مخابرات طیف گسترده

مخابرات طیف گسترده

اسلاید 1: بسم الله الرحمن الرحیممخابرات طیف گستردهspread spectrum communicationسید محمد حسین حسینی پویا مهدی همتی فردتابستان 94

اسلاید 2: اصول و تاریخچه سیستم های طیف گستردهاز نظر تاریخی کاربرد اولیه مخابرات طیف گسترده در سیستم های مخابراتی دیجیتال ضد اختلال برای مقاصد نظامی بوده است.خصوصیت بارز سیگنالهای طیف گسترده مورد استفاده در انتقال اطلاعات دیجیتال وسعت قابل ملاحظه پهنای باند آنها Wدر مقایسه با نرخ اطلاعاتR می باشد.یعنی ضریب گسترش پهنای باند سیگنال طیف گسترده B=W/Rبسیار بزرگتر از یک می باشد. از آنجا که شکل موجهای کد شده نیز با ضریب گسترش پهنای باند بزرگتر از یک توصیف می شوندپس کدگذاری عنصری مهم درطراحی سیگنال های طیف گسترده است.دومین عنصر مهم در طراحی سیگنالهای طیف گسترده شبه تصادفی بودن آنهاست که موجب می شود سیگنالها شبیه نویز تصادفی بوده ووامدوله سازی آنها با گیرنده هایی به جز گیرنده های مورد نظر مشکل باشد.

اسلاید 3: اصول و تاریخچه سیستم های طیف گستردهمقابله وحذف اثرات مخرب تداخل ناشی از اختلال (تداخل ناشی از سایر کاربران کانال وتداخل ناشی از انتشار چند مسیره)پنهان ساختن سیگنال از طریق ارسال آن با سطح توان پایین و مشکل بودن آشکار سازی آن برای گیرنده غیر مجازدر حضور نویز زمینهخصوصی بودن پیام در حضور سایر گیرنده هاکاربردهای غیر مخابراتی سیگنالهای طیف گسترده عبارتنداز: اندازه گیری دقیق برد(تاخیرزمانی) ونرخ برد(سرعت) در رادار وناوبری.

اسلاید 4: مدل سیستم مخابراتی دیجیتال طیف گسترده مولد ها دنباله های باینری شبه نویز PN تولید می کنندکه در مدولاتور به سیگنال ارسالی اعمال شده ودر دمدولاتور از آن حذف می شودبرای دمدولاسیون همزمانی دنباله PNتولید شده در گیرنده با دنباله ی PN موجود در سیگنال ورودی گیرنده الزامی است.همزمانی را می توان قبل از انتقال اطلاعات و با ارسال یک الگوی بیت شبه تصادفی ثابت و تشخیص آن توسط گیرنده ایجادنمود. بعداز اینکه مولدها از نظر زمانی همزمان شدند میتوان ارسال اطلاعات را آغاز نمود.

اسلاید 5: انواع سیستم های طیف گستردهدر این بحث دونوع مدولاسیون FSKوPSK مدنظرمان است PSKدرکاربرهایی که میتوان همدوسی بین سیگنال ارسالی وسیگنال دریافتی را برای یک بازه زمانی نسبتا طولانی حفظ نمود مناسب است .FSKدر کاربردهایی مناسب است که حفظ این همدوسی به دلیل وجود پدیده های متغیر با زمان در پیوند مخابراتی ممکن نباشد مثل پیوند مخابراتی بین دو هواپیمای سریع.خصوصی بودن پیام در حضور سایر گیرنده هااگر در کنار مدولاسیون PSK از دنباله PN تولید شده در مدولاتور برای تغییر شبه تصادفی فاز سیگنال PSK استفاده شودسیگنال مدوله شده حاصل را دنباله مستقیمDSیاشبه نویزPNگویند.در صورتی که دنباله PNهمراه با مولاسیون FSKباینری یا M سطحه استفاده شده وفرکانس سیگنال ارسالی را به صورت شبه تصادفی انتخاب کند سیگنال حاصل را پرش فرکانسیFH گویند.

اسلاید 6: سیگنالهای طیف گسترده دنباله مستقیمفرض می کنیم نرخ اطلاعات در ورودی کد گذار Rبیت بر ثانیه وپهنای باند موجود کانال Wهرتز است و مدولاسیونBPSKمی باشد.به منظور استفاده از تمامی پهنای باند کانال ،فاز حامل به صورت شبه تصادفی وبر طبق الگوی مولدPNوبا نرخ Wبار در ثانیه تغییر می کند.معکوس Wکه با Tcنشان داده می شود،زمان دوام پالسی را که چیپ گفته می شود مشخص می کندTcرا بازه ی چیپ گویند.در سیستم های عملی نسبت Tb/Tcیک عدد صحیح وبرابر تعداد چیپ برای هربیت اطلاعات است.Lc=Tb/Tcیعنی Lcتعداد تغییر فازی است که می تواند در مدت زمان دوام یک بیت در سیگنال ارسالی رخ دهد. سیگنال داده وPNهمچنین مدولاسیون QPSKبرای سیستم طیف گسترده DSدر شکل زیر نشان داده شده است.فرض کنید کد گذار هر بار Kبیت اطلاعات را دریافت ویک کلمه کد بلوکی خطی باینری تولید کند، مدت زمان لازم برای ارسال یک کلمه کد KTbاست.یک روش اعمال دنباله PNبه سیگنال ارسالی عبارت است از تغییر مستقیم بیت های کدشده از طریق جمع آنها با دنباله PNدر هنگ 2ولذا جمع شدن هر بیت کد شده بابیت دنباله PNموجب تغییر آن می شود.دنباله حاصل به سیگنال PSKنگاشته می شود.

اسلاید 7: سیگنال داده وPNهمچنین مدولاسیون QPSKبرای سیستم طیف گسترده DS

اسلاید 8: انواع سیستم های طیف گستردهدر این بحث دونوع مدولاسیون FSKوPSK مدنظرمان است PSKدرکاربرهایی که میتوان همدوسی بین سیگنال ارسالی وسیگنال دریافتی را برای یک بازه زمانی نسبتا طولانی حفظ نمود مناسب است .FSKدر کاربردهایی مناسب است که حفظ این همدوسی به دلیل وجود پدیده های متغیر با زمان در پیوند مخابراتی ممکن نباشد مثل پیوند مخابراتی بین دو هواپیمای سریع.خصوصی بودن پیام در حضور سایر گیرنده هااگر در کنار مدولاسیون PSK از دنباله PN تولید شده در مدولاتور برای تغییر شبه تصادفی فاز سیگنال PSK استفاده شودسیگنال مدوله شده حاصل را دنباله مستقیمDSیاشبه نویزPNگویند.در صورتی که دنباله PNهمراه با مولاسیون FSKباینری یا M سطحه استفاده شده وفرکانس سیگنال ارسالی را به صورت شبه تصادفی انتخاب کند سیگنال حاصل را پرش فرکانسیFH گویند.

اسلاید 9: ویژگی احتمال شنود پایین LPI یکی ازکاربردهای سیگنالهای دنباله مستقیم عبارت است از ارسال سیگنال مخابراتی با سطح توان پایین و در نتیجه پنهان نمودن آن در نویز زمینه . فرض کنید Navمتوسط توان نویز در پهنای باند Wمی باشدوPavمیانگین توان سیگنال دریافتی در گیرنده است هر چند که نسبت Pav/Navخیلی کوچکتر از یک است اما گیرنده ی مجاز می تواند با استفاده از بهره ی پردازش وبهره ی کد گذاری سیگنال ناقل اطلاعات را بازیابی نمایداما هر گیرنده ی دیگری که از دنباله ی PNاطلاع قبلی نداشته باشدنمی تواند از مزیت بهره ی پردازش وبهره ی کد گذاری استفاده نمایددر این صورت احنمال دریافت سیگنال توسط گیرنده غیر مجاز پایین بوده وآن را سیگنال با احتمال شنود کم LPI می نامند.

اسلاید 10: کاربرد سیستم های طیف گسترده درCDMAیکی دیگر ازکاربردهای سیگنالهای دنباله مستقیم مربوط است به ارسال همزمان چندین سیگنال روی یک کانال واحدبه شرط آنکه هر سیگنال دنباله ی PNمخصوص به خود را داشته باشد این نوع از مخابرات دیجیتال را دستیابی چند گانه با تقسیمات کدیاCDMAمی نامند.نوعی از سیستم CDMAسلولی دیجیتال مبتنی بر طیف گسترده دنباله مستقیم در آمریکای شمالی ودر باند فرکانسی 800 و1900مگاهرتز استاندارد شده است.ساختار دمدولاتور برای برای سیگنالهای طیف گسترده PNبه شرح ذیل می باشد.

اسلاید 11: اثرتداخل بر سیستم های طیف گستردهDSدر مقابله با تداخل عمدی(اختلال) این مطلب مهم است که اخلالگر به جز پهنای باند کلی کانال ونوع مدولاسیون هیچ اطلاع قبلی از سایر مشخصات سیگنال نداشته باشد برای این منظور به هر کدام از شکل موجهای سیگنال کد شده ارسالی یک عنصر عدم قابلیت تخمین یا شبه تصادفی بودن وارد می کنند که گیرنده مورد نظر از آن مطلع ولی اخلالگر از آن بی اطلاع است.مشخصات تداخل به 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 سیستم های مخابراتی بادسترسی چند گانه تعدادی کاربر پهنای باند یک کانال عمومی را استفاده می کنند که با تداخل ناشی از سایر کاربران روبرو هستیم ،از طریق اعمال الگوهای شبه تصادفی مختلف به هر کدام از دنباله ها(کلید) می توان سیگنال های ارسال شده در این طیف مشترک را از هم تمییز داد.

اسلاید 12: اثرتداخل بر سیستم های طیف گستردهDSبهره ی پردازش وبهره ی کدگذاری امکان غلبه بر اثرا اختلال را فراهم می کنندیعنی توان تداخل باند باریک به میزانی برابر بهره ی پردازش کاهش می یابد همچنین اثر تداخل باند باریک را می توان با فیلتر کردن سیگنال قبل از عمل گسترش بهبود بیشتری بخشید اما اثر اختلال پالسهای نویز با طیف صاف که تمام پهنای باند سیگنالWرا اشغال می کنند وحشتناک است.خصوصی بودن پیام را میتوان بااعمال یک الگوی شبه تصادفی به پیام ارسالی تامین نمود.

اسلاید 13: سیستم های طیف گسترده پرش فرکانسی FHدر سیستم مخابراتی طیف گسترده پرش فرکانسی پهنای باند موجود کانال به تعداد زیادی شکاف های فرکانسی به هم پیوسته تقسیم می شود.انتخاب شکافهای فرکانسی در هر بازه زمانی سیگنال دهی به طور شبه تصادفی وبر طبق خروجی یک مولد PNانجام می شود.

اسلاید 14: سیستم های طیف گسترده پرش فرکانسی FHمدولاسیون معمولا از نوع FSKباینری یا Mسطحه است.شکل زیر نمودار سیستم طیف گسترده پرش فرکانسی بلوکی را نشان می دهد.در این سیستم Mتک فرکانس ناقل اطلاعات با فاصله فرکانسی 1/Tcمجاور هم بوده به همین دلیل این سیستم را پرش فرکانسی بلوکی می گویند .

اسلاید 15: سیستم های طیف گسترده پرش فرکانسی FHاگر مدولاسیون باینری FSKانتخاب شود مدولاتور یکی از دو فرکانس را برای ارسال یک ودیگری را برای ارسال صفر انتخاب می کند.فرکانس سیگنال به میزانی که توسط دنباله خروجی مولد PNتعیین می شود جابجا خواهد شد از این دنباله برای انتخاب فرکانس تولید شده توسط ترکیب کننده ی فرکانس استفاده می شود.این فرکانس پس از ضرب شدن در سیگنال خروجی مدولاتور موجب جابجایی فرکانس آن شده وسیگنال حاصل روی کانال ارسال می شود.در گیرنده نیز یک مولد PNیکسان وجود دارد،که با سیگنال گیرنده همزمان بوده واز آن برای کنترل خروجی ترکیب کننده فرکانس استفاده می شود. با ضرب نمودن سیگنال دریافتی در سیگنال ایجاد شده توسط ترکیب کننده فرکانس جابجایی شبه تصادفی فرکانسی ایجاد شده در فرستنده برطرف می شود سیگنال حاصل توسط یک دمدولاتور FSKدمدوله می شود.سیگنال لازم برای حفظ همزمانی مولد PNبا سیگنال دریافتی معمولا از خود سیگنال دریافتی استخراج می شود.

اسلاید 16: سیستم های طیف گسترده پرش فرکانسی FHهرچند که روی یک کانال AWGNعملکرد مدولاسیون PSKاز FSKبهتر است اما حفظ همدوسی فاز در جریان پرش فرکانسی در یک پهنای باند وسیع کار مشکلی است لذا معمولا برای سیگنالهای طیف گسترده پرش فرکانسی از مدولاسیون FSKوآشکار سازی غیر همدوس استفاده می شود.نوع دیگری از پرش فرکانسی که آسیب پذیری آن در برابر راهبردهای اختلال کمتر است،پرش تک فرکانسی مستقل است.در این روش به Mتک فرکانس خروجی مدولاتور شکاف های فرکانسی پراکنده وبا فاصله زیاد تخصیص داده می شوددر اینجا از mبیت خروجی مولد PNوK بیت اطلاعات جمعا برای مشخص کردن شکاف فرکانسی سیگنال ارسالی استفاده می شود.نرخ پرش معمولا برابر نرخ سمبل یا سریعتر از آن انتخاب می شود اگر به ازای هر سمبل چندین پرش داشته باشیم سیگنالی با پرش سریع داریم اما اگر پرش با نرخ سمبل انجام شودسیگنالی با پرش آهسته داریم.پرش فرکانسی سریع در کاربردهای ضد اختلال وبرای جلوگیری از این که نوعی از مختل کننده به نام مختل کننده پیرو(follower jammer) زمان کافی برای شنود فرکانس وارسال مجدد آن همرا با فرکانس های مجاور را به منظور ایجاد تداخل داشته باشد استفاده می شود.

اسلاید 17: سیستم های طیف گسترده پرش فرکانسی FHشکل زیر نمودار بلوکی سیستم طیف گسترده پرش فرکانسی با تک فرکانس های مستقل را نشان می دهد. سیتم های طیف گسترده پرش فرکانسی عمدتا در سیستم های مخابراتی دیجیتال دارای قابلیت ضد اختلال ودر CDMA زمانی که تعدادزیادی کاربر قصد استفاده از یک کانال را دارند به کار می رود در بسیاری ازموارد سیگنالهای پرش فرکانسی بر سیگنالهای دنباله ی مستقیم ترجیح داده می شوندکه دلیل آن نیاز ذاتی سیگنالهای طیف گسترده دنباله ی مستقیم به همزمانی دقیق است.

اسلاید 18: انواع دیگرسیگنالهای طیف گستردهپرش زمانی(TH) : در این سیستم یک بازه ی زمانی که به مراتب بزرگتر از معکوس نرخ اطلاعات است انتخاب وبه تعدادزیادی شکافهای زمانی تقسیم می شود.سمبل های اطلاعات کد شده در قالب بلوک هایی متشکل از یک یا چند کلمه کد در شکاف های زمانی انتخاب شده به صورت شبه تصادفی ارسال می شوند. سسیگنالهای طیف گسترده ترکیبی: این سیگنالها از ترکیب 3روش DS-FH-TH ساخته می شوند. چند نمونه رایج از این مد های ترکیبی DS/FHومدDS/TH می باشند .در عمل مد ترکیبی DS/FH دارای کاربرد بیشتری به خصوص در مقاصد نظامی مثل لینک 16 می باشد.