Kapittel 12. Spredt spektrum

Transkript

1 Kapittel 12 Spredt spektrum

2 12.1 s. 719 Hva er spredt spektrum? Spredt spektrum er å bruke mye større båndbredde enn nødvendig Båndbredde W SS = G p W min Nødvendig båndbredde W min R Spredefaktor (processing gain) G p Med samme utsendte effekt P blir effektspektraltettheten P/W redusert med en faktor G p

3 Direct Sequence vs Frequency Hopping Effektspektraltetthet DSSS Uspredt signal f FHSS DSSS: Hele båndbredden hele tiden FHSS: Et smalt bånd hopper rundt i en større båndbredde t 1 t 2 t 3 f f f f f f Tidsmidlet f f

4 s Hvorfor bruke spredt spektrum? Beskyttelse mot jamming og fading Dvs. at noen prøver å forstyrre sambandet ved å sende effekt i samme frekvensbånd som vårt signal Robust ved fading dipper for noen frekvenser Vanskelig å detektere at det er et signal uten å kjenne spredekoden Lite utslag på spektrumsanalysator LPD, LPI (Low Probability of Detection/Interception) Kan måle tidsforsinkelse nøyaktigere Tidsoppløsning omvendt proporsjonalt med båndbredden Kan kombinere energi fra ulike signalveier som ellers ville se ut som en signalvei (med eventuelt destruktiv interferens) Multippel aksess CDMA, Code Division Multiple Access Samme frekvensbånd, ulike spredekoder

5 s Beskyttelse mot jamming En jammer har en viss effekt til rådighet Dersom den f.eks velger å fordele denne over hele båndbredden W SS vil bare en brøkdel (1/ G p ) av jammerens effekt være et problem for kommunikasjonen G p = Processing gain Dette argumentet gjelder ikke for hvit støy, som har uendelig effekt og konstant effektspektraltetthet

6 12.2 s Pseudonoise (PN)-sekvenser Spredekoden bør ideelt sett være en tilfeldig sekvens av 0 og 1 Samme sekvens hos sender og mottaker I praksis er det enklere å generere en tilsynelatende tilfeldig sekvens (pseudorandom, pseudonoise) lokalt hos sender og mottaker En PN-sekvens er en periodisk sekvens som ser tilfeldig ut innenfor hver periode

7 s. 729 Egenskaper ved PN-sekvenser Hvilke egenskaper gjør at en PN-sekvens er tilsynelatende tilfeldig? Svar: For hver periode av PN-sekvensen har vi Balanse: (antall 1) = (antall 0) ±1 Run: Halvparten av runs har lengde 1, en fjerdedel av runs har lengde 2, en åttendedel har lengde 3, osv. Et run = et antall like bits etter hverandre Korrelasjon: Korrelasjonen mellom sekvensen og en skiftet versjon av den er aldri større enn 1

8 s Skiftregister-sekvenser En enkel måte å lage en PN-sekvens er med et tilbakekoplet skiftregister Perioden til sekvensen er avhengig av hvordan tilbakekoplingen ser ut. Hvis den er fornuftig, blir perioden p=2 n 1, hvor n er lengden på skiftregisteret Dette kalles en maksimal lengde sekvens

9 s Autokorrelasjon til PN-sekvens Figuren viser normalisert (slik at maks=1) autokorrelasjonsfunksjon for en PN-sekvens generert med skiftregister

10 12.3 s DS-SS DS-SS = Direct sequence spread spectrum

11 s. 726 DS-SS og interferens Signalet multipliseres med spredekoden (mange transisjoner per symbol), og spres dermed i frekvens I mottakeren - signalet multipliseres med spredekoden og akkumuleres, - samles dermed tilbake til den opprinnelige båndbredden Interferensen multipliseres med spredekoden kun én gang, og spres dermed i frekvens

12 12.4 s Frekvenshopping (FH) Man bruker en hvilken som helst vanlig båndpassmodulasjon med båndbredde W min Bærebølgen hopper tilfeldig (pseudorandom) rundt i en båndbredde W SS Eksempel: FH/MFSK

13 s FH eksempel 1 FH/8-FSK, ett hopp per symbol

14 s FH eksempel 2 FH/8-FSK, 4 hopp per symbol Rask hopping Dersom noen frekvensområder er utilgjengelig (f.eks fading, jamming, interferens) vil vi likevel motta informasjon om alle symbolene Diversitet

15 s Rask og treg hopping Rask hopping: Flere hopp per symbol Treg hopping: Flere symboler per hopp Eksempler: FH/2-FSK rask, 4 hopp/bit treg, 3 bit/hopp

16 s. 769 DS/CDMA (Direct Sequence Code Division Multiple Access) N brukere sender i samme frekvensbånd samtidig De bruker DSSS, med ulik spredekode for hver bruker N tilnærmet ortogonale spredekoder De andre brukerne vil da (tilnærmet) se ut som hvit støy (bredbåndsjamming) når vi korrelerer med en av spredekodene

17 s DS/CDMA Ortogonale spredekoder Andre brukere

18 12.8 s CDMA i mobiltelefoni CDMA brukes i følgende mobiltelefonisystemer: IS-95, en av standardene som brukes i USA UMTS, 3G mobiltelefoni (GSM=2G), Europa, Japan, USA mfl. CDMA brukes også i satellittsystemet Globalstar

19 DS-CDMA - spørsmål Hva skjer hvis spredekodene ikke er ortogonale? Hvor mange brukere kan man ha med ortogonale sekvenser, og hvor mange med ikke-ortogonale uten at bitfeilsannsynligheten øker nevneverdig sammenlignet med BPSK uten spredning? Test ut og eksperimenter med dette i Matlab med ortogonale og ikke ortogonale spredesekvenser. Hvorfor er DS-CDMA en bra metode for mobiltelefoni? Hvorfor er autokorrelasjonsegenskaper for spredesekvensen viktig? Hvorfor er krysskorrelasjonsegenskapene for spredesekvensene viktig i DS-CDMA? Hva skjer med korrelasjonsegenskapene dersom kanalen har symbolinterferens? Man sier ofte at CDMA systemer er interferensbegrenset, hvorfor det?