CDMA - Spread Spectrum

Todas as técnicas de modulação e demodulação buscam maior potência e / ou eficiência de largura de banda em um canal de ruído estacionário aditivo Gaussiano branco. Como a largura de banda é um recurso limitado, um dos principais objetivos do projeto de todos os esquemas de modulação é minimizar a largura de banda necessária para a transmissão. Por outro lado, as técnicas de espalhamento espectral usam uma largura de banda de transmissão que é ordem da magnitude maior do que a largura de banda necessária para o sinal mínimo.

A vantagem da técnica de espalhamento espectral é que - muitos usuários podem usar simultaneamente a mesma largura de banda sem interferir uns com os outros. Portanto, espalhar espectro não é econômico quando o número de usuários é menor.

  • Espalhamento de espectro é uma forma de comunicação sem fio na qual a frequência do sinal transmitido é deliberadamente variada, resultando em uma largura de banda maior.

  • O espectro de dispersão é aparente no teorema da capacidade do canal de Shannon e Hartley -

    C = B × log 2 (1 + S / N)

  • Na equação dada, 'C' é a capacidade do canal em bits por segundo (bps), que é a taxa máxima de dados para uma taxa de erro de bit teórica ( BER ). 'B' é a largura de banda do canal necessária em Hz, e S / N é a relação de potência sinal-ruído.

  • O espectro de dispersão usa sinais de banda larga semelhantes a ruído que são difíceis de detectar, interceptar ou demodular. Além disso, os sinais de espalhamento espectral são mais difíceis de interferir (interferir) do que os sinais de banda estreita.

  • Como os sinais de espalhamento espectral são tão amplos, eles transmitem a uma densidade de potência espectral muito menor, medida em watts por hertz, do que os transmissores de banda estreita. Os sinais de espectro espalhado e de banda estreita podem ocupar a mesma banda, com pouca ou nenhuma interferência. Essa capacidade é a principal atração para todo o interesse em espalhar espectro hoje.

Points to Remember -

  • A largura de banda do sinal transmitido é maior do que a largura de banda mínima da informação, necessária para transmitir o sinal com êxito.

  • Alguma função diferente da informação em si é normalmente empregada para determinar a largura de banda transmitida resultante.

A seguir estão os dois tipos de técnicas de espalhamento espectral -

  • Sequência direta e
  • Salto de frequência.

A sequência direta é adotada pelo CDMA.

Sequência direta (DS)

O Acesso Múltiplo por Divisão de Código de Sequência Direta (DS-CDMA) é uma técnica para multiplexar usuários por códigos diferentes. Nesta técnica, a mesma largura de banda é usada por usuários diferentes. Cada usuário recebe um código de distribuição próprio. Esses conjuntos de códigos são divididos em duas classes -

  • Códigos Ortogonais e
  • Códigos Não Ortogonais

As sequências de Walsh entram na primeira categoria, que são os códigos ortogonais, enquanto outras sequências, ou seja, PN, Gold e Kasami, são sequências de registro de deslocamento.

Os códigos ortogonais são atribuídos aos usuários, a saída do correlacionador no receptor será zero, exceto a sequência desejada. Na sequência direta síncrona, o receptor recebe a mesma sequência de código que foi transmitida para que não haja deslocamento de tempo entre os usuários.

Demodulando sinais DS - 1

Para demodular sinais DS, você precisa saber o código que foi usado no momento da transmissão. Neste exemplo, multiplicando o código usado na transmissão para o sinal de recepção, podemos obter o sinal transmitido.

Neste exemplo, vários códigos foram usados ​​no momento da transmissão (10,110,100) para o sinal recebido. Aqui, nós calculamos usando a lei de dois aditivos (Adição Módulo 2). Ele é ainda demodulado pela multiplicação do código que foi usado no momento dessa transmissão, chamado dereverse diffusion(propagação). No diagrama abaixo, pode-se ver que durante a transmissão dos dados para o espectro de banda estreita (Banda Estreita), o espectro do sinal é difundido.

Demodulando sinais DS - 2

Por outro lado, se você não souber o código que foi usado no momento da transmissão, não poderá demodular. Aqui, você está tentando demodulação no código de diferentes (10101010) e o tempo de transmissão, mas falhou.

Mesmo olhando para o espectro, ele está se espalhando durante o tempo de transmissão. Quando passa por um filtro passa-banda (Band Path Filter), apenas este pequeno sinal permanece e estes não são demodulados.

Características do Spread Spectrum

Conforme mostrado na figura a seguir, a densidade de potência dos sinais Spread Spectrum pode ser menor do que a densidade de ruído. Este é um recurso maravilhoso que pode manter os sinais protegidos e manter a privacidade.

Ao espalhar o espectro do sinal transmitido, pode-se reduzir sua densidade de potência de forma que se torne menor que a densidade de potência do ruído. Desta forma, é possível ocultar o sinal no ruído. Ele pode ser demodulado se você souber o código que foi usado para enviar o sinal. Caso o código não seja conhecido, o sinal recebido permanecerá oculto no ruído mesmo após a demodulação.

DS-CDMA

O código DS é usado em CDMA. Até agora, foi explicada parte básica da comunicação de espalhamento espectral. A partir daqui, explicaremos como funciona o Acesso Múltiplo por Divisão de Código de Sequência Direta (DS-CDMA).

O sinal, que é espalhado por espectro, pode ser demodulado apenas por um código usado para transmissão. Ao usar isso, o sinal de transmissão de cada usuário pode ser identificado por um código separado ao receber o sinal. No exemplo dado, o sinal difundido do usuário A no código A e o sinal difuso do usuário B no código B. Cada um dos sinais quando recebe são misturados. Porém, pelo difusor inverso (Despreadder), ele identifica o sinal de cada usuário.

DS-CDMA System - Forward Link

DS-CDMA System - Reverse Link

Código de propagação

Cross-Correlation

Correlação é um método de medição de quão precisamente um determinado sinal corresponde a um código desejado. Na tecnologia CDMA, cada usuário recebe um código diferente, o código que está sendo atribuído ou escolhido pelo usuário é muito importante para modular o sinal, pois está relacionado ao desempenho do sistema CDMA.

Um obterá o melhor desempenho quando houver uma separação clara entre o sinal dos usuários desejados e os sinais dos outros usuários. Esta separação é feita correlacionando o código de sinal desejado que foi gerado localmente e outros sinais recebidos. Se o sinal corresponder ao código do usuário, a função de correlação será alta e o sistema poderá extrair esse sinal. Se o código desejado pelo usuário não tiver nada em comum com o sinal, a correlação deve ser o mais próxima possível de zero (eliminando o sinal); também conhecido como correlação cruzada. Então, há umself-correlation (Autocorrelação) e cross-correlation (Correlação cruzada).

As propriedades de autocorrelação e código são mostradas no diagrama dado abaixo, onde a correlação entre o código de espalhamento 'A' e o código de espalhamento 'B' é mostrada. Neste exemplo, a correlação calculada do código de espalhamento 'A (1010110001101001) e do código de espalhamento' B '(1010100111001001) é fornecida, durante a execução de cálculos no exemplo abaixo, o resultado chegou a 6/16.

Preferable Codes

O código preferível é usado em CDMA. Existem diferentes códigos que podem ser usados ​​dependendo do tipo de sistema de CDMA. Existem dois tipos de sistema -

  • Sistema Síncrono (Síncrono) e
  • Sistema assíncrono (assíncrono).

Em um sistema síncrono, códigos ortogonais (código ortogonal) podem ser usados. Em sistema assíncrono para isso, como código pseudo-aleatório (Ruído Pseudo-aleatório) ou código Gold é usado.

A fim de minimizar a interferência mútua no DS-CDMA, os códigos de espalhamento com menos correlação cruzada devem ser escolhidos.

Synchronous DS-CDMA

  • Os códigos ortogonais são apropriados. (Código Walsh etc.)

Asynchronous DS-CDMA

  • Códigos de ruído pseudoaleatório (PN) / sequência máxima
  • Códigos Ouro

Synchronous DS-CDMA

Os sistemas CDMA síncronos são realizados em sistemas ponto a multiponto. Por exemplo, Encaminhar link (estação base para estação móvel) no telefone móvel.

O sistema de sincronização é usado em sistemas um-para-muitos (ponto a multiponto). Por exemplo, em um determinado momento, em um sistema de comunicação móvel, uma única estação base (BTS) pode se comunicar com vários telefones celulares (link direto / downlink).

Neste sistema, um sinal de transmissão para todos os usuários pode se comunicar em sincronização. Significa, "Sincronização" neste ponto é um sentido que pode ser enviado para alinhar a parte superior de cada sinal do usuário. Neste sistema, é possível usar códigos ortogonais e também é possível reduzir a interferência mútua. E códigos ortogonais, é o sinal, como correlação cruzada, ou seja, 0.

Asynchronous DS-CDMA

No sistema CDMA assíncrono, os códigos ortogonais têm correlação cruzada ruim.

Ao contrário do sinal da estação base, o sinal da estação móvel para a estação base torna-se o sistema assíncrono.

Em um sistema assíncrono, aumenta um pouco a interferência mútua, mas usa os outros códigos, como código PN ou código Gold.

Vantagens do Spread Spectrum

Como o sinal é espalhado por uma ampla banda de frequência, a densidade espectral de potência torna-se muito baixa, de modo que outros sistemas de comunicação não sofrem com esse tipo de comunicação. No entanto, o ruído gaussiano aumenta. Dada a seguir está uma lista de algumas das principais vantagens do Spread Spectrum -

  • O multipath pode ser combinado, pois um grande número de códigos pode ser gerado, permitindo um grande número de usuários.

  • Em espalhamento espectral, não há limite de usuários, enquanto há limitações de usuários na tecnologia FDMA.

  • Segurança - sem conhecer o código de propagação, dificilmente é possível recuperar os dados transmitidos.

  • Rejeição descendente - conforme grande largura de banda é usada, o sistema; é menos suscetível à deformação.

Sequência PN

O sistema DS-CDMA usa dois tipos de sequências de propagação, ou seja, PN sequences e orthogonal codes. Conforme mencionado acima, a sequência PN é gerada pelo gerador de ruído pseudo-aleatório. É simplesmente um registrador de deslocamento de feedback linear binário, consistindo em portas XOR e um registrador de deslocamento. Este gerador PN tem a capacidade de criar uma sequência idêntica para o transmissor e o receptor,and retaining the desirable properties of the noise randomness bit sequence.

Uma sequência PN tem muitos recursos, como ter um número quase igual de zeros e uns, correlação muito baixa entre versões alteradas da sequência e correlação cruzada muito baixa com outros sinais, como interferência e ruído. No entanto, é capaz de se correlacionar bem consigo mesmo e com seu inverso. Outro aspecto importante é a autocorrelação da sequência, pois determina a capacidade de sincronizar e travar o código de espalhamento para o sinal recebido. Esta luta afeta efetivamente a interferência múltipla e melhora o SNR. Sequências M, códigos Gold e sequências de Kasami são os exemplos dessa classe de sequências.

  • Uma sequência de ruído pseudo-aleatório (PN) é uma sequência de números binários, por exemplo, ± 1, que parece ser aleatório; mas é, na verdade, perfeitamente determinista.

  • As sequências PN são usadas para dois tipos de técnicas de espectro de propagação PN -

    • Espectro de propagação de sinal direto (DS-SS) e

    • Espectro de propagação de salto de frequência (FH-SS).

  • Se 'u' usa PSK para modular a sequência PN, isso resulta em DS-SS.

  • Se 'u' usa FSK para modular a sequência PN, isso resulta em FH-SS.

Tecnologia de salto de frequência

O salto de frequência é um espectro de propagação no qual a propagação ocorre por meio do salto de frequência em uma banda larga. A ordem precisa em que a quebra ocorre é determinada por uma tabela de salto gerada usando uma sequência de código pseudo-aleatória.

A taxa de salto é uma função das informações de velocidade. A ordem das frequências é selecionada pelo receptor e ditada pela sequência de ruído pseudo-aleatório. Embora a transmissão de um espectro de sinal de salto de frequência seja bastante diferente daquela de um sinal de sequência direta, é suficiente notar que os dados distribuídos por uma banda de sinal é maior do que o necessário para transportar. Em ambos os casos, o sinal resultante aparecerá como ruído e o receptor usa uma técnica semelhante, que é usada na transmissão para recuperar o sinal original.