Rozprostřené spektrum. Multiplex a mnohonásobný přístup

Transkript

1 Rozprostřené spektrum Multiplex a mnohonásobný přístup

2 Multiplex Přenos více nezávislých informačních signálů jedním přenosovým prostředím (mezi dvěma body) Multiplexování MPX Vratný proces sdružování signálů z více zdrojů do jednoho složeného signálu určeného k přenosu společným rádiovým přenosovým kanálem Demultiplexování Proces aplikovaný na multiplexovaný signál za účelem obnovení jednotlivých sdružených signálů

3 MPX Bod 1 Bod 2 signál 1 signál 2 MUX Přenosové prostředí DeMUX signál 1 signál 2 signál N signál N

4 Metody MPX FDM frekvenční dělení (Frequency Division Multiplex) TDM časové dělení (Time Division Multiplex) CDM kódové dělení (Code Division Multiplex) SDM prostorovédělení (Space Division Multiplex) FDM kódování (výkon) čas kmitočet TDM CDM

5 FDM frekvenční dělení Signály vysílány na různých nosných Problém s ovlivňováním Ochranný interval mezi nosnými klesá spektrální účinnost Ortogonální nosné OFDM Problém s intermodulací OFDM T s FDM amplituda kanál 1 ochranný interval f kanál 2 kmitočet kanál N T s Podmínka ortogonality * 2π 2π j kt j nt Ts T T s s pro k = n e e dt = 0 pro k n

6 TDM časové dělení Kanál rozdělen časově Signály v čase komprimovány Pro přenos využita celá šířka pásma

7 CDM kódové dělení Rozprostřené spektrum - Spread Spectrum Signály jsou přenášeny ve stejném kmitočtovém pásmu souběžně v čase Využívá se rozprostření spektra pomocí tzv. sekundární modulace V přijímači se signály oddělují na základě korelačních vlastností kódovaných signálů

8 Mnohonásobný přístup Sdílení komunikačního média více účastníky rozmístěnými v různých bodech Protokoly mnohonásobného přístupu MAP (Multiple Access Protocol) Soubor pravidel zabezpečující bezproblémový přístup do uvažovaného rádiového kanálu FDMA - Frequency Division Multiple Access TDMA - Time Division Multiple Access CDMA - Code Division Multiple Access

9 Rozprostřené spektrum Spread Spectrum (SS) - definice Způsob rádiového vysílání, při kterém se používá modulace pseudonáhodným kódem, který je nezávislý na přenášených datech pro rozprostření energie signálu do šířky pásma mnohem větší, než je šířka pásma signálu nesoucího informaci. V přijímači se odstraní rozprostření pomocí synchronní repliky pseudonáhodného kódu.

10 Metody SS DS SS - Direct Sequence systém s přímou modulací kódovou posloupností FH SS - Frequency Hopping kmitočtové skákání TH SS Time Hopping časové skákání Hybridní systémy - kombinace uvedených metod

11 Spread Spectrum SS Vojenské požadavky na rádiový přenos zpráv 1. Skrýt obsah zpráv nepřátelské straně 2. Komunikace v zarušeném prostředí 3. Ztížení zaměření vysílače => Komunikace v rozprostřeném spektru SS systémy se používají ve vojenství od II. Světové války. Do 80 let tajné. V 80 letech se začaly objevovat první SS civilní systémy

12 DS SS c k modulátor d ( t) Kvadraturní modulátor s DSSS (t) pn(t) PN kód () = () () c Re.. j t sdsss t d t pn t e ω PN pseudonáhodný kód, nabývá hodnot ±1 v v c s 1 = Tc 1 = T s chipová rychlost pn kódu symbolová rychlost modulovaného signálu s mod Chipová rychlost je celočíselným násobkem symbolové rychlosti Chipová rychlost je podstatně větší než symbolové rychlosti v = nv., n N v c c v s s

13 DS SS SDSSS ( f ) Šířka spektra DS SS signálu je závislá na chipové rychlosti pn kódu. f c v c f c c c f + v f B DSSB T s DS SS systémy s krátkým kódem délka pn kódu N c je menši nebo rovna době trvání symbolu N c.t c T s. C K pn pn.c k T c DS SS systémy s dlouhým kódem délka pn kódu N c je mnohem větší než doba trvání symbolu N c.t c >> T s. C K pn pn.c k

14 FH SS skok kanál c k modulátor d ( t) FH modulátor SFHSS ( f ) N PN kód generátor nosné s FHSS (t) B = N. f FHSS ch f Vysílač je dle pn posloupnosti přelaďován mezi jednotlivými kanály; rychlost skákání v h = 1 T h Pomalé skákání T h >T s Rychlé skákání T h <T s C K C K f h4 f h3 f h2 f h1 f h4 f h3 f h2 f h1 Th T h

15 TH SS Ve vysílači je posloupnost vysílaných symbolů rozdělena na k-tice (rámce) o době trvání T f = kt s Každý rámec je rozdělen na M úseků o době trvání T f /M Dle pn posloupnosti se v každém rámci vybere jeden úsek, ve kterém se odvysílá všech k symbolů, v ostatních úsecích se nevysílá Doba trvání kódového bitu je T f /(km) =T k /M T f T f /M

16 DS SS d t Kvadraturní modulátor tx Rádiový kanál rx Kvadraturní demodulátor d r PN kód pn t PN kód pn r Rozprostření (Spreading) Odstranění rozprostření (despreading) násobení signálu pn t posloupností násobení signálu pn r posloupností pn poslounost musí být stejná a musí být generována synchronně pn t = pn r! pn t. pn r = 1 pro všechny chipy kódu

17 d t +1 T s DS SS - modulace B d S dt (f) -1 t -v s v s f pn t +1 T c S pn (f) -1 t -v c v c f tx N c.t c S tx (f) +1 B SS -1 t -v c v c f Zisk zpracování G p B = SS = c = B d v v d N c

18 DS SS - demodulace pn t. pn r = 1 pro všechny chipy kódu rx +1 pn r +1 [ ] Av pn. pn = 1-1 t t -1 t r pn t. pn r 1 pro všechny chipy kódu [ ] Av pn. pn 1 t V přijímači je použit jiný kód nebo kód není synchronní! Nedojde k odstranění rozprostření! Vlastnost lze použít pro multiplexování a mnohonásobný přístup. r d t +1-1 t

19 DS SS rušení d t tx rx d r PN kód pn t i pn r =pn t PN kód Přijatý signál Signál po odstranění rozprostření pn = pn Synchronní replika t r rx = tx + i = dt. pnt + i d = tx. pn = d. pn. pn + i. pn d = d + i. pn r r t t r t r t t

20 DS SS úzkopásmové rušení Spektrum modulovaného signálu d t S dt (f) Spektrum přijímaného signálu rx Spektrum rozprostřeného signálu -v s v s S rx (f) Spektrum úzkopásmového rušení f Spektrum signálu po odstranění rozprostření -v c v c Spektrum dignálu d r f Spektrum rušivého signálu rozprostřeného kóden pn r v přijímači -v c -v s v s v c V důsledku rozprostření rušivého signálu i dojde k jeho potlačení (snížení jeho výkonu na šířce pásma B d ) G p krát. f

21 DS SS širokopásmové rušení Spektrum modulovaného signálu d t S dt (f) Spektrum přijímaného signálu rx Spektrum rozprostřeného signálu -v s v s S rx (f) f Spektrum širokopásmového rušení -v c v c f Spektrum signálu po odstranění rozprostření -v s v s -v c v c f

22 DS SS + šum S dt (f) Spektrum modulovaného signálu d t AWGN Spektrum přijímaného signálu rx Spektrum rozprostřeného signálu -v s v s S rx (f) f AWGN Spektrum signálu po odstranění rozprostření -v c v c Spektrum dignálu d r f AWGN -v c -v s v s v c f

23 Náhodná posloupnost ±1 Spektrální výkonová hustota náhodné posloupnosti 1 2 Cpn ( f ) = lim E F pn() t = F Rpn ( τ ) I I Výpočet buď pomocí spektrální hustoty energie náhodné posloupnosti nebo pomocí autokorelační funkce Spektrální výkonová hustota [db] ( ) = Sa ( π ) C f T ft pn c c R pn ( τ ) τ 1 pro τ < T = Tc 0 jinde R pn 1 c /T c -2/T c -3/T c 1/T c 2/T c 3/T c -T c T c τ

24 Pseudonáhodná posloupnost Deterministická posloupnost ±1 s charakterem náhodné posloupnosti Posloupnost má délku N c chipů a periodicky se opakuje Generování pn posloupností pomocí posuvných registrů se zpětnou vazbou (. ) mod2 1 2 m-1 m pn Délka a vlastnosti posloupnosti závisí na zpětných vazbázh

25 Lineární posloupnost maximální N c = 2 m -1 délky R pn 1 -N c T c -T c T c 1/N c N c T c τ Autokorelační funkce lineární posloupnosti maximální délky je periodická s periodou N c T c Posloupnost maximální délky je pro dané m pouze jedna => nelze použít v CDMA

26 Lineární posloupnost maximální délky Tabulka zpětných vazeb vybraných posloupností max. délky m Čísla buněk m Čísla buněk Příklad: Generátor pro maximální délku 511 chipů (2 9-1) pn

27 Goldovy kódy Vzniknou součtem dvou vzájemně posunutých posloupností maximální délky Korelační vlastnosti Goldových kódu se blíží posloupnosti maximální délky Goldovy kódy jsou navzájem málo korelované Příklad generátoru Goldova kódu Jednotlivé kódy se liší vzájemným posunem Dílčích posloupností maximální délky. Lze toho docílit například pomocí různého počátečního stavu obou generátorů

28 DS SS - vysílač Vysílač s modulátorem v základním pásmu Modulovaný signál v základním pásmu Spektrálně rozprostřený signál v základním pásmu c k Modulátor (základní pásmo) pn(t) Kvadraturní modulátor Výkonový zesilovač PN kód Generátor nosné vlny Vysílač s modulátorem na nosné Modulovaný signál na nosné Spektrálně rozprostřený signál na nosné c k Modulátor na nosné pn(t) Výkonový zesilovač Generátor nosné vlny PN kód

29 DS SS - přijímač Převod signálu do základního pásma Synchronizace nosné pomocí PLL Odstranění rozprostření Přizpůsobený filtr PN aktivní korelátor Přijímač Kvadraturní demodulátor Odstranění rozprostření Demodulátor Generátor nosné vlny

30 Přizpůsobený filtr ( ) = ( ) ) ht pn t prot 0, Ts - impulsová odezva přizpůsobeného filtr ( ) = ( )* ( ) = ( ) ( )( ) = ( ) ( )( ) s t s t h t R t R t o r s τ, h τ s τ, pn τ s o r r - Na výstupu přizpůsobeného filtru je signál rovný vzájemné korelaci přijímaného signálu a repliky tvořené pn posloupností. Vhodné okamžiky vzorkování výstupu přizpůsobeného filtru t s r ( t) Přizpůsobený filtr vzorkovač h(t) s o ( t) Přizpůsobený filtr lze realizovat např. pomocí FIR filtru. Výpočet lze také provádět Ve spektrální oblasti s využitím FFT.

31 PN aktivní korelátor Počítá vzájemnou korelační funkci mezi přijímaným signálem a replikou pouze v okamžicích, kdy jsou fáze pn posloupnosti vysílaného signálu a repliky synchronní Menší výpočetní náročnost Problém nalezení a udržování (sledování) vhodného okamžiku vzorkování Vyhledávání korelačního maxima postupným (sekvenčním) prohledáváním možných zpoždění repliky vzhledem k zpoždění kódu přijímaného signálu. Někdy velmi časově náročné Udržování synchronizace repliky zpětnovazební obvod DLL (Delay Lock Loop)

32 DLL Delay Lock Loop s r () t T s T s T s. dt. dt. dt E P L Diskriminátor Perfektní synchronizace P E L E P L PN generátor Filtr smyčky E Early P Prompt L Late Diskriminátor zpožděné E-L τ

33 Aplikace SS DS SS GPS, GNSS, buňkové telefony Vojenská komunikace FH SS Buňkové telefony Vojenská komunikace PLAN, WLAN TH SS PLAN, WLAN (UWB) Hybridní systémy Vojenská komunikace