CDMA - Spread Spectrum

Cała techniczna modulacja i demodulacja dążą do uzyskania większej mocy i / lub wydajności pasma w białym, dodatkowym, stacjonarnym kanale szumu Gaussa. Ponieważ przepustowość jest ograniczonym zasobem, jednym z głównych celów projektowych wszystkich schematów modulacji jest zminimalizowanie przepustowości wymaganej do transmisji. Z drugiej strony, techniki widma rozproszonego wykorzystują szerokość pasma transmisji, która jest o rząd wielkości większa niż szerokość pasma wymagana dla sygnału minimalnego.

Zaletą techniki widma rozproszonego jest to, że - wielu użytkowników może jednocześnie korzystać z tej samej szerokości pasma bez wzajemnych zakłóceń. Dlatego rozproszone widmo nie jest ekonomiczne, gdy liczba użytkowników jest mniejsza.

Widmo rozproszone to forma komunikacji bezprzewodowej, w której częstotliwość transmitowanego sygnału jest celowo zmieniana, co skutkuje wyższą szerokością pasma.
Widmo rozproszone jest widoczne w twierdzeniu Shannona i Hartleya o pojemności kanału -

C = B × log ₂ (1 + S / N)
W podanym równaniu `` C '' jest przepustowością kanału w bitach na sekundę (b / s), która jest maksymalną szybkością przesyłania danych dla teoretycznej bitowej stopy błędów ( BER ). „B” to wymagana szerokość pasma kanału w Hz, a S / N to stosunek mocy sygnału do szumu.
Widmo rozproszone wykorzystuje szerokopasmowe sygnały podobne do szumu, które są trudne do wykrycia, przechwycenia lub demodulacji. Ponadto sygnały o widmie rozproszonym są trudniejsze do zagłuszania (zakłócania) niż sygnały wąskopasmowe.
Ponieważ sygnały o widmie rozproszonym są tak szerokie, transmitują z dużo mniejszą widmową gęstością mocy, mierzoną w watach na herc, niż nadajniki wąskopasmowe. Sygnały o widmie rozproszonym i sygnały wąskopasmowe mogą zajmować to samo pasmo, z niewielkimi zakłóceniami lub bez zakłóceń. Ta zdolność jest główną atrakcją dla wszystkich dzisiejszych zainteresowań widmem rozproszonym.

Points to Remember -

Przepustowość przesyłanego sygnału jest większa niż minimalna szerokość pasma informacji, która jest potrzebna do pomyślnego przesłania sygnału.
Niektóre funkcje inne niż same informacje są zwykle wykorzystywane do określenia wynikowej przepustowości transmitowanego pasma.

Poniżej przedstawiono dwa rodzaje technik widma rozproszonego -

Direct Sequence i
Skakanie po częstotliwościach.

Direct Sequence został przyjęty przez CDMA.

Direct Sequence (DS)

Bezpośredni dostęp wielokrotny z podziałem kodu sekwencji (DS-CDMA) to technika multipleksowania użytkowników przy użyciu różnych kodów. W tej technice ta sama przepustowość jest używana przez różnych użytkowników. Każdy użytkownik ma przypisany jeden własny kod rozproszenia. Te zestawy kodów są podzielone na dwie klasy -

Kody ortogonalne i
Kody nieortogonalne

Sekwencje Walsha należą do pierwszej kategorii, którą są kody ortogonalne, podczas gdy inne sekwencje, np. PN, Gold i Kasami, są sekwencjami rejestru przesuwnego.

Kody ortogonalne są przydzielane użytkownikom, wyjście korelatora w odbiorniku będzie wynosić zero, z wyjątkiem żądanej sekwencji. W synchronicznej sekwencji bezpośredniej odbiornik odbiera tę samą sekwencję kodu, która została przesłana, dzięki czemu nie ma przesunięcia czasowego między użytkownikami.

Demodulacja sygnałów DS - 1

Aby zdemodulować sygnały DS, musisz znać kod, który był używany w czasie transmisji. W tym przykładzie, mnożąc kod użyty w transmisji na sygnał odbiorczy, możemy uzyskać przesyłany sygnał.

W tym przykładzie użyto wielu kodów w momencie transmisji (10,110,100) do odebranego sygnału. Tutaj obliczyliśmy, korzystając z prawa dwóch dodatków (Modulo 2 Addition). Jest dalej demodulowany przez pomnożenie kodu, który był używany w czasie tej transmisji, zwanyreverse diffusion(odrobaczanie). Na poniższym schemacie widać, że podczas transmisji danych do widma wąskopasmowego (wąskopasmowego), widmo sygnału jest rozproszone.

Demodulacja sygnałów DS - 2

Z drugiej strony, jeśli nie znasz kodu, który był używany w czasie transmisji, nie będziesz w stanie zdemodulować. Tutaj próbujesz zdemodulować w kodzie o innym (10101010) i czasie transmisji, ale to się nie udało.

Nawet patrząc na widmo, rozprzestrzenia się ono w czasie transmisji. Po przejściu przez filtr pasmowo-przepustowy (filtr pasmowy) pozostaje tylko ten mały sygnał, który nie jest demodulowany.

Cechy Spread Spectrum

Jak pokazano na poniższym rysunku, gęstość mocy sygnałów widma rozproszonego może być niższa niż gęstość szumów. To wspaniała funkcja, która może chronić sygnały i zachować prywatność.

Rozpraszając widmo transmitowanego sygnału, można zmniejszyć jego gęstość mocy tak, aby była mniejsza niż gęstość mocy szumu. W ten sposób można ukryć sygnał w szumie. Można go zdemodulować, jeśli znasz kod, który został użyty do wysłania sygnału. W przypadku, gdy kod nie jest znany, odebrany sygnał pozostanie ukryty w szumie nawet po demodulacji.

DS-CDMA

Kod DS jest używany w CDMA. Jak dotąd wyjaśniono podstawową część komunikacji w zakresie widma rozproszonego. W tym miejscu wyjaśnimy, jak działa wielokrotny dostęp z bezpośrednim podziałem kodu sekwencji (DS-CDMA).

Sygnał, który jest widmem rozproszonym, może być demodulowany tylko za pomocą kodu używanego do transmisji. Dzięki temu sygnał transmisji każdego użytkownika może być zidentyfikowany za pomocą oddzielnego kodu, gdy odbiera on sygnał. W podanym przykładzie sygnał rozproszony użytkownika A w kodzie A i sygnał rozproszony użytkownika B w kodzie B. Każdy z odbieranych sygnałów jest mieszany. Jednak dzięki odwrotnemu dyfuzorowi (Despreadder) identyfikuje sygnał każdego użytkownika.

DS-CDMA System - Forward Link

DS-CDMA System - Reverse Link

Kod rozpowszechniania

Cross-Correlation

Korelacja to metoda pomiaru dokładności dopasowania danego sygnału do żądanego kodu. W technologii CDMA każdemu użytkownikowi przypisany jest inny kod, kod, który jest przypisywany lub wybierany przez użytkownika, jest bardzo ważny dla modulacji sygnału, ponieważ jest powiązany z wydajnością systemu CDMA.

Najlepszą wydajność uzyskuje się, gdy będzie wyraźna separacja między sygnałem pożądanych użytkowników a sygnałami innych użytkowników. Ta separacja jest dokonywana poprzez korelację pożądanego kodu sygnału, który został wygenerowany lokalnie, i innych odebranych sygnałów. Jeśli sygnał jest zgodny z kodem użytkownika, funkcja korelacji będzie wysoka i system może wyodrębnić ten sygnał. Jeśli żądany przez użytkownika kod nie ma nic wspólnego z sygnałem, korelacja powinna być możliwie bliska zeru (eliminując w ten sposób sygnał); znany również jako korelacja krzyżowa. Tak więc jestself-correlation (Korelacja własna) i cross-correlation (Korelacja krzyżowa).

Właściwości samokorelacji i kodu pokazano na poniższym diagramie, na którym pokazano korelację między kodem rozpraszającym „A” a kodem rozpraszającym „B”. W tym przykładzie podano obliczoną korelację kodu rozprzestrzeniania „A (1010110001101001)” i kodu „B” (1010100111001001), podczas wykonywania obliczeń w poniższym przykładzie wynik wyniósł 6/16.

Preferable Codes

Preferowany kod jest używany w CDMA. Istnieją różne kody, których można używać w zależności od typu systemu CDMA. Istnieją dwa rodzaje systemów -

System synchroniczny (synchroniczny) i
System asynchroniczny (asynchroniczny).

W systemie synchronicznym można stosować kody ortogonalne (kod ortogonalny). W systemie asynchronicznym używany jest do tego kod pseudolosowy (pseudolosowy szum) lub kod Gold.

Aby zminimalizować wzajemne interferencje w DS-CDMA, należy wybrać kody rozpraszania o mniejszej korelacji krzyżowej.

Synchronous DS-CDMA

Kody ortogonalne są odpowiednie. (Kod Walsha itp.)

Asynchronous DS-CDMA

Kody szumu pseudolosowego (PN) / sekwencja maksymalna
Złote kody

Synchronous DS-CDMA

Synchroniczne systemy CDMA są realizowane w systemach punkt-wielopunkt. Na przykład łącze do przodu (stacja bazowa do stacji mobilnej) w telefonie komórkowym.

System synchronizacji jest używany w systemach jeden-do-wielu (punkt-wielopunkt). Na przykład w danym czasie w systemie komunikacji mobilnej pojedyncza stacja bazowa (BTS) może komunikować się z wieloma telefonami komórkowymi (łącze nadawcze / łącze w dół).

W tym systemie sygnał transmisji dla wszystkich użytkowników może komunikować się synchronicznie. Oznacza to, że „Synchronizacja” w tym punkcie to sens, który można wysłać, aby wyrównać górę każdego sygnału użytkownika. W tym systemie możliwe jest stosowanie kodów ortogonalnych, a także redukcja wzajemnych zakłóceń. A kody ortogonalne, to znak, taki jak korelacja krzyżowa, czyli 0.

Asynchronous DS-CDMA

W asynchronicznym systemie CDMA kody ortogonalne mają złą korelację krzyżową.

W przeciwieństwie do sygnału ze stacji bazowej, sygnał ze stacji ruchomej do stacji bazowej staje się systemem asynchronicznym.

W systemie asynchronicznym nieco wzrasta wzajemna interferencja, ale używa on innych kodów, takich jak kod PN lub kod Gold.

Zalety Spread Spectrum

Ponieważ sygnał jest rozłożony w szerokim paśmie częstotliwości, gęstość widmowa mocy staje się bardzo niska, więc inne systemy komunikacyjne nie cierpią z powodu tego rodzaju komunikacji. Jednak szum Gaussa wzrasta. Poniżej znajduje się lista kilku głównych zalet Spread Spectrum -

Można uzgodnić z wieloma ścieżkami, ponieważ można wygenerować dużą liczbę kodów, co pozwala na dużą liczbę użytkowników.
W widmie rozproszonym nie ma ograniczeń użytkowników, natomiast w technologii FDMA istnieją ograniczenia użytkowników.
Bezpieczeństwo - bez znajomości kodu rozprzestrzeniającego odzyskanie przesłanych danych jest prawie niemożliwe.
Odrzucenie malejące - system wykorzystuje dużą przepustowość; jest mniej podatny na odkształcenia.

Sekwencja PN

System DS-CDMA wykorzystuje dwa typy sekwencji rozprzestrzeniania, tj. PN sequences i orthogonal codes. Jak wspomniano powyżej, sekwencja PN jest generowana przez generator szumów pseudolosowych. Jest to po prostu binarny rejestr przesuwny z liniowym sprzężeniem zwrotnym, składający się z bramek XOR i rejestru przesuwnego. Ten generator PN ma możliwość tworzenia sekwencji identycznej zarówno dla nadajnika, jak i dla odbiornika,and retaining the desirable properties of the noise randomness bit sequence.

Sekwencja PN ma wiele cech, takich jak prawie równa liczba zer i jedynek, bardzo niska korelacja między przesuniętymi wersjami sekwencji i bardzo niska korelacja krzyżowa z innymi sygnałami, takimi jak zakłócenia i szum. Jednak jest w stanie dobrze korelować ze sobą i odwrotnie. Innym ważnym aspektem jest autokorelacja sekwencji, ponieważ określa ona zdolność do synchronizacji i blokowania kodu rozpraszającego dla odebranego sygnału. Ta walka skutecznie wpływa na wielokrotne zakłócenia i poprawia SNR. Sekwencje M, kody Gold i sekwencje Kasami są przykładami tej klasy sekwencji.

Sekwencja szumu pseudolosowego (PN) to sekwencja liczb binarnych, np. ± 1, która wydaje się być losowa; ale w rzeczywistości jest to całkowicie deterministyczne.
Sekwencje PN są używane w dwóch typach technik widma rozproszonego PN -
- Direct Signal Spread Spectrum (DS-SS) i
- Widmo rozproszenia częstotliwości (FH-SS).
Jeśli „u” używa PSK do modulowania sekwencji PN, daje to DS-SS.
Jeśli 'u' używa FSK do modulowania sekwencji PN, daje to FH-SS.

Technologia przeskoku częstotliwości

Przeskakiwanie częstotliwości to widmo rozproszone, w którym propagacja odbywa się przez przeskakiwanie częstotliwości w szerokim paśmie. Dokładna kolejność, w jakiej następuje przerwanie, jest określana przez tablicę przeskoków generowaną przy użyciu sekwencji kodu pseudolosowego.

Szybkość przeskoku jest funkcją informacji o prędkości. Kolejność częstotliwości jest wybierana przez odbiornik i jest podyktowana pseudolosową sekwencją szumów. Chociaż transmisja widma sygnału z przeskokiem częstotliwości jest zupełnie inna niż w przypadku sygnału o sekwencji bezpośredniej, wystarczy zauważyć, że dane są rozprowadzane w paśmie sygnału jest większe niż to konieczne do przeniesienia. W obu przypadkach wynikowy sygnał pojawi się jako szum, a odbiornik wykorzystuje podobną technikę, która jest wykorzystywana w transmisji w celu odzyskania oryginalnego sygnału.