SVEUILIŠTE U ZAGREBU SPREAD SPECTRUM

Size: px

Start display at page:

Download "SVEUILIŠTE U ZAGREBU SPREAD SPECTRUM"

Sharleen Parker
6 years ago
Views:

1 SVEUILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAUNARSTVA Seminarski rad iz predmeta Sustavi za praenje i voenje procesa SPREAD SPECTRUM Mario Križan JMBAG : INE Zagreb

2 1.Sažetak "" je tehnika prijenosa koja za modulaciju signala koji nosi informaciju koristi pseudo sluajni niz ( kod ) nezavisan od signala informacije. Time se postiže raspršivanje spektra snage signala na puno šire frekvencijsko podruje od poetne širine spektra signala. Dakle, spektar signala se prije prijenosa " raspršuje ", a na prijemnoj strani se sažima. Upravo ta injenica raspršivanja pseudo sluajnim nizom ini ovu tehniku vrlo popularnom jer omoguuje korištenje medija za prijenos elektromagnetskih valova od strane više korisnika zbog male gustoe snage signala. Broj razliitih pseudo sluajnih kodova koji stoje na raspolaganju je velik pa je praktiki onemogueno prisluškivanje što je temeljni razlog uvoenja u vojne primjene. Takoer se koristi paketski prijenos podataka što omoguava kontrolu kvalitete prijenosa. 2.Uvod Poetak ovakvog naina prijenosa seže u Drugi svjetski rat kada je patentiran ovakav sustav zamišljen za navigaciju torpeda koji bi primjenom ove tehnike bili imuni na smetnje što ih je uinilo mnogo preciznijima. Na razvoju ovakvog naina prijenosa radili su i saveznici i sile osovine. Zbog zainteresiranosti vojske svi podaci su bili prilino nedostupni i tajnoviti. Interesantno je da prvi javni patent pripada hoolywoodskoj glumici Hedy Lamarr i avangardnom skladatelju George Antheilu.Patent je odobren ali su detalji bili dugo smatrani vojnom tajnom. Izumitelji nisu unovili svoj patent ve su ga predali vladi SAD-a za ratne potrebe. Prvi civilni prijenos ovakvom tehnikom ostvaren je u ranim osamdesetima. Kasnije je dodjeljeno frekvencijsko podruje za komunikaciju pomou raspršenog spektra. 3.Rezultati istraživanja Raspršeni spektar ima vrlo široki frekvencijski raspon što ga ini vrlo slinim signalu šuma. To ima za posljedicu težu detekciju, demodulaciju, presretanje i interferenciju s drugim signalima nego uskopojasni standardni signali. Osnovna ideja leži u modulaciji signala informacije pseudosluajnim kodom više puno više frekvencije od širine spektra signala.. Kod ili niz se naziva pseudosluajnim jer se ne radi o stvarnom 1

3 Gaussom sluajnom nizu. Odašiljai koji koriste ovu tehniku koriste iste snage, ali zbog frekvencijskog raspršenja spektralna gustoa snage signala ( W/Hz )je daleko manja nego kod pojasnih odašiljaa. Ovo svojstvo je vrlo zgodno jer raspršeni signal može koristiti isti frekvencijski pojas, a da praktino ne dolazi do meusobne interferencije. Mogla bi se uspostaviti dva glavna svojstva koja zadovoljava signal raspršenog spektra: spektar transmitiranog signal je mnogo širi od spektra signala koji nosi informaciju transmitirani signal osim informacije sadrži i kod koji odreuje širinu raspršenog spektra Za ovakve sustave se važan parametar je "faktor raspršenja" ( processing gain ), a odreuje broj korisnika u sustavu, težinu detekcije, imunost na smetnje i sl.definira se kao: G p BW = BW SS inf o Danas su najraširenije dvije tehnike raspršenog spektra: izravnim postupkom ( Direct Sequence DSSS ) izmjenom frekvencijskih pojaseva (skakanjem) ( Frequency Hopping FHSS ) 3.1.Direct Sequence (DSSS) Ovdje emo opisati jednu izvedbu koja koristi DSSS. Za prijenos se koristi M- arna PSK modulacija. Informacija u digitalnom obliku dolazi na modulator.tu se nakon serijsko-paralelne pretvorbe bitova generira simbol koji predstavlja skup od M koeficijenata. Simbol možemo smatrati M-dimenzionalnim vektorom.pseudosluajni niz generiran u modulatoru kodira koeficijente simbola koji se množe sa sluajnim nizom. 2

Posljedica je promjena koeficijenata simbola kroz vrijeme jer pseudosluajni niz nije ništa drugo nego niz u kojem se pseudosluajno izmjenjuju dva naponska stanja.

tada govorimo o "dugakom kodu" gdje razni simboli imaju razliiti uzorak niza kojim se množe. Što je kod duži to e spektar biti raspršeniji jer je simbol moduliran višom frekvencijom.

Osnovna blok shema jednog DSSS sustava prikazana je na Slici 1.3. Sluaj opisuje najednostavniji primjer Slika 1.1. odnosno BPSK modulaciju. Na ulazu su binarni podaci d t i pseudosluajni kod pn t.

4 Posljedica je promjena koeficijenata simbola kroz vrijeme jer pseudosluajni niz nije ništa drugo nego niz u kojem se pseudosluajno izmjenjuju dva naponska stanja..obino je frekvencija pseudosluajnog koda cjelobrojni višekratnik frekvencije kojom se šalju simboli informacije.tada govorimo o "dugakom kodu" gdje razni simboli imaju razliiti uzorak niza kojim se množe. Što je kod duži to e spektar biti raspršeniji jer je simbol moduliran višom frekvencijom. Maksimalna duljina koda je odreena maksimalnom frekvencijom što predstavlja ograniavajui faktor. Razlika izmeu dugakog i kratkog koda prikazana je na Slikama 1.1. i 1.2. Osnovna blok shema jednog DSSS sustava prikazana je na Slici 1.3. Sluaj opisuje najednostavniji primjer Slika 1.1. odnosno BPSK modulaciju. Na ulazu su binarni podaci d t i pseudosluajni kod pn t. Frekvencija simbola je R s, a koda R c =k R s ( cjelobrojni višekratnik od R s ). Tu se množi pseudosluajni niz pn t sa podacima d t što uzrokuje da se poetna širina glavne latice spektra sa R s raširi na R c jer sada imamo zapravo spektar signala tx b = pn t d t. Takav raspršeni spektar ne možemo demodulirati obinim prijamnikom. Slika 1.2. Na nakon vraanja signala u "baseband" podruje imamo signal rx b kojeg moramo Slika

pomnožiti sa pseudosluajnim kodom pn r da bi dobili originalne binarne podatke. Naravno, pn r na prijamnikoj strani mora biti identian i sinkron sa pn t na odašiljakoj strani.

5 pomnožiti sa pseudosluajnim kodom pn r da bi dobili originalne binarne podatke. Naravno, pn r na prijamnikoj strani mora biti identian i sinkron sa pn t na odašiljakoj strani. Množenjem se sada dogaa suprotan uinak sažimanja spektra signala rx b. Ako vrijedi pn r pn t tada nema efekta sažimanja što znai da svaki prijamnik mora poznavati pesudosluajnog koda u odašiljau. Upravo tu je sadržana nemogunost "hvatanja" ovakvih signala jer je vrlo teško otkriti kod koji koristi odašilja. Slika 1.4. prikazuje ove efekte. Princip kod demodulacije je isti samo inverzan. zorno Sada možemo izraziti faktor raspršenja preko frekencije simbola R s i frekvencije koda R c pa imamo Slika 1.4. BW SS G p = = BWinf o R R c s 1.1 4

3.1.1.Utjecaj smetnji kod DSSS sustava Ako pretpostavimo da se radi o BPSK modulaciji kao najednostavnijem primjeru i da smetnju možemo modelirati kao aditivnu komponentu koja se u prijenosnom kanalu

Primljeni signal se sastoji od dvije komponente: rx b = tx b + i = d t pn t + i Da bi demodulirali primljeni signal moramo ga pomnožiti sa lokalno generiranim pseudosluajnim kodom pn r = pn t pa

6 3.1.1.Utjecaj smetnji kod DSSS sustava Ako pretpostavimo da se radi o BPSK modulaciji kao najednostavnijem primjeru i da smetnju možemo modelirati kao aditivnu komponentu koja se u prijenosnom kanalu zbraja sa signalom možemo napisati sljedee izraze. Primljeni signal se sastoji od dvije komponente: rx b = tx b + i = d t pn t + i Da bi demodulirali primljeni signal moramo ga pomnožiti sa lokalno generiranim pseudosluajnim kodom pn r = pn t pa imamo : d r = rx b pn t = d t pn t pn t + i pn t Vidimo da su podaci d t dva puta pomnoženi sa pn t dok je smetnja samo jednom.zbog Slika 1.5. svojstva pseudosluajnog niza da umnožak pn t pn t uvijek daje jedinicu imamo sljedee d r = d t + i pn t 1.4. Bitovi informacije na kraju ostaju nepromijenjeni jer su pomnoženi dva puta dok smetnja biva pomnožena jedanput.to množenje ima za posljedicu isti uinak na spektar smetnje kao što je ranije imalo na spektar signala informacije u odašiljau. Spektar smetnje se raspršuje i smanjuje mu se gustoa snage. Na taj nain veliki dio smetnje možemo ukloniti filtriranjem samo glavne latice spektra signala jer je vei dio smetnje raspršen, a Slika

To je prikazano na Slici 1.7. Pojava širokopojasnih smetnji takoer raste s brojem korisnika sustava. Slika 1.7. 3.2.

7 samo jedan dio se nalazi unutar glavne latice. Razlikuje se sluaj uskopojasne smetnje prikazan na Slici 1.6 u kojem se snaga smetnje smanjuje proporcionalno s faktorom raspršenosti i sluaj širokopojasne smetnje npr.bijelog šuma kod kojeg nema ni pozitivnog ni negativnog utjecaja. To je prikazano na Slici 1.7. Pojava širokopojasnih smetnji takoer raste s brojem korisnika sustava. Slika Frequency Hopping ( FHSS ) U ovom sluaju se pseudosluajni kod koristi zajedno sa FSK M-arnom modulacijom s ciljem pseudosluajnog mijenjanja frekvencije nosioca. Frekvencija mijenjanja iznosi R h. Transmitirani signal zauzima odreeni dio spektra za vrijeme T h = 1/ R h i zatim skae na drugi koji mu diktira kod. FHSS dijeli frekvencijsko podruje u N kanala koji se prividno sluajno odabiru. Generator u intervalima vremena T h daje kodnu rije FW Slika 1.8. ( Frequency Word ) 6

Za diskretni skok ta širina je identina širini spektra M- FSK modulacije koja je redovito puno manja od W SS ( širina spektra raspršenog signala). Slika 1. 9.

8 sintetizatoru frekvencije koji u skladu s njom mijenja frekvenciju. Odašilja i prijamnik koriste isti pseudosluajni uzorak. Širina spektra je odreena najnižom i najvišom frekvencijom i širinom spektra na svakoj od N moguih frekvencija. Za diskretni skok ta širina je identina širini spektra M- FSK modulacije koja je redovito puno manja od W SS ( širina spektra raspršenog signala). Slika FHSS signal je zapravo uskopojasni, sva snaga je koncentrirana na jedan diskretni kanal. Srednja vrijednost nakon mnogo skokova opada i spektar postaje raspršen. Kako širina spektra FHSS signala ovisi samo o rasponu frekvencija sintetizatora mogue je postii veu raspršenost nego kod DSSS sustava. Skakanje meu frekvencijama redovito unosi fazne pomake.zbog toga se demodulacija obavlja akoherentno za razliku od DSSS gdje se koristi koherentna demodulacija. Definira se brzina preskakanja, treba jednom prijei barem 79 kanala unutar 30s ( norma IEEE b, Wi-Fi ). 3.3.Generiranje pseudosluajnog niza Za dobivanje pseudosluajnog niza koristi se posmani registar sa povratnim vezama. Nad bitovima koji se spojeni u povratnu vezu se ostvaruje zbrajanje i logika Slika

9 funkcija modulo 2 od sume bitova koji su spojeni u povratnu vezu.. Izlazna vrijednost se šalje na ulaz posmanog registra. Kod koji se može generirati na takav nain ovisi o duljini registra i nainu na koji su ostvarene povratne veze. Ovaj nain dozvoljava mnoštvo konfiguracija pa samim tim i mnoštvo razliitih kodova. Postoje odreena pravila za izbor kodova jer oni moraju zadovoljavati odreene uvjete. Na Slici je prikazana takva konfiguracija za dobivanje pseudosluajnog niza. 3.4.Code Division Multiple Acces CDMA Ova tehnika je namijenjena za bežini prijenos, a radi se o metodi multipleksiranja više korisnika upotrebom ortogonalnih kodova. Svi korisnici istovremeno komuniciraju i koriste isti frekvencijski pojas. Prednost ove metode što nije potrebno prethodno alocirati frekvencijski pojas niti je potrebna vremenska sinkronizacija kao kod drugih tehnika namijanjenih za više korisnika. Kod CDMA svaki korisnik ima svoj pseudosluajni kod koristi isti radiofrekvencijski nosioc odašilje simulatano (sinhrono i asinhrono ) Slika Ako imamo više korisnika u sustavu tada svaki od njih šalje svoj raspršeni signal pa se u odreenom frekvencijskom podruju istovremeno nalazi više signala. Zamislimo 8

sada jednog korisnika koji treba "izvui" samo svoj signal. Nakon vraanja signala iz transponiranog u osnovno frekvencijsko podruje množenjem sa pn nizom u Slika 1.12.

10 sada jednog korisnika koji treba "izvui" samo svoj signal. Nakon vraanja signala iz transponiranog u osnovno frekvencijsko podruje množenjem sa pn nizom u Slika demodulatoru se sažima samo onaj signal koji odgovara tom pn nizu odnosno tom korisniku. Svi ostali signali nisu korelirani sa pn nizom dodijeljenim tom korisniku pa nema uinka sažimanja. Oni predstavljaju šum za taj modulator. Vei dio tih raspršenih signala drugih korisnika se da filtrirati jer samo je jedan njihov dio unutar glavne latice spektra signala informacije odreenog korisnika. 3.5.Ometanje ( Jamming ) raspršenog signala Ometanjem se želi onemoguiti ili otežati neiju komunikaciju pa je cilj napraviti sustav otporan na smetnje, ali pod sljedeim pretpostavkama: potpuna sigurnost nije mogua osoba koja ometa ima potrebna znanja o paramerima prijenosnog sustava osoba koja ometa nema potrebna znanja o paramerima prijenosnog sustava Zaštita od smetnji se postiže namjernim "maskiranjem" signala tako da se koristi puno vee podruje frekvencija od minimalno potrebnog za prijenos.tako se signal "utopi" i postaje slian šumu. Transmitirani signal može propagirati kroz kanal nedetektiran od ikoga tko možda prisluškuje. Raspršeni spektar je metoda "kamufliranja" informacije. 3.6.ISM frekvencijsko podruje ISM frekvencijsko podruje se dodjeljuje za industrijske, znanstvene i medicinske primjene ( Industrial, Scientific, Medical ). U Republici Hrvatskoj ono je dano tablicom 1 9

Tablica 1. središnja frekvencija [ MHz ] širina pojasa [ MHz ] 27,20 26.

11 Tablica 1. središnja frekvencija [ MHz ] širina pojasa [ MHz ] 27, ,283 40,68 40,66 40,70 433,92 433,05-434, U SAD-u postoji organizacija FCC ( Federal Communications Commission ) koja se brine o dodjeljivanju frekvencijskih podruja.u Europi je ekvivalent ETS ( European Telecommunication Standard ). U RH izmeu MHz. "" podruje je dodijeljeno 3.6. Višestruki putevi signala U bežinim komunikacijama esto postoji više od jednog puta propagacije signala zbog atmosferskih refleksija ili refrakcija i odbijanja od zemlje, objekata i sl. To može uzrokovati fluktuacije razine signala u prijemniku zbog razlike u fazi izmeu signala. Sada emo prikazati što se dogaa za "" signale. Pretpostavit emo da postoji direktni put i jedan nedirektni kojg emo opisati vremenskim pomakom.uzet emo u obzir tri parametra. To su : Slika vremenski pomak signala iz dva razliita puta sluajni pomak u fazi nosioca direktnog i nedirektnog puta atenuacija signala nedirektnog puta 10

Signal u prijamniku se može izraziti kao: rx = rx + rx + n = Ad ( pn( cos( ω + αad ( t τ ) pn( t τ )cos( ω t + θ ) n( d r t o t o + 1.

12 Signal u prijamniku se može izraziti kao: rx = rx + rx + n = Ad ( pn( cos( ω + αad ( t τ ) pn( t τ )cos( ω t + θ ) n( d r t o t o Kako je prijamnik sinkroniziran sasignalom direktnog puta vrijedi sljedei izraz: r c c N T N T c c c c pn( rx( dt = [ Bpn( pn( + Cpn( pn( t ) dt + n( ] d ( t = N T ) = τ 0 0 dt 1.6 Vrijede sljedee jednakosti za autokorelaciju pseudosluajnog niza: pn( pn( = 1 pn( pn(t- ) gdje n o predstavlja šum. d r = d t +n o Iz ovoga se može zakljuiti da signali koji kasne za signalom direktnog puta nisu korelirani i vrlo malo utjeu na razinu signala koji prijamnik prima.pseudosluajni kod stiže reflektiranim putem nije sinkroniziran s kodom u prijamniku i kao takav biva rejektiran. Slika

13 3.7.Kratki pregled karakteristika "a" Pozitivne strane kamufliranje signala, smanjena gustoa snage, slinost šumu privatnost komunikacije Code Division Multiple Acces više korisnika rejekcija signala koji dolaze u prijamnik nedirektnim putem zbog nesinkroniziranosti zaštita od namjernog ometanja rejekcija nenamjernih smetnji mala vjerojatnost detekcije i presretanja dostupnost ISM slobodnih frekvencijskih pojasa Negativne strane nema poboljšanja za bijeli šum odašilja mora primati širokopojasni signal poveena složenost i obrada 12

Ometanje signala bežičnih mreža

Ometanje signala bežičnih mreža lipanj 2011. CIS-DOC-2011-08-023 Upozorenje Podaci, informacije, tvrdnje i stavovi navedeni u ovom dokumentu nastali su dobrom namjerom i dobrom voljom te profesionalnim