CDMA-확산 스펙트럼
모든 기술적 변조 및 복조는 백색 가우스 가산 성 고정 잡음 채널에서 더 큰 전력 및 / 또는 대역폭 효율성을 위해 노력합니다. 대역폭은 제한된 리소스이므로 모든 변조 방식의 주요 설계 목표 중 하나는 전송에 필요한 대역폭을 최소화하는 것입니다. 반면에, 확산 스펙트럼 기술은 최소 신호에 필요한 대역폭보다 훨씬 큰 전송 대역폭을 사용합니다.
스펙트럼 확산 기술의 장점은 많은 사용자가 서로 간섭하지 않고 동일한 대역폭을 동시에 사용할 수 있다는 것입니다. 따라서 사용자 수가 적을 때 확산 스펙트럼은 경제적이지 않습니다.
확산 스펙트럼은 전송 된 신호의 주파수가 의도적으로 변경되어 더 높은 대역폭을 생성하는 무선 통신의 한 형태입니다.
확산 스펙트럼은 Shannon 및 Hartley 채널 용량 정리에서 분명합니다.
C = B × 로그 2 (1 + S / N)
주어진 방정식에서 'C'는 초당 비트 수 (bps) 단위의 채널 용량이며 이론적 인 비트 오류율 ( BER )에 대한 최대 데이터 속도입니다 . 'B'는 필요한 채널 대역폭 (Hz)이고 S / N은 신호 대 잡음 전력 비율입니다.
확산 스펙트럼은 감지, 가로 채기 또는 복조가 어려운 광대역 잡음 유사 신호를 사용합니다. 또한 확산 스펙트럼 신호는 협 대역 신호보다 방해 (간섭)하기가 더 어렵습니다.
확산 스펙트럼 신호는 매우 넓기 때문에 협 대역 송신기보다 헤르츠 당 와트로 측정되는 훨씬 낮은 스펙트럼 전력 밀도로 전송합니다. 확산 스펙트럼 및 협 대역 신호는 간섭이 거의 또는 전혀없이 동일한 대역을 차지할 수 있습니다. 이 기능은 오늘날 확산 스펙트럼에 대한 모든 관심의 주요 매력입니다.
Points to Remember −
전송 된 신호 대역폭은 신호를 성공적으로 전송하는 데 필요한 최소 정보 대역폭보다 큽니다.
정보 자체 이외의 일부 기능은 일반적으로 결과 전송 대역폭을 결정하는 데 사용됩니다.
다음은 두 가지 유형의 확산 스펙트럼 기술입니다.
- 직접 시퀀스 및
- 주파수 도약.
Direct Sequence는 CDMA에 의해 채택됩니다.
직접 시퀀스 (DS)
DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiple Access)는 사용자를 서로 다른 코드로 다중화하는 기술입니다. 이 기술에서는 다른 사용자가 동일한 대역폭을 사용합니다. 각 사용자에게는 고유 한 확산 코드가 할당됩니다. 이 코드 세트는 두 가지 클래스로 나뉩니다.
- 직교 코드 및
- 비 직교 코드
Walsh 시퀀스는 Orthogonal Codes 인 첫 번째 범주에 속하지만 다른 시퀀스 (예 : PN, Gold 및 Kasami)는 시프트 레지스터 시퀀스입니다.
직교 코드가 사용자에게 할당되고 수신기의 상관기 출력은 원하는 시퀀스를 제외하고 0이됩니다. 동기식 직접 시퀀스에서 수신자는 전송 된 것과 동일한 코드 시퀀스를 수신하므로 사용자간에 시간 이동이 없습니다.
DS 신호 복조-1
DS 신호를 복조하려면 전송시 사용 된 코드를 알아야합니다. 이 예에서는 전송에 사용 된 코드를 수신 신호에 곱하여 전송 된 신호를 얻을 수 있습니다.
이 예에서는 수신 된 신호로 전송 (10,110,100) 할 때 여러 코드가 사용되었습니다. 여기에서는 두 가지 첨가제의 법칙 (모듈로 2 더하기)을 사용하여 계산했습니다. 이 전송시 사용 된 코드를 곱하여 더 복조됩니다.reverse diffusion(역 확산). 아래의 다이어그램에서 데이터를 협 대역 (Narrow Band) 스펙트럼으로 전송하는 동안 신호의 스펙트럼이 확산됨을 알 수 있습니다.
DS 신호 복조 − 2
반면에 전송시 사용 된 코드를 모르면 복조 할 수 없습니다. 여기에서 다른 코드 (10101010)와 전송 시간을 복조하려고하는데 실패했습니다.
스펙트럼을 봐도 전송 시간에 퍼지고 있습니다. 대역 통과 필터 (대역 경로 필터)를 통과 할 때이 작은 신호 만 남고 복조되지 않습니다.
확산 스펙트럼의 특징
다음 그림에서 볼 수 있듯이 Spread Spectrum 신호의 전력 밀도는 노이즈 밀도보다 낮을 수 있습니다. 이것은 신호를 보호하고 프라이버시를 유지할 수있는 멋진 기능입니다.
전송 된 신호의 스펙트럼을 확산함으로써 잡음의 전력 밀도보다 낮아 지도록 전력 밀도를 줄일 수 있습니다. 이러한 방식으로 노이즈에서 신호를 숨길 수 있습니다. 신호를 보내는 데 사용 된 코드를 알고 있으면 복조 할 수 있습니다. 코드를 알 수없는 경우 수신 된 신호는 복조 후에도 노이즈에 숨겨져 있습니다.
DS-CDMA
DS 코드는 CDMA에서 사용됩니다. 지금까지 스펙트럼 확산 통신의 기본 부분에 대해 설명했습니다. 여기에서 DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiple Access)가 어떻게 작동하는지 설명합니다.
스펙트럼 확산 신호는 전송에 사용되는 코드로만 복조 할 수 있습니다. 이를 이용하여 각 사용자의 전송 신호는 신호 수신시 별도의 코드로 식별 할 수 있습니다. 주어진 예에서, 코드 A에서 사용자 A의 확산 신호와 코드 B에서 사용자 B의 확산 신호. 수신시 각 신호가 혼합됩니다. 그러나 역 확산기 (Despreadder)에 의해 각 사용자의 신호를 식별합니다.
DS-CDMA System - Forward Link
DS-CDMA System - Reverse Link
확산 코드
Cross-Correlation
상관 관계는 주어진 신호가 원하는 코드와 얼마나 정확하게 일치하는지 측정하는 방법입니다. CDMA 기술에서 각 사용자는 다른 코드로 할당되며, 사용자가 할당하거나 선택한 코드는 CDMA 시스템의 성능과 관련이 있기 때문에 신호를 변조하는 데 매우 중요합니다.
원하는 사용자의 신호와 다른 사용자의 신호가 명확하게 구분 될 때 하나는 최상의 성능을 얻을 수 있습니다. 이 분리는 국부적으로 생성 된 원하는 신호 코드와 기타 수신 된 신호를 상관시킴으로써 이루어집니다. 신호가 사용자의 코드와 일치하면 상관 함수가 높고 시스템이 해당 신호를 추출 할 수 있습니다. 사용자가 원하는 코드가 신호와 공통점이없는 경우 상관 관계는 가능한 한 0에 가까워 야합니다 (따라서 신호가 제거됨). 교차 상관이라고도합니다. 그래서self-correlation (자기 상관) 및 cross-correlation (상호 상관).
자기 상관과 코드의 속성은 확산 코드 'A'와 확산 코드 'B'의 상관 관계를 보여주는 아래 다이어그램에 나와 있습니다. 이 예제에서는 확산 코드 'A (1010110001101001)와 확산 코드'B '(1010100111001001)의 계산 된 상관 관계가 주어졌고, 아래 예제에서 계산을 수행하면 결과가 6/16이되었습니다.
Preferable Codes
선호하는 코드는 CDMA에서 사용됩니다. CDMA 시스템의 유형에 따라 사용할 수있는 다른 코드가 있습니다. 시스템에는 두 가지 유형이 있습니다.
- 동기 (동기) 시스템 및
- 비동기 (비동기) 시스템.
동기식 시스템에서는 직교 코드 (Orthogonal Code)를 사용할 수 있습니다. 이를 위해 비동기 시스템에서는 의사 난수 코드 (Pseudo-random Noise) 나 Gold 코드가 사용됩니다.
DS-CDMA에서 상호 간섭을 최소화하기 위해서는 상호 상관이 적은 확산 코드를 선택해야합니다.
Synchronous DS-CDMA
- 직교 코드가 적절합니다. (월시 코드 등)
Asynchronous DS-CDMA
- PN (Pseudo-random Noise) 코드 / 최대 시퀀스
- 골드 코드
Synchronous DS-CDMA
동기식 CDMA 시스템은 Point to Multi-point 시스템에서 실현됩니다. 예를 들어 휴대폰의 포워드 링크 (기지국에서 이동국으로).
동기화 시스템은 일대 다 (Point to Multipoint) 시스템에서 사용됩니다. 예를 들어, 이동 통신 시스템에서 단일 기지국 (BTS)은 주어진 시간에 여러 개의 휴대폰 (순방향 링크 / 하향 링크)과 통신 할 수있다.
이 시스템에서는 모든 사용자에 대한 전송 신호가 동기화되어 통신 할 수 있습니다. 즉, "동기화"라는 점에서 각 사용자 신호를 정렬하여 보낼 수있는 감각입니다. 이 시스템에서는 직교 코드를 사용할 수 있으며 상호 간섭을 줄이는 것도 가능합니다. 그리고 직교 코드는 교차 상관, 즉 0과 같은 부호입니다.
Asynchronous DS-CDMA
비동기식 CDMA 시스템에서 직교 코드는 상호 상관 관계가 좋지 않습니다.
기지국의 신호와 달리 이동국에서 기지국으로의 신호는 비동기 시스템이됩니다.
비동기식 시스템에서는 상호 간섭이 다소 증가하지만 PN 코드 또는 골드 코드와 같은 다른 코드를 사용합니다.
확산 스펙트럼의 장점
신호가 넓은 주파수 대역에 퍼져 있기 때문에 전력 스펙트럼 밀도가 매우 낮아 지므로 다른 통신 시스템은 이러한 종류의 통신에 영향을받지 않습니다. 그러나 가우스 잡음이 증가합니다. 다음은 Spread Spectrum의 몇 가지 주요 이점 목록입니다.
다수의 코드가 생성 될 수 있으므로 다중 경로를 합의 할 수있어 많은 사용자가 허용됩니다.
확산 스펙트럼에서는 사용자 제한이 없지만 FDMA 기술에는 사용자 제한이 있습니다.
보안-확산 코드를 모르면 전송 된 데이터를 복구하는 것이 거의 불가능합니다.
내림차순 거부-시스템이 큰 대역폭을 사용하므로; 변형에 덜 민감합니다.
PN 시퀀스
DS-CDMA 시스템은 두 가지 유형의 확산 시퀀스를 사용합니다. PN sequences 과 orthogonal codes. 위에서 언급했듯이 PN 시퀀스는 의사 랜덤 노이즈 생성기에 의해 생성됩니다. XOR 게이트와 시프트 레지스터로 구성된 단순한 이진 선형 피드백 시프트 레지스터입니다. 이 PN 생성기는 송신기와 수신기 모두에 대해 동일한 시퀀스를 생성 할 수 있습니다.and retaining the desirable properties of the noise randomness bit sequence.
PN 시퀀스에는 거의 동일한 수의 0과 1, 시퀀스의 시프트 된 버전간에 매우 낮은 상관 관계, 간섭 및 노이즈와 같은 다른 신호와의 매우 낮은 상호 상관과 같은 많은 기능이 있습니다. 그러나 그것은 그 자체와 그 반대와 잘 연관 될 수 있습니다. 또 다른 중요한 측면은 수신 신호에 대한 확산 코드를 동기화하고 잠그는 기능을 결정하므로 시퀀스의 자기 상관입니다. 이 싸움은 다중 간섭에 효과적으로 영향을 미치고 SNR을 향상시킵니다. M- 시퀀스, 골드 코드 및 Kasami 시퀀스는 이러한 종류의 시퀀스의 예입니다.
PN (Pseudo-random Noise) 시퀀스는 이진 숫자의 시퀀스입니다. 예를 들어 ± 1은 무작위로 나타납니다. 그러나 사실은 완벽하게 결정적입니다.
PN 시퀀스는 두 가지 유형의 PN 확산 스펙트럼 기술에 사용됩니다.
DS-SS (Direct Signal Spread Spectrum) 및
주파수 홉 확산 스펙트럼 (FH-SS).
'u'가 PN 시퀀스를 변조하기 위해 PSK를 사용하면 DS-SS가됩니다.
'u'가 PN 시퀀스를 변조하기 위해 FSK를 사용하면 FH-SS가됩니다.
주파수 도약 기술
주파수 호핑 (Frequency hopping)은 전파가 광대역에 걸쳐 주파수를 호핑하여 발생하는 확산 스펙트럼입니다. 중단이 발생하는 정확한 순서는 의사 랜덤 코드 시퀀스를 사용하여 생성 된 호핑 테이블에 의해 결정됩니다.
도약 률은 속도 정보의 함수입니다. 주파수의 순서는 수신기에 의해 선택되며 의사 랜덤 잡음 시퀀스에 의해 결정됩니다. 주파수 호핑 신호 스펙트럼의 전송은 직접 시퀀스 신호의 전송과 상당히 다르지만 데이터가 신호 대역에 분산되어 전송하는 데 필요한 것보다 크다는 점에 유의하면 충분합니다. 두 경우 모두 결과 신호는 잡음으로 나타나고 수신기는 전송에서 원래 신호를 복구하는 데 사용되는 유사한 기술을 사용합니다.