CDMA - Espectro extendido

Toda la modulación y demodulación técnicas se esfuerzan por lograr una mayor potencia y / o eficiencia del ancho de banda en un canal de ruido estacionario aditivo gaussiano blanco. Dado que el ancho de banda es un recurso limitado, uno de los principales objetivos de diseño de todos los esquemas de modulación es minimizar el ancho de banda necesario para la transmisión. Por otro lado, las técnicas de espectro ensanchado utilizan un ancho de banda de transmisión que es un orden de magnitud mayor que el ancho de banda requerido para la señal mínima.

La ventaja de la técnica de espectro ensanchado es que muchos usuarios pueden utilizar simultáneamente el mismo ancho de banda sin interferir entre sí. Por tanto, el espectro ensanchado no es económico cuando el número de usuarios es menor.

  • El espectro ensanchado es una forma de comunicaciones inalámbricas en la que la frecuencia de la señal transmitida se varía deliberadamente, lo que resulta en un mayor ancho de banda.

  • El espectro ensanchado es evidente en el teorema de la capacidad del canal de Shannon y Hartley:

    C = B × log 2 (1 + S / N)

  • En la ecuación dada, 'C' es la capacidad del canal en bits por segundo (bps), que es la tasa de datos máxima para una tasa de error de bit teórica ( BER ). 'B' es el ancho de banda del canal requerido en Hz, y S / N es la relación de potencia señal / ruido.

  • El espectro ensanchado utiliza señales de banda ancha similares al ruido que son difíciles de detectar, interceptar o demodular. Además, las señales de espectro extendido son más difíciles de interferir (interferir) que las señales de banda estrecha.

  • Dado que las señales de espectro ensanchado son tan amplias, se transmiten a una densidad de potencia espectral mucho menor, medida en vatios por hercio, que los transmisores de banda estrecha. Las señales de espectro ensanchado y de banda estrecha pueden ocupar la misma banda, con poca o ninguna interferencia. Esta capacidad es el principal atractivo de todo el interés actual en el espectro ensanchado.

Points to Remember -

  • El ancho de banda de la señal transmitida es mayor que el ancho de banda mínimo de información, que se necesita para transmitir la señal con éxito.

  • Normalmente se emplea alguna función distinta a la información en sí para determinar el ancho de banda transmitido resultante.

A continuación se muestran los dos tipos de técnicas de espectro ensanchado:

  • Secuencia directa y
  • Salto de frecuencia.

La secuencia directa es adoptada por CDMA.

Secuencia directa (DS)

El acceso múltiple por división de código de secuencia directa (DS-CDMA) es una técnica para multiplexar usuarios mediante diferentes códigos. En esta técnica, diferentes usuarios utilizan el mismo ancho de banda. A cada usuario se le asigna un código de extensión propio. Estos conjuntos de códigos se dividen en dos clases:

  • Códigos ortogonales y
  • Códigos no ortogonales

Las secuencias de Walsh entran en la primera categoría, que son los códigos ortogonales, mientras que otras secuencias, es decir, PN, Gold y Kasami, son secuencias de registro de desplazamiento.

Los códigos ortogonales se asignan a los usuarios, la salida del correlador en el receptor será cero excepto la secuencia deseada. En secuencia directa síncrona, el receptor recibe la misma secuencia de código que se transmitió para que no haya cambios de tiempo entre los usuarios.

Demodulación de señales DS - 1

Para demodular señales DS, necesita conocer el código que se utilizó en el momento de la transmisión. En este ejemplo, al multiplicar el código utilizado en la transmisión a la señal de recepción, podemos obtener la señal transmitida.

En este ejemplo, se utilizaron varios códigos en el momento de la transmisión (10.110.100) a la señal recibida. Aquí, lo hemos calculado usando la ley de dos aditivos (Adición Módulo 2). Se demodula aún más multiplicando el código que se utilizó en el momento de esta transmisión, llamadoreverse diffusion(desparramamiento). En el diagrama que se muestra a continuación, se puede ver que durante la transmisión de los datos al espectro de banda estrecha (Banda Estrecha), el espectro de la señal se dispersa.

Demodulación de señales DS - 2

Por otro lado, si no conoce el código que se utilizó en el momento de la transmisión, no podrá demodular. Aquí, está intentando demodular en el código de diferente (10101010) y el tiempo de transmisión, pero ha fallado.

Incluso mirando el espectro, se está extendiendo durante el tiempo de transmisión. Cuando pasa a través de un filtro de paso de banda (Band Path Filter), solo queda esta pequeña señal y no se demodulan.

Características de Spread Spectrum

Como se muestra en la siguiente figura, la densidad de potencia de las señales de espectro ensanchado podría ser menor que la densidad de ruido. Esta es una característica maravillosa que puede mantener las señales protegidas y mantener la privacidad.

Al expandir el espectro de la señal transmitida, se puede reducir su densidad de potencia de modo que sea menor que la densidad de potencia del ruido. De esta forma, es posible ocultar la señal en el ruido. Puede demodularse si conoce el código que se utilizó para enviar la señal. En caso de que no se conozca el código, la señal recibida permanecerá oculta en el ruido incluso después de la demodulación.

DS-CDMA

El código DS se utiliza en CDMA. Hasta ahora, se ha explicado parte básica de la comunicación de espectro ensanchado. A partir de aquí, explicaremos cómo funciona el acceso múltiple por división de código de secuencia directa (DS-CDMA).

La señal de espectro ensanchado sólo puede demodularse mediante un código utilizado para la transmisión. Al usar esto, la señal de transmisión de cada usuario puede ser identificada por el código separado cuando recibe la señal. En el ejemplo dado, la señal de propagación del usuario A en el código A y la señal difundida del usuario B en el código B. Cada una de las señales cuando se recibe se mezclan. Sin embargo, mediante el difusor inverso (Despreadder), identifica la señal de cada usuario.

DS-CDMA System - Forward Link

DS-CDMA System - Reverse Link

Código de difusión

Cross-Correlation

La correlación es un método de medición de la precisión con la que una señal determinada coincide con un código deseado. En la tecnología CDMA, a cada usuario se le asigna un código diferente, el código que está siendo asignado o elegido por el usuario es muy importante para modular la señal porque está relacionado con el desempeño del sistema CDMA.

Se obtendrá el mejor rendimiento cuando haya una clara separación entre la señal de los usuarios deseados y las señales de los otros usuarios. Esta separación se realiza correlacionando el código de señal deseado que se generó localmente y otras señales recibidas. Si la señal coincide con el código del usuario, entonces la función de correlación será alta y el sistema puede extraer esa señal. Si el código deseado por el usuario no tiene nada en común con la señal, la correlación debe ser lo más cercana a cero posible (eliminando así la señal); también conocida como correlación cruzada. Entonces, hay unself-correlation (Autocorrelación) y cross-correlation (Correlación cruzada).

Las propiedades de autocorrelación y código se muestran en el diagrama que se muestra a continuación, donde se muestra la correlación entre el código de expansión 'A' y el código de expansión 'B'. En este ejemplo, se da la correlación calculada del código de expansión 'A (1010110001101001) y el código de expansión' B '(1010100111001001), mientras que se realizan los cálculos en el ejemplo siguiente, el resultado ha llegado a 6/16.

Preferable Codes

El código preferido se usa en CDMA. Hay diferentes códigos que se pueden utilizar según el tipo de sistema de CDMA. Hay dos tipos de sistemas:

  • Sistema síncrono (síncrono) y
  • Sistema asincrónico (asincrónico).

En un sistema síncrono, se pueden utilizar códigos ortogonales (Código ortogonal). En el sistema asíncrono para esto, como se utiliza código pseudoaleatorio (Ruido pseudoaleatorio) o código Gold.

Para minimizar la interferencia mutua en DS-CDMA, deberían elegirse los códigos de ensanchamiento con menos correlación cruzada.

Synchronous DS-CDMA

  • Los códigos ortogonales son apropiados. (Código de Walsh, etc.)

Asynchronous DS-CDMA

  • Códigos de ruido pseudoaleatorio (PN) / Secuencia máxima
  • Códigos de oro

Synchronous DS-CDMA

Los sistemas CDMA síncronos se realizan en sistemas punto a multipunto. Por ejemplo, Forward Link (estación base a estación móvil) en teléfono móvil.

El sistema de sincronización se utiliza en sistemas de uno a varios (punto a multipunto). Por ejemplo, en un momento dado, en un sistema de comunicaciones móviles, una única estación base (BTS) puede comunicarse con varios teléfonos móviles (enlace directo / enlace descendente).

En este sistema, una señal de transmisión para todos los usuarios puede comunicarse en sincronización. Significa, "Sincronización" en este punto es un sentido que se puede enviar para alinear la parte superior de cada señal de usuario. En este sistema, es posible utilizar códigos ortogonales y también es posible reducir la interferencia mutua. Y los códigos ortogonales, es el signo, como la correlación cruzada, es decir, 0.

Asynchronous DS-CDMA

En el sistema CDMA asincrónico, los códigos ortogonales tienen mala correlación cruzada.

A diferencia de la señal de la estación base, la señal de la estación móvil a la estación base se convierte en el sistema asíncrono.

En un sistema asíncrono, la interferencia mutua aumenta un poco, pero utiliza los otros códigos, como el código PN o el código Gold.

Ventajas de Spread Spectrum

Dado que la señal se distribuye en una amplia banda de frecuencia, la densidad espectral de potencia se vuelve muy baja, por lo que otros sistemas de comunicación no sufren este tipo de comunicación. Sin embargo, el ruido gaussiano aumenta. A continuación se muestra una lista de algunas de las principales ventajas de Spread Spectrum:

  • Se puede acordar con multipath, ya que se puede generar una gran cantidad de códigos, lo que permite una gran cantidad de usuarios.

  • En el espectro ensanchado, no hay límite de usuarios, mientras que existen limitaciones de usuarios en la tecnología FDMA.

  • Seguridad: sin conocer el código de propagación, es casi imposible recuperar los datos transmitidos.

  • Rechazo descendente: a medida que se utiliza un gran ancho de banda, el sistema; es menos susceptible a la deformación.

Secuencia PN

El sistema DS-CDMA utiliza dos tipos de secuencias de propagación, es decir, PN sequences y orthogonal codes. Como se mencionó anteriormente, la secuencia de PN es generada por el generador de ruido pseudoaleatorio. Es simplemente un registro de desplazamiento de retroalimentación lineal binario, que consta de puertas XOR y un registro de desplazamiento. Este generador de PN tiene la capacidad de crear una secuencia idéntica tanto para el transmisor como para el receptor,and retaining the desirable properties of the noise randomness bit sequence.

Una secuencia PN tiene muchas características, como tener un número casi igual de ceros y unos, una correlación muy baja entre las versiones desplazadas de la secuencia y una correlación cruzada muy baja con otras señales como la interferencia y el ruido. Sin embargo, puede correlacionarse bien consigo mismo y con su inverso. Otro aspecto importante es la autocorrelación de la secuencia, ya que determina la capacidad de sincronizar y bloquear el código de propagación de la señal recibida. Esta lucha afecta efectivamente la interferencia múltiple y mejora la SNR. Las secuencias M, los códigos Gold y las secuencias Kasami son ejemplos de esta clase de secuencias.

  • Una secuencia de ruido pseudoaleatorio (PN) es una secuencia de números binarios, por ejemplo, ± 1, que parece ser aleatoria; pero de hecho es perfectamente determinista.

  • Las secuencias de PN se utilizan para dos tipos de técnicas de espectro ensanchado de PN:

    • Espectro ensanchado de señal directa (DS-SS) y

    • Espectro ensanchado por salto de frecuencia (FH-SS).

  • Si 'u' usa PSK para modular la secuencia PN, da como resultado DS-SS.

  • Si 'u' usa FSK para modular la secuencia PN, da como resultado FH-SS.

Tecnología de salto de frecuencia

El salto de frecuencia es un espectro ensanchado en el que la propagación tiene lugar saltando de frecuencia en una banda ancha. El orden preciso en el que se produce la ruptura se determina mediante una tabla de saltos generada mediante una secuencia de código pseudoaleatorio.

La tasa de salto es una función de la información de velocidad. El orden de las frecuencias lo selecciona el receptor y lo dicta la secuencia de ruido pseudoaleatorio. Aunque la transmisión de un espectro de señal de salto de frecuencia es bastante diferente de la de una señal de secuencia directa, basta con señalar que los datos se distribuyen en una banda de señal que es mayor de lo necesario para transportar. En ambos casos, la señal resultante aparecerá como ruido y el receptor utiliza una técnica similar, que se utiliza en la transmisión para recuperar la señal original.