散の特徴
次の図に示すように、スペクトラム拡散信号の電力密度は、ノイズ密度よりも低くなる可能性があります。これは、信号を保護し、プライバシーを維持できるすばらしい機能です。
送信信号のスペクトルを拡散することにより、ノイズの電力密度よりも小さくなるように電力密度を下げることができます。このようにして、信号をノイズに隠すことができます。信号の送信に使用されたコードがわかっている場合は、復調できます。コードが不明な場合、復調後も受信信号はノイズに隠れたままになります。
DS-CDMA
DSコードはCDMAで使用されます。これまで、スペクトラム拡散通信の基本的な部分について説明してきました。ここから、直接シーケンス符号分割多元接続（DS-CDMA）がどのように機能するかを説明します。
スペクトラム拡散された信号は、送信に使用されるコードによってのみ復調できます。これを利用することで、各ユーザーの送信信号は、信号を受信したときに個別のコードで識別できます。与えられた例では、コードAでのユーザーAの拡散信号と、コードBでのユーザーBの拡散信号です。受信時の各信号は混合されます。ただし、逆拡散器（Despreadder）により、各ユーザーの信号を識別します。
DS-CDMA System - Forward Link
DS-CDMA System - Reverse Link
拡散コード
Cross-Correlation
相関は、特定の信号が目的のコードとどの程度正確に一致するかを測定する方法です。CDMA技術では、各ユーザーに異なるコードが割り当てられます。ユーザーが割り当てまたは選択するコードは、CDMAシステムのパフォーマンスに関連しているため、信号を変調するために非常に重要です。
目的のユーザーの信号と他のユーザーの信号が明確に分離されている場合に、最高のパフォーマンスが得られます。この分離は、ローカルで生成された目的の信号コードと他の受信信号を相関させることによって行われます。信号がユーザーのコードと一致する場合、相関関数は高くなり、システムはその信号を抽出できます。ユーザーの希望するコードに信号との共通点がない場合、相関は可能な限りゼロに近づける必要があります（したがって信号を排除します）。相互相関とも呼ばれます。だから、ありますself-correlation （自己相関）と cross-correlation （相互相関）。
自己相関とコードの特性を下図に示し、拡散コード「A」と拡散コード「B」の相関を示します。この例では、拡散コード「A（1010110001101001）」と拡散コード「B」（1010100111001001）の計算された相関が示されていますが、以下の例で計算を実行すると、結果は6/16になります。
Preferable Codes
優先コードはCDMAで使用されます。CDMAのシステムのタイプに応じて使用できるさまざまなコードがあります。システムには2つのタイプがあります-
- 同期（同期）システムと
- 非同期（非同期）システム。
同期システムでは、直交コード（直交コード）を使用できます。このための非同期システムでは、疑似ランダムコード（疑似ランダムノイズ）やゴールドコードなどが使用されます。
DS-CDMAでの相互干渉を最小限に抑えるには、相互相関の少ない拡散コードを選択する必要があります。
Synchronous DS-CDMA
- 直交コードが適切です。（ウォルシュコードなど）
Asynchronous DS-CDMA
- 疑似ランダムノイズ（PN）コード/最大シーケンス
- ゴールドコード
Synchronous DS-CDMA
同期CDMAシステムは、ポイントツーマルチポイントシステムで実現されます。たとえば、携帯電話のフォワードリンク（基地局から移動局）。
同期システムは、1対多（ポイントツーマルチポイント）システムで使用されます。たとえば、特定の時間に、モバイル通信システムでは、単一の基地局（BTS）が複数の携帯電話と通信できます（フォワードリンク/ダウンリンク）。
このシステムでは、すべてのユーザーの送信信号が同期して通信できます。つまり、この点での「同期」は、各ユーザー信号の上部を揃えるために送信できる意味です。このシステムでは、直交コードを使用することが可能であり、相互干渉を減らすことも可能です。そして直交コード、それは相互相関、すなわち0などの符号です。
Asynchronous DS-CDMA
非同期CDMAシステムでは、直交コードの相互相関が悪くなります。
基地局からの信号とは異なり、移動局から基地局への信号は非同期システムになります。
非同期システムでは、相互干渉がいくらか増加しますが、PNコードやゴールドコードなどの他のコードを使用します。
スペクトラム拡散の利点
信号が広い周波数帯域に広がるため、パワースペクトル密度が非常に低くなり、他の通信システムはこの種の通信の影響を受けません。ただし、ガウスノイズは増加します。以下に、スペクトラム拡散のいくつかの主な利点のリストを示します。
多数のコードを生成できるため、マルチパスに同意でき、多数のユーザーが使用できます。
スペクトラム拡散では、ユーザーの制限はありませんが、FDMAテクノロジーではユーザーの制限があります。
セキュリティ-拡散コードを知らなければ、送信されたデータを回復することはほとんど不可能です。
降順拒否-広い帯域幅がシステムで使用されているため。変形しにくいです。
PNシーケンス
DS-CDMAシステムは、2種類の拡散シーケンスを使用します。 PN sequences そして orthogonal codes。上記のように、PNシーケンスは疑似ランダムノイズジェネレータによって生成されます。これは、XORゲートとシフトレジスタで構成される単純なバイナリ線形フィードバックシフトレジスタです。このPNジェネレーターには、送信機と受信機の両方で同一のシーケンスを作成する機能があります。and retaining the desirable properties of the noise randomness bit sequence。
PNシーケンスには、ゼロと1の数がほぼ等しい、シーケンスのシフトされたバージョン間の相関が非常に低い、干渉やノイズなどの他の信号との相互相関が非常に低いなど、多くの機能があります。ただし、それ自体およびその逆とうまく相関させることができます。もう1つの重要な側面は、受信信号の拡散コードを同期およびロックする機能を決定するシーケンスの自己相関です。この戦いは効果的に多重干渉に影響を与え、SNRを改善します。M系列、ゴールドコード、およびカサミ系列は、このクラスのシーケンスの例です。
疑似ランダムノイズ（PN）シーケンスは、ランダムに見える±1などの2進数のシーケンスです。しかし実際には、それは完全に決定論的です。
PNシーケンスは、2種類のPNスペクトラム拡散技術に使用されます。
直接信号スペクトラム拡散（DS-SS）および
周波数ホップスペクトラム拡散（FH-SS）。
'u'がPNシーケンスの変調にPSKを使用する場合、DS-SSになります。
'u'がPNシーケンスの変調にFSKを使用する場合、FH-SSになります。
周波数ホッピングテクノロジー
周波数ホッピングは、広帯域にわたって周波数をホッピングすることによって伝搬が行われるスペクトラム拡散です。ブレークが発生する正確な順序は、疑似ランダムコードシーケンスを使用して生成されたホッピングテーブルによって決定されます。
ホッピング速度は速度情報の関数です。周波数の順序は受信機によって選択され、疑似ランダムノイズシーケンスによって決定されます。周波数ホッピング信号スペクトルの送信は、直接シーケンス信号の送信とはかなり異なりますが、データが伝送に必要な信号帯域よりも大きい信号帯域に分散されていることに注意してください。どちらの場合も、結果の信号はノイズとして表示され、受信機は元の信号を復元するために送信で使用される同様の手法を使用します。