MODULACION DE ESPECTRO EXPANDIDO
Introduccion
Se define a un sistema de espectro expandido
a aquel que cumple con los siguientes requerimientos:
-La señal ocupa un ancho de banda mucho mayor que el
mínimo ancho de banda necesario para transmitir la
información.
-La expansión del espectro se lleva a cabo por medio
de una señal de expansión también llamada señal de
código la cual es independiente del mensaje.
-En el receptor, para recuperar los datos originales,
se debe realizar la correlación entre la señal recibida
y una réplica exacta de la señal de código utilizada
en el proceso de expansión.
Ventajas
-La principal ventaja de los sistemas de comunicaciones
de espectro expandido es su capacidad para rechazar
interferencia, sea esta intencional o no. En este último
caso podemos citar cuando otro usuario intenta transmitir
simultáneamente por el mismo canal, mientras que la
interferencia intencional puede ser causada adrede para
evitar la comunicación entre dos puntos.
Tecnicas para generar señales de espectro expandido
1.- Secuencia directa (direct sequence, DS)
2.- Saltos de frecuencia (frecuency hopping, FH)
Secuencias pseudoaleatorias
No es realmente aleatoria si no que es deterministica
en el sentido que puede ser generada por el transmisor
y el receptor .
Hay tres propiedades que se aplican como prueba a una
secuencia periodica binaria para determinar su
aleatorieidad, estas son:
-balance
-corrida
-correlacion
Generacion de secuencias pseudoaleatorias
Un método simple para la generación de secuencias
pseudo-aleatorias ó de pseudo-ruido (PN), es mediante
la utilización de un registro de desplazamiento.
Ejemplo:
periodo de la secuencia de salida:
000100110101111
Comprobemos si esta secuencia cumple con las
propiedades antes citadas
Daremos como ejemplo la secuencia que se obtiene si
tenemos inicialmente un 1 en la primer etapa y un 0 en
las restantes. Podemos ver que los diferentes estados
que presentará este registro son :
1000 0100 0010 1001 1100 0110 1011 0101
1010 1101 1110 1111 0111 0011 0001 1000
Ahora vamos a comprobar si esta secuencia cumple con
las propiedades antes citadas:
-Balance : hay siete ceros y ocho unos por lo tanto esta
secuencia cumple con esta propiedad.
-Corrida : hay cuatro corridas de ceros, la mitad
de ellas (2) son de largo 1 y un cuarto (1) es de largo 2;
lo mismo sucede con las corridas de unos. Por lo tanto,
aunque la secuencia es corta, podemos ver que cumple
con esta propiedad.
-Correlación : si comparamos la secuencia anterior con
la misma desplazada cíclicamente un lugar obtenemos :
donde el número de coincidencias (1) es 7 y el número
de bits opuestos (0) es 8, por lo que cumple con esta
propiedad.
Saltos de frecuencias lentos
transmicion:
-Los datos binarios ingresan al modulador FSK
-la señal modulada de salida mas la señal de salida
de un sintetizador de frecuencia ingresan a un mezclador
recepcion:
-la señal recibida en el receptor es primeramente mezclada
con la señal de salida del sintetizador de frecuencia
-La señal resultante es filtrada y luego procesada por un
detector de MFSK no coherente
Aplicaciones
La aplicación se obtiene con la utilización de las técnicas
de espectro expandido es la protección contra interferencias,
sean estas intencionales o no.
Tiene otras importantes aplicaciones como acceso múltiple
por división de código y mejoras frente al desvanecimiento
de señales que se produce por el arribo de éstas al receptor
por múltiples caminos.
1 proteccion contra Interferencias
El ruido blanco Gaussiano es un modelo matemático que por
definición tiene potencia infinita esparcida uniformemente
en todo el espectro de frecuencias. Sin embargo es posible
establecer una comunicación con este ruido de potencia infinita
debido a que solo afecta a la comunicación las componentes del
ruido que comparten el espacio de señal con las componentes de
la señal transmitida.
En la siguiente figura (1), se ve el efecto que produce la
expansión del espectro de una transmisión, en presencia de
ruido blanco. La densidad espectral de potencia de la señal se
denota con G(f) antes de la expansión (a) y con Gss(f) después
de la expansión.
En la figura (b) La densidad espectral de potencia unilateral
del ruido blanco (No), no cambia como consecuencia de la
expansión del espectro de la señal desde W hasta Wss; esto
es debido a que la potencia de ruido es infinita.
Por lo tanto se puede concluir que el uso de la técnica
de espectro expandido no ofrece mejoras en la performance de
estos sistemas frente al ruido blanco aditivo Gaussiano.
En la figura 2 se supone que no existe ruido blanco, pero la
transmisión sufre la interferencia de una señal de potencia J
y densidad espectral de potencia J’o = J/W donde W es el ancho
de banda sin expandir (a). Una vez que se expande el espectro
de la transmisión, se obtiene una densidad espectral de
potencia de la señal Gss(f), y el sistema encargado de interferir
(jammer) tiene dos alternativas; la primera es ocupar todo el
ancho de banda Wss con igual potencia de la señal interferente,
obteniéndose una reducción en su densidad espectral de potencia
en un factor (W/Wss), resultando entonces Jo = J/Wss,
llamada densidad espectral de ruido interferente de banda ancha (b).
La segunda opción (c), consiste en concentrar toda su
potencia en un determinado ancho de banda, menor que Wss,
por lo que la densidad espectral de potencia se incrementará
de Jo a Jo/p (0< p < 1) donde p es la porción del espectro
expandido que se quiere interferir.
Se puede ver que la expansión del espectro ofrece cierta
protección contra esta interferencia.
Cuanto mayor sea el ancho de banda expandido
(ó, más generalmente,cuanto mayor sea la dimensión del
espacio de señal), más eficaz será la protección contra
interferencias.
2 acceso multiple por divicion de codigo (CDMA)
El acceso múltiple consiste en compartir los recursos de un
sistema de comunicaciones, por varios usuarios.
Los dos métodos más usados son :
-Acceso múltiple por división de frecuencia (frecuency division multiple access, FDMA)
Todos los usuarios acceden al canal simultáneamente, pero cada
uno utiliza una banda de frecuencia diferente
-Acceso múltiple por división de tiempo (time division multiple access,TDMA).
TDMA, todos los usuarios ocupan la misma banda de frecuencia,
pero transmiten secuencialmente en el tiempo.
En el caso de acceso múltiple por división de código
(code division multiple access, CDMA) todos los usuarios pueden
transmitir al mismo tiempo y ocupar la misma banda de frecuencia.
Para implementar un sistema CDMA se usa siempre la técnica de
espectro expandido, a cada usuario se le asigna un código propio,
para la modulación, ya sea por secuencia directa o por saltos
de frecuencia.
Ventajas de la utilizacion de cdma son:
1 CDMA no requiere una red de sincronización externa
2 Es relativamente fácil incorporar nuevos usuarios al sistema
3 CDMA tiene capacidad para disminuir los efectos adversos
producidos por señales interferentes, por usar modulación de
espectro expandido.
3 mejoras frente al desvanecimiento
La señal transmitida llega al receptor por diferentes caminos
debido al rebote de la dicha señal en diversas superficies
tales como árboles, edificios, montañas, etc..
Este problema es particularmente crítico en sistemas de
comunicaciones móviles, en donde el transmisor, el receptor,
ó ambos están en movimiento.
En consecuencia de esto, la señal recibida experimenta variaciones
en su amplitud y retardos de tiempo (o fase) en relación a la señal
recibida por rayo directo.
La interferencia causada por estas señales indeseadas se conoce
como interferencia por múltiples caminos (multipath interference)
y la variación que sufre la señal recibida debido a esta interferencia
se conoce como desvanecimiento (fading).
En canales que presentan cierto grado de desvanecimiento,
puede disminuirse este efecto utilizando la técnica de espectro
expandido. En particular, con un sistema FH/MFSK se puede mejorar
la performance del sistema frente a estos múltiples caminos,
haciendo que la frecuencia portadora varíe (salte) lo suficientemente
rápido en relación a la diferencia de tiempo entre la señal de rayo
directo y las retrasadas. Con esto se logra que toda (ó la mayoría)
de la energía de la señal que llega con retraso esté en otra frecuencia
que la ocupada por la señal actual y por lo tanto, estas señales
indeseadas no influyen en la detección, con lo cual el impacto debido
a los múltiples rayos se ve minimizado.
Introduccion
Se define a un sistema de espectro expandido
a aquel que cumple con los siguientes requerimientos:
-La señal ocupa un ancho de banda mucho mayor que el
mínimo ancho de banda necesario para transmitir la
información.
-La expansión del espectro se lleva a cabo por medio
de una señal de expansión también llamada señal de
código la cual es independiente del mensaje.
-En el receptor, para recuperar los datos originales,
se debe realizar la correlación entre la señal recibida
y una réplica exacta de la señal de código utilizada
en el proceso de expansión.
Ventajas
-La principal ventaja de los sistemas de comunicaciones
de espectro expandido es su capacidad para rechazar
interferencia, sea esta intencional o no. En este último
caso podemos citar cuando otro usuario intenta transmitir
simultáneamente por el mismo canal, mientras que la
interferencia intencional puede ser causada adrede para
evitar la comunicación entre dos puntos.
Tecnicas para generar señales de espectro expandido
1.- Secuencia directa (direct sequence, DS)
2.- Saltos de frecuencia (frecuency hopping, FH)
Secuencias pseudoaleatorias
No es realmente aleatoria si no que es deterministica
en el sentido que puede ser generada por el transmisor
y el receptor .
Hay tres propiedades que se aplican como prueba a una
secuencia periodica binaria para determinar su
aleatorieidad, estas son:
-balance
-corrida
-correlacion
Generacion de secuencias pseudoaleatorias
Un método simple para la generación de secuencias
pseudo-aleatorias ó de pseudo-ruido (PN), es mediante
la utilización de un registro de desplazamiento.
Ejemplo:
periodo de la secuencia de salida:
000100110101111
Comprobemos si esta secuencia cumple con las
propiedades antes citadas
Daremos como ejemplo la secuencia que se obtiene si
tenemos inicialmente un 1 en la primer etapa y un 0 en
las restantes. Podemos ver que los diferentes estados
que presentará este registro son :
1000 0100 0010 1001 1100 0110 1011 0101
1010 1101 1110 1111 0111 0011 0001 1000
Ahora vamos a comprobar si esta secuencia cumple con
las propiedades antes citadas:
-Balance : hay siete ceros y ocho unos por lo tanto esta
secuencia cumple con esta propiedad.
-Corrida : hay cuatro corridas de ceros, la mitad
de ellas (2) son de largo 1 y un cuarto (1) es de largo 2;
lo mismo sucede con las corridas de unos. Por lo tanto,
aunque la secuencia es corta, podemos ver que cumple
con esta propiedad.
-Correlación : si comparamos la secuencia anterior con
la misma desplazada cíclicamente un lugar obtenemos :
donde el número de coincidencias (1) es 7 y el número
de bits opuestos (0) es 8, por lo que cumple con esta
propiedad.
Saltos de frecuencias lentos
transmicion:
-Los datos binarios ingresan al modulador FSK
-la señal modulada de salida mas la señal de salida
de un sintetizador de frecuencia ingresan a un mezclador
recepcion:
-la señal recibida en el receptor es primeramente mezclada
con la señal de salida del sintetizador de frecuencia
-La señal resultante es filtrada y luego procesada por un
detector de MFSK no coherente
Aplicaciones
La aplicación se obtiene con la utilización de las técnicas
de espectro expandido es la protección contra interferencias,
sean estas intencionales o no.
Tiene otras importantes aplicaciones como acceso múltiple
por división de código y mejoras frente al desvanecimiento
de señales que se produce por el arribo de éstas al receptor
por múltiples caminos.
1 proteccion contra Interferencias
El ruido blanco Gaussiano es un modelo matemático que por
definición tiene potencia infinita esparcida uniformemente
en todo el espectro de frecuencias. Sin embargo es posible
establecer una comunicación con este ruido de potencia infinita
debido a que solo afecta a la comunicación las componentes del
ruido que comparten el espacio de señal con las componentes de
la señal transmitida.
En la siguiente figura (1), se ve el efecto que produce la
expansión del espectro de una transmisión, en presencia de
ruido blanco. La densidad espectral de potencia de la señal se
denota con G(f) antes de la expansión (a) y con Gss(f) después
de la expansión.
En la figura (b) La densidad espectral de potencia unilateral
del ruido blanco (No), no cambia como consecuencia de la
expansión del espectro de la señal desde W hasta Wss; esto
es debido a que la potencia de ruido es infinita.
Por lo tanto se puede concluir que el uso de la técnica
de espectro expandido no ofrece mejoras en la performance de
estos sistemas frente al ruido blanco aditivo Gaussiano.
En la figura 2 se supone que no existe ruido blanco, pero la
transmisión sufre la interferencia de una señal de potencia J
y densidad espectral de potencia J’o = J/W donde W es el ancho
de banda sin expandir (a). Una vez que se expande el espectro
de la transmisión, se obtiene una densidad espectral de
potencia de la señal Gss(f), y el sistema encargado de interferir
(jammer) tiene dos alternativas; la primera es ocupar todo el
ancho de banda Wss con igual potencia de la señal interferente,
obteniéndose una reducción en su densidad espectral de potencia
en un factor (W/Wss), resultando entonces Jo = J/Wss,
llamada densidad espectral de ruido interferente de banda ancha (b).
La segunda opción (c), consiste en concentrar toda su
potencia en un determinado ancho de banda, menor que Wss,
por lo que la densidad espectral de potencia se incrementará
de Jo a Jo/p (0< p < 1) donde p es la porción del espectro
expandido que se quiere interferir.
Se puede ver que la expansión del espectro ofrece cierta
protección contra esta interferencia.
Cuanto mayor sea el ancho de banda expandido
(ó, más generalmente,cuanto mayor sea la dimensión del
espacio de señal), más eficaz será la protección contra
interferencias.
2 acceso multiple por divicion de codigo (CDMA)
El acceso múltiple consiste en compartir los recursos de un
sistema de comunicaciones, por varios usuarios.
Los dos métodos más usados son :
-Acceso múltiple por división de frecuencia (frecuency division multiple access, FDMA)
Todos los usuarios acceden al canal simultáneamente, pero cada
uno utiliza una banda de frecuencia diferente
-Acceso múltiple por división de tiempo (time division multiple access,TDMA).
TDMA, todos los usuarios ocupan la misma banda de frecuencia,
pero transmiten secuencialmente en el tiempo.
En el caso de acceso múltiple por división de código
(code division multiple access, CDMA) todos los usuarios pueden
transmitir al mismo tiempo y ocupar la misma banda de frecuencia.
Para implementar un sistema CDMA se usa siempre la técnica de
espectro expandido, a cada usuario se le asigna un código propio,
para la modulación, ya sea por secuencia directa o por saltos
de frecuencia.
Ventajas de la utilizacion de cdma son:
1 CDMA no requiere una red de sincronización externa
2 Es relativamente fácil incorporar nuevos usuarios al sistema
3 CDMA tiene capacidad para disminuir los efectos adversos
producidos por señales interferentes, por usar modulación de
espectro expandido.
3 mejoras frente al desvanecimiento
La señal transmitida llega al receptor por diferentes caminos
debido al rebote de la dicha señal en diversas superficies
tales como árboles, edificios, montañas, etc..
Este problema es particularmente crítico en sistemas de
comunicaciones móviles, en donde el transmisor, el receptor,
ó ambos están en movimiento.
En consecuencia de esto, la señal recibida experimenta variaciones
en su amplitud y retardos de tiempo (o fase) en relación a la señal
recibida por rayo directo.
La interferencia causada por estas señales indeseadas se conoce
como interferencia por múltiples caminos (multipath interference)
y la variación que sufre la señal recibida debido a esta interferencia
se conoce como desvanecimiento (fading).
En canales que presentan cierto grado de desvanecimiento,
puede disminuirse este efecto utilizando la técnica de espectro
expandido. En particular, con un sistema FH/MFSK se puede mejorar
la performance del sistema frente a estos múltiples caminos,
haciendo que la frecuencia portadora varíe (salte) lo suficientemente
rápido en relación a la diferencia de tiempo entre la señal de rayo
directo y las retrasadas. Con esto se logra que toda (ó la mayoría)
de la energía de la señal que llega con retraso esté en otra frecuencia
que la ocupada por la señal actual y por lo tanto, estas señales
indeseadas no influyen en la detección, con lo cual el impacto debido
a los múltiples rayos se ve minimizado.