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Corso di Tecniche e Sistemi di Trasmissione Fissi e Mobili
TECNICHE DI TRASMISSIONE-DATI DIGITALE BASATE SUL
CONCETTO DI “SPREAD SPECTRUM”
Prima Parte: Generalità
Prof. Carlo Regazzoni
2
[1] R. Pickholtz, D. L. Schilling, and L. B. Milstein, “Theory of
Spread-Spectrum Communications – A Tutorial”, IEEE Transactions on Communications, Vol. COM-30, No. 5, Maggio 1982, pp. 855-884.
[2] K. Pahlavan, A.H. Levesque, “Wireless Information Networks”,
Wiley: New York 1995. [3] A.J. Viterbi, “CDMA: Principles of Spread Spectrum
Communications”: Addison Wesley: 1995. [4] J.G. Proakis, “Digital Communications”, (Terza Edizione),
McGraw-Hill: 1995.
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
3
(letteralmente: spettro disperso) • Con questo termine si indica una tecnica di trasmissione digitale,
che distribuisce lo spettro in potenza di un segnale contenente
informazione su una banda molto più larga rispetto a quella del
segnale originario (R), in modo tale che la potenza per unità di
frequenza (Watt per Hz) del segnale inviato sul canale sia molto
piccola.
• Si definisce GUADAGNO DI PROCESSO P (Processing – Gain)
il rapporto tra la banda del segnale originario R e la banda del
segnale trasmesso sul canale dopo la dispersione dello spettro
(spreading) W o ssB :
RWP =
• In fase di ricezione, il segnale in questione viene compresso nella
sua originaria banda stretta, lasciando la potenza dei segnali
interferenti, sparsa sulla larga banda di trasmissione.
1. SIGNIFICATO DEL CONCETTO DI
“SPREAD SPECTRUM”
4
SISTEMA DI COMUNICAZIONE SPREAD SPECTRUM
Modulazionedigitalea bandastretta
Spreadingdel segnale
Dati
Codice dispreading
De-Modulazione
digitalea banda
De -Spreading
Codice dispreading
Dati
Trasmettitore SS Ricevitore SS
f
0f
Segnale in banda stretta
f0f
RUMORE BIANCO
Segnale Spread Spectrum trasmesso
RUMORE BIANCO
0f
Spettro del segnale ricompattatoin ricezione
f
5
2.1 ALTA PROTEZIONE DEI DATI TRASMESSI NEI
CONFRONTI DI TENTATIVI DI ACCESSO ILLEGALE
• Lo spettro del segnale trasmesso viene “disperso” su una larga
banda di frequenza, tramite un pattern pseudocasuale, imposto ai
dati di ingresso (vedremo in seguito come) di un dato utente. Tale
pattern è noto soltanto al ricevitore dell’utente che ha trasmesso il
segnale SS. Se non si conosce tale “chiave”, non e’ possibile
ricostruire lo spettro del segnale in banda stretta e quindi
demodulardo.
• Da ciò consegue che un ascoltatore “pirata” deve essere un esperto
del settore, per poter ricostruire il pattern di dispersione dello
spettro (e non è detto che ci riesca). La privatezza e la sicurezza dei
dati sono quindi altamente garantite.
2. PROPRIETA’ E VANTAGGI DELLE
TECNICHE SS
6
2.2 BASSA PROBABILITÀ DI INTERCETTAZIONE
CASUALE
• Essendo il segnale trasmesso sul canale con densità spettrale di
potenza molto bassa, per un ascoltatore casuale esso è
indistinguibile dal rumore termico di fondo e quindi non rilevabile.
Tale proprietà è indicata con la sigla LPI (Low Probability of
Intercept).
2.3 DISCREZIONE NELLA TRASMISSIONE
• Sempre a ragione della bassa densità spettrale di potenza di
trasmissione, il segnale Spread Spectrum disturba in misura ridotta,
rispetto ai segnali modulati in banda stretta, le trasmissioni di altri
utenti.
2.4 ALTA PROTEZIONE CONTRO DISTURBI
INTENZIONALI • L’introduzione di pseudo – casualità nel segnale trasmesso,
comporta l’eliminazione delle interferenze intenzionali (jamming).
E’ assai difficile, infatti, sintetizzare forme d’onda che possano
interferire pesantemente sull’intellegibilità del messaggio. Per
questo motivo le tecniche SS hanno avuto ampie applicazioni
militari fin dai tempi della Seconda Guerra Mondiale.
7
2.5 ACCESSO MULTIPLO AL CANALE COMUNE CON
RIDUZIONE NATURALE DELL’INTERFERENZA MULTI –
UTENTE (CDMA)
• Con le tecniche SS e’ possibile consentire a più utenti di accedere
contemporaneamente al canale, utilizzando la stessa banda di
frequenza, semplicemente assegnando ad ogni utente un pattern
pseudocasuale diverso. Questo metodo di accesso multiplo è detto
CDMA (Code Division Multiple Access) e si pone come
interessante alternativa ai metodi tradizionali TDMA e FDMA.
• Se più utenti trasmettono su canale comune segnali modulati con
tecniche SS (come avviene nei sistemi CDMA), il ricevitore
dell’utente desiderato riporterà in banda stretta e quindi
demodulerà solo il segnale che deve ricevere, lasciando i segnali
degli altri utenti (interferenti) sparsi sulla larga banda di
trasmissione (e quindi a bassa potenza). E’ possibile gestire in
maniera flessibile la riduzione di questo tipo di disturbo.
• Le tecniche SS consentono una riduzione maniera drastica e
naturale l’interferenza multi – utente, assai più di quanto sia
possibile con le tradizionali tecniche a banda stretta, dove
l’interferenza multi – utente può determinare pesanti degradazioni
del segnale ricevuto.
8
2.6 ATTENUAZIONE EFFICACE DELL’AUTO –
INTERFERENZA TIPICA DEI CANALI RADIOMOBILI
(MULTIPATH FADING)
• Con le tecniche SS e’ possibile eliminare, o comunque ridurre di
molto, il problema dell’auto – interferenza (detto anche multipath
fading), dovuto alla ricezione del segnale, insieme ad alcune sue
repliche ritardate nel tempo e sfasate, che seguono percorsi diversi
da quello diretto, a causa di fenomeni di riflessione.
• Le tecniche di comunicazione SS riescono a fronteggiare in
maniera molto efficace questa fonte di attenuazioni della potenza
del segnale ricevuto propria degli ambienti radiomobili, con
risultati decisamente migliori rispetto alle tradizionali tecniche a
banda stretta, in molti casi senza neppure ricorrere all’uso di filtri.
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3.1 Telefonia cellulare con sistemi a terra o satellitari
• La già citata efficacia dei sistemi Spread Spectrum nel garantire
sicurezza dei dati trasmessi, protezione da interferenze di ogni
genere nonché la loro eccellente adattabilità ad ambienti
radiomobili, ha fatto si che tali sistemi abbiano trovato uno sbocco
obbligato in questo settore, nel quale la privatezza della
comunicazione e la qualità della ricezione sono punti critici (es.
standard IS-95 negli USA, rete satellitare per telefonia cellulare
GLOBALSTAR).
3.2 Wireless LAN
• Un altro settore in cui i sistemi di comunicazione SS stanno
letteralmente dilagando è quello delle reti locali di trasmissione –
dati (Wireless Local Area Network), per le loro prerogative di alta
affidabilità, sicurezza e basso bit – error – rate.
3. APPLICAZIONI
10
3.3 Sistemi di comunicazione terra – treno
• Svariati progetti di sistemi di comunicazione terra – treno hanno
visto il coinvolgimento delle tecnologie Spread Spectrum (es. il
progetto BART negli USA). Infatti in queste applicazioni, dove la
sicurezza è un punto delicatissimo, l’elevata protezione dai disturbi
e dalle manipolazioni offerta dallo Spread Spectrum è davvero ben
accetta.
3.4 Trasmissione di immagini da locali e/o mezzi mobili
sorvegliati in modalità remota
• Il futuro della video – sorveglianza sarà caratterizzato da sistemi
capaci di funzionare in modalità remota, ovvero di acquisire ed
elaborare localmente informazioni dal luogo sorvegliato (che può
anche essere un mezzo mobile) e non presenziato da personale
addetto e trasmettere i risultati dell’elaborazione ad un centro di
controllo remoto. Le informazioni sono di tipo multimediale (dati +
immagini) e la trasmissione Spread Spectrum appare un mezzo
efficace per garantire sicurezza ed elevata qualità del servizio
(vedere progetto CEE CROMATICA).
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3.5 Sistemi di comunicazione su fibra ottica e cavo
coassiale
• Una delle applicazioni più recenti delle tecniche Spread Spectrum
riguarda la trasmissione multimediale su reti a larga banda a fibra
ottica e cavo coassiale. Il motivo che sta alla base di tale
applicazione è la già enunciata capacità dello Spread Spectrum di
ridurre gli effetti di rumori ed interferenze di ogni genere.
• I sistemi di trasmissione operanti su reti cablate soffrono di gravi
degradazioni del segnale a causa di rumori impulsivi di natura
elettromagnetica propri dei siti residenziali (ingress – noise). Tali
rumori colpiscono soprattutto la banda di trasmissione riservata
alla comunicazione utente – base (5 – 50 MHz.). Lo Spread
Spectrum riduce naturalmente l’effetto di questi disturbi,
aumentando visibilmente la qualità della comunicazione.
3.6 Applicazioni minori
Tra le applicazioni minori, ricordiamo:
• telemetria di precisione
• sistemi di allarme senza fili
• trasmissione digitale di segnali stereofonici
12
3.7 Larghezze di banda consentite per le varie frequenze
d’uso e relative applicazioni
Applicazioni Banda Larghezza di banda a disposizione dell’utente
Telefonia cellulare, WLAN 902–928 MHz 1.25 MHz (IS-95) Multimedialità wireless (terza generazione radiomobile): standard UMTS
1.85-2.2 GHz 350MHz
Comunicazioni terra–treno, WLAN, Trasmissione multimediale per video – sorveglianza remota
2.4–2.4835 GHz 26 MHz (IEEE 802.11)
WLAN 5.725–5.850 GHz
Non standard
Trasmissione multimediale su rete cablata (uplink)
5–50 MHz 6 MHz
Trasmissione multimediale su rete cablata (downlink)
50–800 MHz 6 MHz
Tabella 3.1: Larghezze di banda consentite per le varie frequenze d’uso
13
Due sono i tipi principali di sistemi di comunicazione basati sullo
Spread Spectrum:
• i sistemi DIRECT SEQUENCE (DS),
• i sistemi FREQUENCY HOPPING (FH)
Esistono anche delle tecniche ibride, che mescolano le due tecniche
sopracitate.
4. TECNICHE SS PRINCIPALI
14
5. DIRECT SEQUENCE (DS)
• La tecnica Direct Sequence/Spread Spectrum (DS/SS) si basa sulla
moltiplicazione diretta del segnale in banda – base (informazione)
con un segnale avente banda molto più larga.
• Questo segnale, g(t), è chiamato SEGNALE PSEUDO – NOISE
(PN).
Figura.5.1: Segnale pseudo-noise
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• Il segnale PN, come appare dal grafico in Figura 5.1 è costituito da
impulsi rettangolari, chiamati chip , ognuno di durata pari a Tc
(tempo di chip).
• La funzione di auto – correlazione e lo spettro di tale segnale sono
i seguenti:
Figura 5.2: auto – correlazione del segnale PN
Figura 5.3: spettro in potenza del segnale PN
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5.1 SCHEMA DI UN POSSIBILE TRASMETTITORE E RICEVITORE DS-SS
X(t)
SequenzaPN
g(t) )2cos(2)( 0 θπ += tfPtc
S(t)
Spreading
Modulatore digitale BPSK
TRASMETTITORE DS/SS
r(t) De-modulatore
BPSK
)2cos(2)( 0 θπ += tfPtc
SequenzaPN
g(t)
∫T
dt0
Decisore
t = T
V(t)
Y
Despreading
RICEVITORE DS/SS
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Figura 5.4: sistema di comunicazione DS-SS
5.1.1 Note sullo schema
• Il segnale contenente l’informazione X(t) è un segnale binario a
valori +1 e –1. Ogni bit ha durata T secondi. Tale segnale viene
moltiplicato per una sequenza PN il cui periodo di chip è
NTTc /= .
• La modulazione BPSK è rappresentabile come la moltiplicazione
del segnale binario DS per una portante sinusoidale c(t) a frequenza
0f e sfasamento casuale θ .
• Il segnale ricevuto r(t) è dato dal segnale trasmesso S(t) distorto
variamente dal canale. Se il canale è Gaussiano additivo,
)()()( tntStr += , ove n(t) è un rumore Gaussiano, bianco con
densità spettrale di potenza 0N . L’espressione matematica del
segnale ricevuto è la seguente:
)()2cos()()(2)( 0 tntftgtXPtr ++= θπ
• Il ricevitore effettua dapprima la de – modulazione BPSK. Una
replica della portante viene generata in ricezione. La de –
modulazione BPSK è effettuata moltiplicando il segnale ricevuto
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per la replica della portante ed eliminando i contributi a frequenza
02 f con un filtro passa – basso.
• Il segnale in uscita dal de – modulatore BPSK ha la seguente
espressione:
)()()(2
)( tntgtXPtV lp+=
ove )(tnlp è l’equivalente passa – basso di n(t), con stesso valore
medio (nullo) e varianza 0N .
• Il blocco di de - spreading, detto anche ricevitore a filtro adattato
(matched filter receiver), è basato su una replica sincronizzata col
segnale ricevuto del segnale PN generato dal trasmettitore g(t). La
sincronizzazione è un’operazione assai delicata nei sistemi DS/SS.
Da essa dipende il buon esito dell’intera fase di ricezione.
• Si può verificare facilmente che l’uscita del filtro adattato in t = T
ha la seguente espressione:
η+= 02TbPY
ove 0b è il valore del bit trasmesso in [0,T) (può essere +1 o –1) e
η è il rumore Gaussiano di canale filtrato, con valor medio nullo e
varianza 40TN .
19
• Il decisore è uno squadratore che assegna alla sua uscita valore +1
se l’ingresso Y è positivo e valore –1 se l’ingresso Y è negativo. In
tal modo il segnale binario trasmesso viene recuperato, a meno di
errori dovuti al rumore.
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6. FREQUENCY HOPPING (FH) PRINCIPIO BASE
• Nei sistemi basati su questa tecnica, il trasmettitore cambia
ripetutamente la frequenza della portante, scegliendola in un
insieme di possibili valori (salto in frequenza).
• Se, ad esempio, il segnale in banda stretta ha una larghezza di
banda di 100 KHz e si ha a disposizione una banda SS di 100 MHz,
il segnale può venire trasmesso, durante un certo intervallo di
tempo, in 1000 possibili frequenze di salto ( saltiN ).
RIDUZIONE DELLE INTERFERENZE
• Se il trasmettitore utilizza in maniera equiprobabile tutte le
frequenze a sua disposizione, l’utilizzatore sarebbe soggetto ad
interferenza solo per una frazione del tempo di trasmissione pari a
saltiN1 , se per disgrazia un utente interferente va a capitare col suo
segnale in quell’istante proprio in quel salto.
• Inoltre la potenza interferente media sarebbe solo una frazione pari
a saltiN1 della potenza complessiva trasmessa.
21
6.1 SCHEMA DI UN POSSIBILE TRASMETTITORE-RICEVITORE FH/SS
Figura 6.1.1: modulatore FH/SS
Figura 6.1.2: demodulatore FH/SS
22
6.1.1 Note sullo schema rappresentato in figura
• Il blocco di modulazione dei dati (Data modulator) nel
trasmettitore è un normale modulatore digitale (ad esempio un
modulatore BPSK). Il valore di frequenza iniziale della portante è
0f (frequenza di trasmissione).
• Il generatore di codice (Code Generator) genera in maniera pseudo
– casuale il numero del salto di frequenza ove in un dato istante di
tempo il segnale viene trasmesso (nel generatore riportato in figura
k = saltiN ). Il sintetizzatore di frequenza converte il numero di salto
n – esimo prodotto dal generatore di codice in un offset di
frequenza nf∆ che va a pilotare la portante sinusoidale a frequenza
0f , portandola alla frequenza nff ∆+0 . In questo modo il segnale
viene spostato in frequenza in un determinato intervallo di tempo
(tempo di salto), stabilito dal clock di temporizzazione del
generatore di codice (FH code clock).
• Il filtro in trasmissione (Highpass filter) serve ad uniformare lo
spettro del segnale FH, in maniera tale che occupi la larghezza di
banda desiderata (shaping). Il filtro in ricezione (Image Reject
Filter) è usato per tagliare eventuali segnali interferenti presenti in
bande adiacenti a quella del segnale desiderato.
23
• Il ricevitore possiede un generatore di codice di salto esattamente
uguale a quello presente in trasmissione. Il generatore di codice in
ricezione deve essere sincronizzato con il sintetizzatore di
frequenza in trasmissione per garantire la corretta demodulazione.
• Il generatore di codice di salto è implementato con uno schema
hardware a registro a scorrimento abbastanza simile a quello
utilizzato per il generatore di sequenze binarie delle tecniche Direct
Sequence. (vedi dopo)
• Il ricevitore FH effettua il de – spreading del segnale trasmesso,
recuperando i vari salti in frequenza nei corretti tempi di salto (la
sincronizzazione serve a questo). In pratica, durante ogni tempo di
salto, la frequenza del segnale viene riportata al suo valore
originario 0f . In tal modo, dopo un filtraggio passa – banda per la
riduzione del rumore, il segnale viene sottoposto alla
demodulazione digitale e l’informazione trasmessa viene
recuperata.
24
6.1.2 Classificazione dei sistemi Frequency Hopping
I sistemi FH possono essere classificati in due categorie, a seconda
della velocità con cui il trasmettitore cambia la frequenza della
portante.
• SLOW FH (SFH) se tale velocità è lenta, ovvero se vengono
trasmessi più simboli (bit) per salto.
• FAST FH (FFH), se invece tale velocità è alta, ovvero se
avvengono più salti per simbolo (bit) trasmesso.
Figura 6.1.3: Fast FH (a) e Slow FH (b)
25
7 CONFRONTO TRA LE TECNICHE DS e FH
• Il guadagno di processo P, definito in 1 come il rapporto tra
larghezza di banda SS e la larghezza di banda del segnale
contenente informazione, nei sistemi DS è banalmente pari ad N
(numero di chip della sequenza PN per bit trasmesso = guadagno di
banda), mentre nei sistemi FH dipende dalla velocità con cui
avvengono i salti, ovvero se avvengono più salti per bit trasmesso,
o se vengono trasmessi più bit per salto di frequenza effettuato.
• La larghezza di banda del segnale DS all’uscita del blocco di
spreading è circa chipf2 , ove chipf è la frequenza della sequenza
PN (frequenza di chip). Per ottenere grandi larghezze di banda,
occorrono alte frequenze di chip, il che può comportare problemi di
sincronizzazione e sicuramente un maggior consumo di energia.
Nei sistemi DS, il guadagno di processo e’ un parametro
fondamentale per quel che riguarda la riduzione delle interferenze,
ma alti valori di P comportano i problemi sopra esposti.
• Nel segnale FH, invece, la larghezza di banda dipende
dall’intervallo in cui si decide di far variare la frequenza delle
portanti, per cui può essere resa grande con maggiore semplicità.
26
• La sincronizzazione temporale tra trasmettitore e ricevitore è
generalmente meno critica nei sistemi FH, in quanto la “velocità di
salto” varia da poche decine a poche migliaia al secondo, mentre i
chip rate dei sistemi DS sono dell’ordine di svariati megahertz.
• Il segnale DS ha uno spettro effettivamente molto largo, mentre il
segnale FH è di fatto un segnale a banda stretta, “spostato”
continuamente sull’asse delle frequenze. Questo fatto può non
essere di secondaria importanza nella applicazioni specifiche.
• Le tecniche DS/SS sono utilizzate nello standard IEEE 802.11,
mentre le tecniche FH/SS sono utilizzate nello standard emergente
BLUETOOTH per reti WLAN indoor.