CDMA — Распространение Спектрума

Вся техническая модуляция и демодуляция стремятся к большей мощности и / или эффективности полосы пропускания в канале с постоянным белым гауссовым аддитивным шумом. Поскольку полоса пропускания является ограниченным ресурсом, одной из основных целей проектирования всех схем модуляции является минимизация полосы пропускания, необходимой для передачи. С другой стороны, методы расширенного спектра используют ширину полосы пропускания, которая на порядок больше, чем ширина полосы, требуемая для минимального сигнала.

Преимущество метода расширенного спектра состоит в том, что многие пользователи могут одновременно использовать одну и ту же полосу пропускания, не мешая друг другу. Поэтому расширение спектра неэкономично, когда число пользователей меньше.

• Расширенный спектр — это форма беспроводной связи, в которой частота передаваемого сигнала намеренно изменяется, что приводит к увеличению полосы пропускания.

• Спред-спектр очевиден в теореме о пропускной способности канала Шеннона и Хартли.

  C = B × log ₂ (1 + S / N)

• В данном уравнении `C ‘- это пропускная способность канала в битах в секунду (бит / с), которая является максимальной скоростью передачи данных для теоретической частоты ошибок по битам ( BER ). «B» — необходимая ширина полосы канала в Гц, а S / N — отношение мощности сигнала к шуму.

• В расширенном спектре используются широкополосные шумоподобные сигналы, которые трудно обнаружить, перехватить или демодулировать. Кроме того, сигналы с расширенным спектром сложнее подавить (создать помехи), чем узкополосные сигналы.

• Поскольку сигналы с расширенным спектром настолько широки, они передают с гораздо меньшей плотностью спектральной мощности, измеряемой в ваттах на герц, чем узкополосные передатчики. Сигналы с расширенным спектром и узкополосные сигналы могут занимать одну и ту же полосу практически без помех. Эта возможность является главной достопримечательностью для всего интереса к расширению спектра сегодня.

Расширенный спектр — это форма беспроводной связи, в которой частота передаваемого сигнала намеренно изменяется, что приводит к увеличению полосы пропускания.

Спред-спектр очевиден в теореме о пропускной способности канала Шеннона и Хартли.

C = B × log ₂ (1 + S / N)

В данном уравнении `C ‘- это пропускная способность канала в битах в секунду (бит / с), которая является максимальной скоростью передачи данных для теоретической частоты ошибок по битам ( BER ). «B» — необходимая ширина полосы канала в Гц, а S / N — отношение мощности сигнала к шуму.

В расширенном спектре используются широкополосные шумоподобные сигналы, которые трудно обнаружить, перехватить или демодулировать. Кроме того, сигналы с расширенным спектром сложнее подавить (создать помехи), чем узкополосные сигналы.

Поскольку сигналы с расширенным спектром настолько широки, они передают с гораздо меньшей плотностью спектральной мощности, измеряемой в ваттах на герц, чем узкополосные передатчики. Сигналы с расширенным спектром и узкополосные сигналы могут занимать одну и ту же полосу практически без помех. Эта возможность является главной достопримечательностью для всего интереса к расширению спектра сегодня.

Очки для запоминания —

• Ширина полосы передаваемого сигнала больше минимальной ширины полосы информации, которая необходима для успешной передачи сигнала.

• Некоторая функция, отличная от самой информации, обычно используется для определения результирующей передаваемой полосы пропускания.

Ширина полосы передаваемого сигнала больше минимальной ширины полосы информации, которая необходима для успешной передачи сигнала.

Некоторая функция, отличная от самой информации, обычно используется для определения результирующей передаваемой полосы пропускания.

Ниже приведены два типа методов расширения спектра.

• Прямая последовательность и
• Скачкообразная перестройка частоты

Прямая последовательность принята CDMA.

Прямая последовательность (DS)

Множественный доступ с прямым кодовым разделением каналов (DS-CDMA) — это метод мультиплексирования пользователей по разным кодам. В этом методе одна и та же полоса пропускания используется разными пользователями. Каждому пользователю присваивается один собственный код распространения. Эти наборы кодов делятся на два класса —

• Ортогональные коды и
• Неортогональные коды

Последовательности Уолша входят в первую категорию, которая представляет собой ортогональные коды, тогда как другие последовательности, то есть PN, Gold и Kasami, являются последовательностями регистра сдвига.

Ортогональные коды назначаются пользователям, выходной сигнал коррелятора в приемнике будет нулевым, за исключением требуемой последовательности. В синхронной прямой последовательности приемник принимает ту же кодовую последовательность, которая была передана, чтобы не было временного сдвига между пользователями.

Демодуляция сигналов DS — 1

Чтобы демодулировать сигналы DS, вам необходимо знать код, который использовался во время передачи. В этом примере, умножив код, использованный при передаче, на сигнал приема, мы можем получить переданный сигнал.

В этом примере несколько кодов были использованы во время передачи (10 110 100) принятому сигналу. Здесь мы рассчитали, используя закон двух добавок (сложение по модулю 2). Кроме того, он демодулируется путем умножения кода, который использовался во время этой передачи, называемого обратной диффузией (рассеяние). На диаграмме, приведенной ниже, видно, что во время передачи данных в узкополосный (узкополосный) спектр сигнал распределяется.

Демодуляция сигналов DS — 2

С другой стороны, если вы не знаете код, который использовался во время передачи, вы не сможете демодулировать. Здесь вы пытаетесь выполнить демодуляцию в коде другого (10101010) и времени передачи, но она не удалась.

Даже смотря на спектр, он распространяется во время передачи. Когда он проходит через полосовой фильтр (Band Path Filter), остается только этот небольшой сигнал, и он не демодулируется.

Особенности Spread Spectrum

Как показано на следующем рисунке, плотность мощности сигналов с расширенным спектром может быть ниже плотности шума. Это замечательная функция, которая может защищать сигналы и сохранять конфиденциальность.

Расширяя спектр передаваемого сигнала, можно уменьшить его плотность мощности, чтобы он стал меньше плотности мощности шума. Таким образом, можно скрыть сигнал в шуме. Его можно демодулировать, если вы знаете код, который использовался для отправки сигнала. В случае, если код неизвестен, полученный сигнал останется скрытым в шуме даже после демодуляции.

DS-CDMA

Код DS используется в CDMA. До сих пор была объяснена основная часть связи с расширенным спектром. Здесь мы объясним, как работает множественный доступ с прямым кодовым разделением каналов (DS-CDMA).

Сигнал, который имеет расширенный спектр, может демодулироваться только кодом, используемым для передачи. Используя это, сигнал передачи каждого пользователя может быть идентифицирован отдельным кодом, когда он принимает сигнал. В данном примере сигнал расширения пользователя A в коде A и сигнал рассеянного пользователя B в коде B. Каждый из сигналов, когда он получает, смешивается. Однако обратный диффузор (Despreadder) идентифицирует сигнал каждого пользователя.

Система DS-CDMA — прямая связь

Система DS-CDMA — обратная связь

Распространение кода

Взаимная корреляция

Корреляция — это метод измерения того, насколько точно данный сигнал соответствует желаемому коду. В технологии CDMA каждому пользователю назначается другой код, код, который назначается или выбирается пользователем, очень важен для модуляции сигнала, поскольку он связан с характеристиками системы CDMA.

Один из них получит наилучшую производительность, когда будет четкое разделение между сигналом желаемых пользователей и сигналами других пользователей. Это разделение осуществляется путем сопоставления кода требуемого сигнала, который был сгенерирован локально, и других принятых сигналов. Если сигнал совпадает с кодом пользователя, функция корреляции будет высокой, и система сможет извлечь этот сигнал. Если желаемый код пользователя не имеет ничего общего с сигналом, корреляция должна быть как можно ближе к нулю (что исключает сигнал); также известный как взаимная корреляция. Итак, существует самокорреляция (Self-Correlation) и взаимная корреляция (Cross-Correlation).

Свойства самокорреляции и кода показаны на диаграмме, приведенной ниже, где показана корреляция между расширяющим кодом «A» и расширяющим кодом «B». В этом примере приведена вычисленная корреляция кода расширения «A (1010110001101001) и кода расширения» B «(1010100111001001), а при выполнении расчетов в следующем примере результат достиг 6/16.

Предпочтительные коды

Предпочтительный код используется в CDMA. Существуют разные коды, которые можно использовать в зависимости от типа системы CDMA. Существует два типа систем —

• Синхронная (Синхронная) система и
• Асинхронная (асинхронная) система.

В синхронной системе могут использоваться ортогональные коды (ортогональный код). В асинхронной системе для этого, например, используется псевдослучайный код (псевдослучайный шум) или код Голда.

Чтобы минимизировать взаимные помехи в DS-CDMA, следует выбирать коды расширения с меньшей взаимной корреляцией.

Синхронный DS-CDMA

• Ортогональные коды являются подходящими. (Код Уолша и т. Д.)

Асинхронный DS-CDMA

• Псевдослучайные коды шума (PN) / максимальная последовательность
• Золотые коды

Синхронный DS-CDMA

Синхронные системы CDMA реализованы в многоточечных системах. Например, прямая связь (базовая станция с мобильной станцией) в мобильном телефоне.

Система синхронизации используется в системах «один ко многим» («точка-многоточечный»). Например, в данный момент времени в системе мобильной связи одна базовая станция (BTS) может связываться с несколькими сотовыми телефонами (прямая линия связи / нисходящая линия связи).

В этой системе сигнал передачи для всех пользователей может общаться синхронно. Значит, «Синхронизация» в этом пункте — это смысл, который можно отправить, чтобы выровнять верх каждого пользовательского сигнала. В этой системе можно использовать ортогональные коды, а также можно уменьшить взаимные помехи. И ортогональные коды, это знак, такой как взаимная корреляция, т.е. 0.

Асинхронный DS-CDMA

В асинхронной системе CDMA ортогональные коды имеют плохую взаимную корреляцию.

В отличие от сигнала от базовой станции, сигнал от мобильной станции к базовой станции становится асинхронной системой.

В асинхронной системе несколько возрастают взаимные помехи, но в ней используются другие коды, такие как код PN или код Голда.

Преимущества Spread Spectrum

Поскольку сигнал распространяется в широкой полосе частот, спектральная плотность мощности становится очень низкой, поэтому другие системы связи не страдают от этого вида связи. Однако гауссов шум увеличивается. Ниже приведен список нескольких основных преимуществ Spread Spectrum —

• С многолучевым распространением можно договориться, так как можно генерировать большое количество кодов, что позволяет большому количеству пользователей.

• В расширенном спектре нет ограничений для пользователей, тогда как в технологии FDMA есть ограничения для пользователей.

• Безопасность — без знания кода расширения вряд ли возможно восстановить переданные данные.

• Нисходящий отказ — по мере того, как используется большая пропускная способность системы; он менее подвержен деформации.

С многолучевым распространением можно договориться, так как можно генерировать большое количество кодов, что позволяет большому количеству пользователей.

В расширенном спектре нет ограничений для пользователей, тогда как в технологии FDMA есть ограничения для пользователей.

Безопасность — без знания кода расширения вряд ли возможно восстановить переданные данные.

Нисходящий отказ — по мере того, как используется большая пропускная способность системы; он менее подвержен деформации.

Последовательность PN

Система DS-CDMA использует два типа расширяющих последовательностей, то есть PN-последовательности и ортогональные коды . Как упомянуто выше, последовательность PN генерируется генератором псевдослучайного шума. Это просто двоичный регистр сдвига с линейной обратной связью, состоящий из вентилей XOR и регистра сдвига. Этот генератор PN имеет возможность создавать последовательность, идентичную как для передатчика, так и для приемника, и сохранять требуемые свойства битовой последовательности случайности шума .

Последовательность PN имеет много особенностей, таких как наличие практически равного числа нулей и единиц, очень низкая корреляция между сдвинутыми версиями последовательности и очень низкая взаимная корреляция с другими сигналами, такими как помехи и шум. Тем не менее, он способен хорошо соотносить себя и свое обратное. Другим важным аспектом является автокорреляция последовательности, поскольку она определяет возможность синхронизации и блокировки кода расширения для принятого сигнала. Этот бой эффективно воздействует на множественные помехи и улучшает SNR. М-последовательности, коды Голда и последовательности Касами являются примерами этого класса последовательностей.

• Последовательность псевдослучайного шума (PN) представляет собой последовательность двоичных чисел, например, ± 1, которая представляется случайной; но это на самом деле совершенно детерминистично.

• Последовательности PN используются для двух типов методов расширенного спектра PN —

  • Спектр прямого сигнала (DS-SS) и

  • Спектр частотного скачка (FH-SS).

• Если «u» использует PSK для модуляции последовательности PN, это приводит к DS-SS.

• Если «u» использует FSK для модуляции последовательности PN, это приводит к FH-SS.

Последовательность псевдослучайного шума (PN) представляет собой последовательность двоичных чисел, например, ± 1, которая представляется случайной; но это на самом деле совершенно детерминистично.

Последовательности PN используются для двух типов методов расширенного спектра PN —

Спектр прямого сигнала (DS-SS) и

Спектр частотного скачка (FH-SS).

Если «u» использует PSK для модуляции последовательности PN, это приводит к DS-SS.

Если «u» использует FSK для модуляции последовательности PN, это приводит к FH-SS.

Технология скачкообразной перестройки частоты

Скачкообразное изменение частоты — это расширенный спектр, в котором распространение происходит путем скачкообразного изменения частоты в широкой полосе. Точный порядок, в котором происходит разрыв, определяется таблицей скачков, сгенерированной с использованием псевдослучайной кодовой последовательности.

Скорость прыжка является функцией информации о скорости. Порядок частот выбирается приемником и определяется псевдослучайной шумовой последовательностью. Хотя передача спектра сигнала со скачкообразной перестройкой частоты сильно отличается от передачи сигнала прямой последовательности, достаточно отметить, что данные, распределенные по полосе сигнала, больше, чем необходимо для переноса. В обоих случаях результирующий сигнал будет выглядеть как шум, и приемник использует аналогичную технику, которая используется при передаче для восстановления исходного сигнала.