مخابرات طیف گسترده

بسم اهلل الرحمن الرحیم مخابرات طیف گسترده ‏spread spectrum communication سید محمد حسین حسینی پویا مهدی همتی فرد تابستان 94 اصول و تاریخچه سیستم های طیف گسترده • از نظ#ر تاریخ#ی کاربرد اولی#ه مخابرات طی#ف گس#ترده در س#یستم های مخابراتی دیجیتال ض#د اختالل برای مقاص#د نظام#ی بوده اس#ت.خصوصیت بارز س#یگنالهای طیف گس#ترده مورد اس#تفاده در انتقال اطالعات دیجیتال وس#عت قاب#ل مالحظ#ه پهنای باند س#ترش پهنای باند باشد.یعنن#ی ضر س#ه ب#ا نرخ اطالعات Rم#ی باشد.یع آنه#ا Wدر مقای ضریی#ب گگس مقایس س#یگنال طی#ف گس#ترده B=W/Rبس#یار بزرگت#ر از ی#ک م#ی باشد .از آنج#ا ک#ه شکل ضریی#ب گس#ترش پهنای بان#د بزرگت#ر از ی#ک توص#یف می موجهای ک#د شده نی#ز ب#ا ضر شوندپ#س کدگذاری عنص#ری مه#م درطراح#ی س#یگنال های طی#ف گس#ترده است.دومین عنص#ر مه#م در طراح#ی س#یگنالهای طی#ف گس#ترده شب#ه تص#ادفی بودن آنهاس#ت که موجب می شود سیگنالها شبیه نویز تصادفی بوده ووامدوله سازی آنها با گیرنده هایی به جز گیرنده های مورد نظر مشکل باشد. اصول و تاریخچه سیستم های طیف گسترده • • • • مقابل#ه وحذف اثرات مخرب تداخ#ل ناش#ی از اختالل (تداخ#ل ناش#ی از سایر کاربران کانال وتداخل ناشی از انتشار چند مسیره) پنهان س#اختن س#یگنال از طری#ق ارس#ال آ#ن ب#ا س#طح توان پایی#ن و مشکل بودن آشکار سازی آن برای گیرنده غیر مجازدر حضور نویز زمینه خصوصی بودن پیام در حضور سایر گیرنده ها مخابرات#ی س#یگنالهای طی#ف گس#ترده عبارتنداز :اندازه گیری دقیق کاربردهای غی#ر مخابرات برد(تاخیرزمانی) ونرخ برد(سرعت) در رادار وناوبری. مدل سیستم مخابراتی دیج#یتال طیف گسترده • مول#د ه#ا دنبال#ه های باینری شب#ه نوی#ز PNتولی#د م#ی کنندک#ه در مدوالتور ب#ه سیگنال ارسالی اعمال شده ودر دمدوالتور از آن حذف می شود • برای دمدوالس#یون همزمان#ی دنبال#ه PNتولی#د شده در گیرنده ب#ا دنباله ی PNموجود در س#یگنال ورودی گیرنده الزام#ی اس#ت.همزمانی را م#ی توان قبل از انتقال اطالعات و ب#ا ارس#ال ی#ک الگوی بی#ت شب#ه تص#ادفی ثاب#ت و تشخی#ص آ#ن توسط گیرنده ایجادنمود. بعداز اینکه مولدها از نظر زمانی همزمان شدند میتوان ارسال اطالعات را آغاز نمود. انواع سیستم های طیف گسترده • • • • #ن بح#ث دونوع مدوالس#یون FSKو PSKمدنظرمان اس#ت PSKدرکاربرهای#ی که میتوان در ایای#ن همدوس#ی بی#ن س#یگنال ارس#الی وس#یگنال دریافت#ی را برای ی#ک بازه زمان#ی نس#بتا طوالن#ی حفظ نمود مناسب است . #بس#تک##ه ح#ف#ظا#ی#نه#مدو#س#ی ب##ه د#ل#ی#لو#جود پ##دیده #هایم#تغیر ب##ا ز#مان ‏FSKدر ک##ار#برد#های#یم#ناس ا# عخ#صوص#یب##ود#نپ##یام در پ##یون#د م#خابرا#ت#یم#مک#نن##باش#د م#ث#لپ##یون#د م#خابرا#ت#یب##ی#ندو هوا#پ#یمایس##ری. # در ح#ضور س##ایر گ##یرنده #ها اگ#ر در کنار مدوالس#یون PSKاز دنبال#ه PNتولی#د شده در مدوالتور برای تغیی#ر شب#ه تصادفی فاز س#یگنال PSKاس#تفاده شودس#یگنال مدول#ه شده حاص#ل را دنبال#ه مستقیمDSیاشبه نویزPNگویند. در ص#ورتی ک#ه دنبال#ه PNهمراه ب#ا موالس#یون FSKباینری ی#ا Mس#طحه اس#تفاده شده وفرکانس س#یگنال ارس#الی را ب#ه ص#ورت شب#ه تص#ادفی انتخاب کن#د س#یگنال حاص#ل را پرش فرکانسیFH گویند. سیگنالهای طیف گسترده دنباله مستقیم • فرض م#ی کنی#م نرخ اطالعات در ورودی ک#د گذار Rبی#ت بر ثانی#ه وپهنای بان#د موجود کانال Wهرتز اس#ت و مدوالس#یونBPSKمی باشد.ب#ه منظور اس#تفاده از تمام#ی پهنای بان#د کانال ،فاز حام#ل به ص#ورت شب#ه تص#ادفی وبر طب#ق الگوی مو#لدPNوب#ا نرخ Wبار در ثانی#ه تغیی#ر م#ی کند.معکوس Wکه ب#ا Tcنشان داده م#ی شود،زمان دوام پالس#ی را ک#ه چی#پ گفت#ه م#ی شود مشخ#ص می کندTcرا بازه ی چی#پ گویند.در س#یستم های عمل#ی نس#بت Tb/Tcی#ک عدد ص#حیح وبرابر تعداد چیپ برای هربی#ت اطالعات اس#تLc=Tb/Tc.یعن#ی Lcتعداد تغیی#ر فازی اس#ت ک#ه م#ی تواند در مدت زمان دوام ی#ک بی#ت در س#یگنال ارس#الی رخ دهد .س#یگنال داده وPNهمچنی#ن مدوالس#یون QPSKبرای س#یستم طی#ف گس#ترده DSدر شک#ل زی#ر نشان داده شده اس#ت.فرض کنی#د ک#د گذار ه#ر بار Kبیت اطالعات را دریاف#ت وی#ک کلم#ه ک#د بلوک#ی خط#ی باینری تولی#د کن#د ،مدت زمان الزم برای ارس#ال یک کلم#ه ک#د KTbاس#ت.یک روش اعمال دنبال#ه PNب#ه س#یگنال ارس#الی عبارت اس#ت از تغیی#ر مستقیم بی#ت های کدشده از طری#ق جم#ع آنه#ا ب#ا دنبال#ه PNدر هن#گ 2ولذا جم#ع شدن ه#ر بی#ت کد شده بابیت دنباله PNموجب تغییر آن می شود.دنباله حاصل به سیگنال PSKنگاشته می شود. سیگنال داده وPNهمچنین مدوالسیون ‏QPSKبرای سیستم طیف گسترده DS انواع سیستم های طیف گسترده • • • • #ن بح#ث دونوع مدوالس#یون FSKو PSKمدنظرمان اس#ت PSKدرکاربرهای#ی که میتوان در ایای#ن همدوس#ی بی#ن س#یگنال ارس#الی وس#یگنال دریافت#ی را برای ی#ک بازه زمان#ی نس#بتا طوالن#ی حفظ نمود مناسب است . #بس#تک##ه ح#ف#ظا#ی#نه#مدو#س#ی ب##ه د#ل#ی#لو#جود پ##دیده #هایم#تغیر ب##ا ز#مان ‏FSKدر ک##ار#برد#های#یم#ناس ا# عخ#صوص#یب##ود#نپ##یام در پ##یون#د م#خابرا#ت#یم#مک#نن##باش#د م#ث#لپ##یون#د م#خابرا#ت#یب##ی#ندو هوا#پ#یمایس##ری. # در ح#ضور س##ایر گ##یرنده #ها اگ#ر در کنار مدوالس#یون PSKاز دنبال#ه PNتولی#د شده در مدوالتور برای تغیی#ر شب#ه تصادفی فاز س#یگنال PSKاس#تفاده شودس#یگنال مدول#ه شده حاص#ل را دنبال#ه مستقیمDSیاشبه نویزPNگویند. در ص#ورتی ک#ه دنبال#ه PNهمراه ب#ا موالس#یون FSKباینری ی#ا Mس#طحه اس#تفاده شده وفرکانس س#یگنال ارس#الی را ب#ه ص#ورت شب#ه تص#ادفی انتخاب کن#د س#یگنال حاص#ل را پرش فرکانسیFH گویند. ویژگی احتمال شنود پایین LPI • یک#ی ازکاربردهای س#یگنالهای دنبال#ه مس#تقیم عبارت اس#ت از ارس#ال س#یگنال مخابراتی ب#ا س#طح توان پایی#ن و در نتیج#ه پنهان نمودن آ#ن در نوی#ز زمین#ه .فرض کنید نوی#ز در پهنای بان#د Wم#ی باشدوPavمیانگی#ن توان سیگنال ‏Navمتوس#ط توان نوی دریافت#ی در گیرنده اس#ت هر چن#د ک#ه نس#بت Pav/Navخیل#ی کوچکت#ر از ی#ک است ام#ا گیرنده ی مجاز م#ی توان#د ب#ا اس#تفاده از بهره ی پردازش وبهره ی کد گذاری س#یگنال ناق#ل اطالعات را بازیاب#ی نمایدام#ا ه#ر گیرنده ی دیگری ک#ه از دنباله ی ‏PNاطالع قبل#ی نداشت#ه باشدنم#ی توان#د از مزی#ت بهره ی پردازش وبهره ی کد گذاری اس#تفاده نمایددر ای#ن ص#ورت احنمال دریاف#ت س#یگنال توس#ط گیرنده غی#ر مجاز پایین بوده وآن را سیگنال با احتمال شنود کم LPIمی نامند. کاربرد سیستم های طیف گسترده درCDMA • یک#ی دیگ#ر ازکاربردهای س#یگنالهای دنبال#ه مس#تقیم مربوط اس#ت ب#ه ارسال همزمان چندی#ن س#یگ#نال روی ی#ک کانال واحدب#ه شرط آنک#ه ه#ر س#یگنال دنباله ی ‏PNمخص#وص ب#ه خود را داشت#ه باش#د ای#ن نوع از مخابرات دیجیتال را دس#تیابی چند گان#ه ب#ا تقس#یمات کدیاCDMAم#ی نامند.نوع#ی از س#یستم CDMAسلولی دیجیتال مبتن#ی بر طی#ف گس#ترده دنبال#ه مس#تقیم در آمریکای شمال#ی ودر بان#د فرکانسی 800 و1900مگاهرت#ز اس#تاندارد شده اس#ت.ساختار دمدوالتور برای برای س#یگنالهای طیف گسترده PNبه شرح ذیل می باشد. اثرتداخل بر سیستم های طیف گستردهDS • • • در مقابل#ه ب#ا تداخ#ل عمدی(اختالل) ای#ن مطل#ب مه#م اس#ت ک#ه اخاللگ#ر ب#ه ج#ز پهنای باند کل#ی کانال ونوع مدوالس#یون هی#چ اطالع قبل#ی از س#ایر مشخص#ات س#یگنال نداشت#ه باشد برای ای#ن منظور ب#ه #ه#ر کدام از شک#ل موجهای س#یگنال ک#د شده ارس#الی ی#ک عنصر عدم قابلیت تخمین ی#ا شبه تص#ادفی بودن وارد می کنند که گیرنده مورد نظر از آن مطلع ولی اخاللگر از آن بی اطالع است. مشخص#ات تداخل ب#ه منبع آن بستگی دارد تداخل را از نظر پهنای باند به دونوع باند پهن وباند باریک واز نظرزمانی نیز به دونوع پیوسته وپالسی تقسیم می کنند . در س#یستم های مخابرات#ی بادس#ترسی چن#د گان#ه #تعدادی کاربر پهنای بان#د یک کانال عموم#ی را اس#تفاده م#ی کنن#د ک#ه ب#ا تداخ#ل ناش#ی از س#ایر کاربران روبرو هس#تیم ،از طریق اعمال الگوهای شب#ه تص#ادفی مختل#ف ب#ه ه#ر کدام از دنبال#ه ه#ا(کلی#د) م#ی توان سیگنال های ارسال شده در این طیف مشترک را از هم تمییز داد. اثرتداخل بر سیستم های طیف گستردهDS • بهره ی پردازش وبهره ی کدگذاری امکان غلب#ه بر اثرا اختالل را فراه#م می کنندیعنی توان تداخ#ل بان#د باری#ک ب#ه میزان#ی برابر بهره ی پردازش کاه#ش م#ی یاب#د همچنی#ن اثر تداخ#ل بان#د باری#ک را م#ی توان ب#ا فیلت#ر کردن س#یگنال قب#ل از عم#ل گسترش بهبود طی#ف ص#اف ک#ه تمام پهنای باند بیشتری بخش بخشیی#د ام#ا اث#ر اختالل پالس#های نوی#ز ب#ا طی سیگنالWرا اشغال می کنند وحشتناک است. • خص#وصی بودن پیام را میتوان بااعمال ی#ک الگوی شب#ه تص#ادفی ب#ه پیام ارس#الی تامین نمود. سیستم های طیف گسترده پرش فرکانسی FH • در س#یستم مخابرات#ی طی#ف گس#ترده پرش فرکانس#ی پهنای بان#د موجود کانال به تعداد زیادی شکاف های فرکانس#ی ب#ه ه#م پیوس#ته تقس#یم می شود.انتخاب شکافهای فرکانس#ی در ه#ر بازه زمان#ی س#یگنال ده#ی ب#ه طور شب#ه تص#ادفی وبر طب#ق خروج#ی یک مولد PNانجام می شود. سیستم های طیف گسترده پرش فرکانسی FH • مدوالس#یون معموال از نوع FSKباینری ی#ا Mس#طحه اس#ت.شکل زی#ر نمودار سیستم طی#ف گس#ترده پرش فرکانسی بلوک#ی را نشان م#ی دهد.در این سیستم Mتک فرکانس ناق#ل اطالعات ب#ا فاص#له فرکانس#ی Tc/1مجاور ه#م بوده ب#ه همی#ن دلی#ل ای#ن سیستم را پرش فرکانسی بلوکی می گویند . سیستم های طیف گسترده پرش فرکانسی FH • اگ#ر مدوالس#یون با#ینری FSKانتخاب شود مدوالتور یک#ی از دو فرکان#س را برای ارسال ی#ک ودیگری را برای ارس#ال ص#فر انتخاب م#ی کند.فرکان#س س#یگنال ب#ه میزان#ی ک#ه توسط دنبال#ه خروج#ی مول#د PNتعیی#ن م#ی شود جابج#ا خواه#د ش#د از ای#ن دنباله برای انتخاب فرکان#س تولی#د شده توس#ط ترکی#ب کننده ی فرکان#س اس#تفاده م#ی شود.ای#ن فرکان#س پس از ضرب شدن در س#یگنال خروج#ی مدوالتور موج#ب جابجای#ی فرکان#س آ#ن شده وسیگنال حاص#ل روی کانال ارس#ال م#ی شود.در گیرنده نی#ز ی#ک مول#د PNیکس#ان وجود دارد،ک#ه با س#یگنال گیرنده همزمان بوده واز آ#ن برای کنترل خروج#ی ترکی#ب کننده فرکان#س استفاده م#ی شود .ب#ا ضرب نمودن س#یگنال دریافت#ی در س#یگنال ایجا#د شده توس#ط ترکیب کننده فرکان#س جابجایی شبه تص#ادفی فرکانسی ایجاد شده در فرس#تنده برطرف می شود سیگنال حا#ص#ل توس#ط ی#ک دمدوالتور FSKدمدول#ه م#ی شود.س#یگنال الزم برای حف#ظ همزمانی مولد PNبا سیگنال دریافتی معموال از خود سیگنا#ل دریافتی استخراج می شود. سیستم های طیف گسترده پرش فرکانسی FH • هرچن#د ک#ه روی ی#ک کانال AWGNعملکرد مدوالس#یون PSKاز FSKبهت#ر اس#ت ام#ا حفظ همدوس#ی فاز در جریان پرش فرکانس#ی در ی#ک پهنای بان#د وس#یع کار مشکل#ی است لذا معموال برای س#یگنالهای طی#ف گس#ترده پرش فرکانس#ی از مدوالس#یون FSKوآشکار س#ازی غی#ر همدوس اس#تفاده می شود. • نوع دیگری از پرش فرکانس#ی ک#ه آس#یب پذیری آ#ن در برابر راه#بردهای اختالل کمت#ر اس#ت،پرش تک فرکانس#ی مس#تقل اس#ت.در ای#ن روش ب#ه Mت#ک فرکان#س خروج#ی مدوالتور شکاف های فرکانسی پراکنده وب#ا فاص#له زیاد تخص#یص داده م#ی شوددر اینج#ا از mبی#ت خروج#ی مول#د PNو Kبی#ت اطالعات جمعا اس#تفاده می شود.نرخ پرش معموال برابر نرخ برای مشخ ارس#الی اس#تفاده فرکانس#ی س#یگنال ارس#الی #ص کردن شکاف فرکانس#ی مشخ#ص س#مبل ی#ا س#ریعتر از آ#ن انتخاب م#ی شود اگ#ر ب#ه ازای ه#ر س#مبل چندی#ن پرش داشت#ه باشی#م س#یگنالی با پرش س#ریع داری#م ام#ا اگ#ر پرش ب#ا نرخ س#مبل انجام شودس#یگنالی ب#ا پرش آهس#ته داریم.پرش فرکانسی س#ریع در کاربردهای ض#د اختالل وبرای جلوگیری از ای#ن ک#ه نوع#ی از مخت#ل کننده ب#ه نام مختل کننده پیرو( )follower jammerزمان کاف#ی برای شنود فرکان#س وارس#ال مجدد آ#ن همرا ب#ا فرکانس های مجاور را به منظور ایجاد تداخل داشته باشد استفاده می شود. سیستم های طیف گسترده پرش فرکانسی FH • شک#ل زی#ر نمودار بلوک#ی س#یستم طی#ف گس#ترده پرش فرکانس#ی ب#ا ت#ک فرکانس های مستقل را نشان می دهد. • س#یتم های طی#ف گس#ترده پرش فرکانس#ی عمدت#ا در س#یستم های مخابراتی دیجیتال دارای قابلی#ت ض#د اختالل ودر CDMAزمان#ی ک#ه تعدادزیادی کاربر قص#د استفاده از ی#ک کانال را دارن#د ب#ه کار م#ی رود در بس#یاری ازموارد س#یگنالهای پرش فرکانسی بر س#یگنالهای دنبال#ه ی مس#تقیم ترجی#ح داده م#ی شوندک#ه دلی#ل آن نیاز ذاتی سیگنالهای طیف گسترده دنباله ی مستقیم به همزمانی دقیق است. انواع دیگرسیگنالهای طیف گسترده • پرش زمانی( : )THدر ای#ن س#یستم ی#ک بازه ی زمان#ی ک#ه ب#ه مرات#ب بزرگتر از معکوس نرخ اطالعات اس#ت انتخاب وب#ه تعدادزیادی شکافهای زمان#ی تقس#یم می شود.س#مبل های اطالعات ک#د شده در قال#ب بلوک های#ی متشک#ل از ی#ک ی#ا چن#د کلمه کد در شکاف های زمانی انتخاب شده به صورت شبه تصادفی ارسال می شوند. • سسیگنالهای طیف گسترده ترکیبی :ای#ن س#یگنالها از ترکی#ب 3روش DS-FH- THس##اخته م##ی شوند .چن##د نمون##ه رای##ج از ای##ن م##د های ترکیبی ‏DS/FHومد DS/THم#ی باشن#د .در عم#ل م#د ترکیبی DS/FHدارای کاربرد بیشتری به خصوص در مقاصد نظامی مثل لینک 16می باشد.