Technika rozpraszania widma
Rutkowski D.: Seria artykułów w Przeglądzie Telekomunikacyjnym Literatura Lee J.S., Miller L.E.: CDMA Systems Engineering Handbook, Artech House, 1998 Rutkowski D.: Seria artykułów w Przeglądzie Telekomunikacyjnym 1997r. nr 1, nr 9, nr 10 2001 nr 11 2002 nr 11-12. D.Rutkowski
WSTĘP Podstawowe metody wspólnego użytkowania kanału radiowego są możliwe przez: podział częstotliwości, tj. podział pasma systemu na niezależne podzakresy (kanały), z których każdy jest przydzielany na czas trwania połączenia dla sygnałów kolejnych użytkowników (Frequency Division Multiple Access (FDMA)) podział czasu, tj. cykliczny przydział całego pasma systemu lub wydzielonych z niego kanałów sygnałom kolejnych użytkowników w kolejnych, niezależnych ramkach (szczelinach) czasowych, przydzielonych użytkownikom na czas trwania połączenia (Time Division Multiple Access (TDMA)) podział kodowy, tj. równoczesne niezależne przekazywanie sygnałów różnych użytkowników w całym paśmie systemu lub wydzielonych z niego kanałów z wykorzystaniem przyporządkowanych im niezależnych ciągów binarnych albo przez podział pasma systemu na niezależne podzakresy (kanały), z których każdy jest przydzielany na bieżąco według określonej reguły sygnałom poszczególnych użytkowników w tych samych ramkach (szczelinach) czasowych (Code Division Multiple Access (CDMA)) D.Rutkowski
Podział kodowy (wielodostęp kodowy) powoduje więc rozproszenie widma sygnałów w całym paśmie systemu, przy czym: sygnał użyteczny zajmuje w rezultacie pasmo częstotliwości na ogół wielokrotnie szersze, niż jest ono niezbędne do przesłania wiadomości (ciągu informacyjnego) poszerzenie pasma (rozproszenie widma) sygnału użytecznego powstaje wskutek zastosowania niezależnych ciągów binarnych do ciągów informacyjnych różnych użytkowników lub przez przydzielanie różnych podzakresów częstotliwościowych (kanałów) sygnałom tych samych użytkowników w różnych ramkach czasowych odbiór synchroniczny z rozpraszającym ciągiem binarnym zastosowanym w nadajniku lub z kolejnością przydzielania w nadajniku poszczególnych podzakresów częstotliwości (kanałów) sygnałom różnych użytkowników w tych samych ramkach czasowych jest niezbędny do skupienia widma sygnału użytecznego w odbiorniku i odtworzenia nadawanego ciągu informacyjnego D.Rutkowski
Metody podziału kodowego: podział kodowo-czasowy zwany też bezpośrednim rozpraszaniem widma sygnałów (Direct Sequence CDMA (DS CDMA)) podział kodowo-częstotliwościowy nazywany także hoppingiem częstotliwościowym (Frequency Hopping CDMA (FH CDMA)) D.Rutkowski
D.Rutkowski
Zastosowanie w metodzie DS CDMA tego samego ciągu binarnego w nadajniku do rozpraszania widma ciągu informacyjnego danego użytkownika i w odbiorniku do skupiania tego widma jest możliwe, jeśli: każdy ciąg binarny, który faktycznie identyfikuje użytkownika, nie jest skorelowany z ciągami binarnymi innych użytkowników dwa identyczne ciągi binarne przesunięte cyklicznie względem siebie w czasie przynajmniej o 1 element są niekorelowane (niezależne). Oznacza to, że przy spełnieniu powyższych warunków możliwy jest niezależny odbiór sygnałów użytecznych różnych użytkowników, jeśli nawet zajmują one to samo pasmo systemu (kanału) w tym samym czasie. W praktyce nie można jednak uzyskać ciągów binarnych o skończonej długości, które będą ściśle spełniać podane 2 warunki. Można natomiast uzyskać ciągi binarne zwane pseudoprzypadkowymi (PP), które są prawie niezależne (niekorelowane), a ponadto można je łatwo generować z wykorzystaniem rejestrów przesuwnych ze sprzężeniem zwrotnym lub odpowiedniego oprogramowania. Takie ciągi stosuje się powszechnie we współczesnych systemach radiokomunikacyjnych wykorzystujących metodę DS CDMA. D.Rutkowski
Podstawowe koncepcje techniki CDMA pojawiły się już na przełomie lat 40/50-tych XX wieku. Pierwotne cele: uodpornienie cyfrowej transmisji w kanale na celowe zakłócenia i podsłuch w systemach radiokomunikacji wojskowej. Do tych zastosowań wybrano metodę FH CDMA Nowe cele: (sprecyzowane w latach 70-tych): wyznaczanie odległości o wysokiej dokładności dla potrzeb nawigacji satelitarnej wojskowej i cywilnej (system GPS); wybrano metodę DS CDMA (sprecyzowane w latach 80-tych dla potrzeb systemów cywilnych): przeciwdziałanie efektom zaników i zakłóceń w systemach radiokomunikacyjnych, a zwłaszcza komórkowych (stosuje się FH CDMA i DS CDMA) zwiększenie pojemności systemów komórkowych (bit/sek/Hz) (stosuje się FH CDMA i DS CDMA) D.Rutkowski
SYSTEM RADIOKOMUNIKACYJNY Z BEZPOŚREDNIM ROZPRASZANIEM WIDMA SYGNAŁÓW (Direct Sequence CDMA (DS CDMA) Rys.2. Schemat systemu radiokomunikacyjnego z bezpośrednim rozpraszaniem widma sygnałów w przypadku kanału idealnego (bez szumu, zaników i zakłóceń). Oznaczenia: Tb - czas trwania sygnału przenoszącego informację elementarną (bit), Tc - czas trwania elementu ciągu binarnego rozpraszającego widmo sygnału (ang. chip) . D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
Rys.3. Przykłady ciągów pseudoprzypadkowych i ich cyklicznych przesunięć w lewo D.Rutkowski
Z rys.2 wynika, że po stronie odbiorczej przeprowadzamy demodulację poprzez mnożenie zmodulowanej nośnej przez koherentny sygnał lokalnego oscylatora. W idealnym przypadku (dla kanału bez szumu, zaników i zakłóceń) otrzymamy Na wyjściu filtru dolnoprzepustowego dostaniemy tylko pierwszą składową wyrażenia po prawej stronie wzoru (2). Jeśli więc lokalny ciąg PP generowany w odbiorniku jest synchroniczny z ciągiem PP zawartym w odebranym sygnale, to na wyjściu filtru dopasowanego otrzymamy D.Rutkowski
D.Rutkowski
Rys.4. Gęstość mocy sygnału użytecznego bez rozpraszania i z rozpraszaniem widma sygnału. D.Rutkowski
Rys.5. Przykładowy wykres gęstości mocy sygnału informacyjnego przed i po rozproszeniu widma, jeśli Rc/Rb=10 D.Rutkowski
w systemie z bezpośrednim rozpraszaniem widma sygnałów. Rys.6. Widma sygnału użytecznego, szumu i interferencji oraz zakłóceń wąskopasmowych w systemie z bezpośrednim rozpraszaniem widma sygnałów. D.Rutkowski
CIĄGI PSEUDOPRZYPADKOWE 3.1. Generacja i podstawowe właściwości ciągów pseudoprzypadkowcyh Ciągi pseudoprzypadkowe, które możemy łatwo generować na drodze układowej lub programowej, mają właściwości statystyczne zbliżone do dyskretnego szumu białego. Jednak ściśle rzecz biorąc, nie są one w ogóle przypadkowe. Są to bowiem ciągi deterministyczne i periodyczne. Ich zastosowanie w systemach z podziałem kodowym i znajomość po stronie odbiorczej ciągów pseudoprzypadkowych zastosowanych po stronie nadawczej, umożliwia łatwe odtwarzanie wiadomości nadawanych, natomiast dla nieautoryzowanego użytkownika, mającego jedynie dostęp do kanału, sygnały o rozproszonym widmie przesyłane przez kanał wydają się być białym szumem. Dowolny binarny ciąg periodyczny cechuje się właściwościami pseudoprzypadkowymi, jeśli: liczba wartości binarnych 1 w ciągu różni się od liczby wartości binarnych 0 co najwyżej o 1 (test równowagi) liczba serii odpowiednio o długości równej 1 wartości binarnych 1 oraz wartości binarnych 0 wynosi około połowy całkowitej liczby serii, o długości równej 2 -około 1/4 całkowitej liczby serii, o długości równej 3 - około 1/8 całkowitej liczby serii itd. (test serii) porównanie kolejnych elementów ciągu pseudoprzypadkowego z kolejnymi elementami jego dowolnego przesunięcia cyklicznego wykazuje różnicę między liczbą elementów zgodnych i liczbą elementów niezgodnych równą co najwyżej 1, tzn. że dwa ciągi PP są prawie niekorelowane (test korelacji). D.Rutkowski
Rys.7. Przykład generacji ciągu pseudoprzypadkowego 1110010 Generacja ciągów pseudoprzypadkowych jest możliwa w oparciu o rejestr przesuwny ze sprzężeniem zwrotnym. Przykład Rys.7. Przykład generacji ciągu pseudoprzypadkowego 1110010 w oparciu o 3-stopniowy rejestr przesuwny ze sprzężeniem zwrotnym D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
przez ciąg impulsów bipolarnych Rys.8. Funkcja autokorelacji ciągu pseudoprzypadkowego reprezentowanego przez ciąg impulsów bipolarnych D.Rutkowski
D.Rutkowski
Rys.9. Schemat rejestru przesuwnego o funkcji generującej g(u)=u5+u2+1. D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
3.2. Funkcje korelacji skrośnej ciągów pseudoprzypadkowych; ciągi Golda D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
Rys.11a. Nieunormowana funkcja autokorelacji ciągu pseudoprzypadkowego dla m=5 . D.Rutkowski
Rys.11b. Nieunormowana funkcja korelacji skrośnej dla dwóch ciągów Golda dla m=5 . D.Rutkowski
Rys.12. Moduł funkcji autokorelacji segmentu o długości 38400 chipów ciągu Golda użytkowanego w łączu w górę w systemie UMTS (m=25) D.Rutkowski
Rys.13. Moduł funkcji korelacji skrośnej dwóch segmentów o długości 38400 chipów każdy, zawartych w ciągu Golda użytkowanym w łączu w dół w systemie UMTS (m=18) D.Rutkowski
SYSTEM RADIOKOMUNIKACYJNY ZE ZWIELOKROTNIENIEM KODOWO-CZĘSTOTLIWOŚCIOWYM (Z HOPPINGIEM CZĘSTOTLIWOŚCIOWYM) (Frequency Hopping Code Division Multiple Access (FH CDMA)) D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
ZYSK PRZETWARZANIA D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
JAKOŚĆ SYSTEMU DS CDMA Z KLUCZOWANIEM FAZY D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
POJEMNOŚĆ SYSTEMU KOMÓRKOWEGO Z BEZPOŚREDNIM ROZPRASZANIEM WIDMA SYGNAŁÓW DLA USŁUG ROZMÓWNYCH D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
DYNAMICZNE STEROWANIE MOCĄ D.Rutkowski
D.Rutkowski
a) b) D.Rutkowski
Rys.19. Krótkookresowa moc średnia sygnału odbieranego przez SB przy dynamicznym sterowaniu moc D.Rutkowski
Dynamiczne sterowanie mocą można zrealizować dla każdej SR według schematu z pętlą sprzężenia zwrotnego pokazanego na rys.20 Rys.20. Schemat systemu dynamicznego sterowania mocą z pętlą sprzężenia zwrotnego D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
ODBIORNIK RAKE D.Rutkowski
Rys.21. Funkcja autokorelacji odpowiedzi impulsowej kanału w warunkach quasistacjonarnych D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
a) b) D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
ZYSK PRZETWARZANIA A ZYSK KODOWANIA D.Rutkowski
D.Rutkowski
i rozpraszaniem widma sygnałów Schemat prostego systemu DS CDMA z kodowaniem i przeplataniem przedstawia rys.25 Rys.25. Schemat prostego systemu radiokomunikacyjnego z równoczesnym kodowaniem i rozpraszaniem widma sygnałów D.Rutkowski