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• Diego Fabricio

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UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA Y COMUNICACIONES COMUNICACIONES MÓVILES

Noveno “A” Tecnología Spread Spectrum

Nombres Andrade Andy Llamuca Diego Pico Magaly Zurita Xavier Docente: Ing. Juan Pablo Pallo SEPTIEMBRE 2017 – FEBRERO 2018 AMBATO - ECUADOR

1.

Tema Tecnología Spread Spectrum

2.

Objetivos a.

Objetivo General Conocer las características fundamentales de la transmisión de señales digitales mediante dispersión del espectro (spread spectrum).

b.

Objetivos Específicos  

Analizar y encontrar una aplicación que relaciones los conceptos investigados en teoría. Analizar las ventajas y desventajas del spread spectrum.

3. Resumen En los sistemas de comunicación estudiados hasta ahora los criterios de comportamiento se expresaban en función de la utilización eficiente del ancho de banda y de la relación Señal/Ruido en el canal. Sin embargo, en algunas aplicaciones hay que considerar aspectos tales como la capacidad o robustez contra interferencias (espontáneas o maliciosas), capacidad para acceso múltiple a un medio y baja probabilidad de intercepción, aspectos que son de gran importancia en las aplicaciones militares y que ahora se han llevado a aplicaciones en el dominio civil. Estos objetivos se pueden optimizar aplicando las técnicas del espectro disperso (spread spectrum, SS). Existen varias técnicas de dispersión del espectro. Para ser considerado como un sistema

4. Marco Teórico Se denomina modulación de Espectro Disperso (Spread Spectrum) a un conjunto de técnicas de transmisión de señales con las cuales se satisfacen requerimientos como: transmisiones seguras en ambientes hostiles logrando que la señal no sea detectada con facilidad por escuchas indeseables, rechazando las interferencias intencionadas o no. La definición de la modulación de Espectro Disperso (Spread Spectrum) puede expresarse en dos enunciados, expresados a continuación:

1. El espectro disperso es un medio de transmisión en el cual la secuencia de datos ocupa un ancho de banda mayor del ancho mínimo necesario para enviarla. 2. La dispersión del espectro se consigue antes de la transmisión por el uso de un código que es independiente de la secuencia de datos. Dicho código es usado en la recepción, para realizar el proceso contrario en la señal recibida y poder recuperar el mensaje.

5. Procedimiento El aumento del ancho de banda al usar técnicas de espectro disperso debe ir acompañado de ventajas significativas, las cuales se enuncian a continuación: Baja probabilidad de intercepción: La expansión en espectro dificulta la detección de la señal, para un sistema externo debido a: la larga banda de frecuencias que deben ser vigiladas y a la reducción de la densidad de potencia que se da en el proceso de expandir espectro. Rechazo de interferencia independiente y operación como técnica de acceso múltiple: Como se mencionó anteriormente una de las características de expandir en espectro es el alto rechazo de interferencias, las cuales pueden venir de un canal de comunicaciones “amistoso”. Esta habilidad de los sistemas de espectro disperso de rechazo de interferencia independiente es la base para la operación como técnica de acceso múltiple, ya que varios sistemas de espectro disperso pueden operar en la misma banda de frecuencia; cada uno rechazando la interferencia producida por los otros. Esta manera asíncrona de compartir espectro es denominada: acceso múltiple por espectro expandido (Spread spectrum multiple access-SSMA) o acceso múltiple por división de código (code-division multiple-accessCDMA). Interferencia debida a multitrayectoria: Este tipo de interferencia se produce por la diferencia entre la señal que llega de manera directamente y la que llega reflejada por obstáculos, la señal incluso puede llegar a anularse por completo. La modulación de espectro disperso por salto en frecuencia (FHSS) es mas resistente a la multitrayectoria que la modulación de espectro disperso por secuencia directa (DSSS), pero en la actualidad este problema ha sido resuelto por las antenas multidireccionales o antenas diversidad. Lo cual hace a las técnicas de espectro disperso altamente inmunes a la distorsión por multitrayectoria.

Figura 1. Spread Spectrum

La tecnología del espectro ensanchado (Spread Spectrum, SS) se originó como una solución para contrarrestar la interferencia intencional (jamming) y ocultar las comunicaciones propias de escuchas no deseadas. Su origen puede remontarse hacia finales de la Segunda Guerra Mundial. Con esas dos importantes características, los primeros desarrollos fueron orientados hacia

aplicaciones militares, hasta que en 1989 se comenzó a utilizar en el ámbito civil, cuando esta tecnología fue liberada por el gobierno de los Estados Unidos. Seguramente hemos escuchado en innumerables ocasiones la terminología de espectro ensanchado en radioenlaces, telefonía inalámbrica, enlaces satelitales, sistema de posicionamiento global, sistemas de comunicaciones militares, en sistemas celulares (acceso múltiple por división de códigos, CDMA), etc. Y a mi entender cada vez va a ser mayor su uso en el área de telecomunicaciones. Esto se debe fundamentalmente a que los recursos que utiliza no son el espectral ni el temporal, en la actualidad muy explotados, sino la diferenciación entre códigos seudoaleatorios. Esta característica amplía el campo de desarrollo poniendo el rendimiento del sistema en función de estos códigos, estudiados y diseñados matemáticamente. En la medida que se puedan crear secuencias cada vez más distintas entre sí y fáciles de generar, se mejorará la performance del sistema incrementándose su capacidad de transmisión de información. En este artículo me propongo describir en forma simplificada las características fundamentales del Spread Spectrum y analizar una de sus propiedades más destacadas, su protección contra la interferencia. Algunas técnicas para el ensanchamiento del espectro son: modulación con “Direct Sequence”, en la cual a partir de una función determinística se genera una secuencia seudoaleatoria y ésta conteniendo los datos produce la modulación en fase de la portadora; “Frecuency Hopping”, la frecuencia portadora cambia en forma seudoaleatoria; y “Time Hopping” donde se transmiten ráfagas de datos en momentos con intervalos seudoaleatorios. Frecuentemente se usan sistemas híbridos. A continuación, se muestra un diagrama en bloques muy simplificado del sistema:

Figura 2. Diagrama de bloques Si la lógica de del lazo de realimentación consiste por completo de sumador módulo 2, el registro de corrimiento será lineal (en las figuras 2 y 3 se observan dos configuraciones de registros lineales); en este tipo de registros el estado inicial 0 es no permitido ya que el registro permanecería en estado cero y la salida serian solo ceros. Por lo tanto, el periodo de una secuencia de pseudo ruido producida por estos registros no podría exceder de 2m-1; si la secuencia posee esta longitud se denomina secuencia m o secuencia de longitud máxima.

Figura 3. Configuración Galois Noción de Espectro Disperso (Spread Spectrum) Al expandir el espectro de una señal, se provoca que esta adopte la apariencia de una señal de ruido, de tal manera que puede ser propagada por el canal sin que sea detectado por otros usuarios, en pocas palabras la señal se “camufla”. Un método para expandir en espectro una secuencia de datos es por medio de la modulación. Concretamente una secuencia de datos b(t) se usa para modular una secuencia de ruido c(t) de banda ancha, a través de un multiplicador (ambas son señales NRZ) de la teoría de Fourier conocemos que una multiplicación de dos señales en el dominio del tiempo produce en el dominio de la frecuencia que el espectro resultante es una convolución de los espectros individuales, y al ser c(t) una señal con gran ancho de banda, la señal producto m(t) tendrá un aspecto similar a c(t). De acuerdo a esto c(t) actúa como un código expansor (spreading code).Con la multiplicación de b(t) y c(t) se provoca que cada bit de información sea dividido o partido en pequeños elementos denominados chips. Para transmisiones banda base, m(t) es la señal transmitida. La señal recibida r(t) consta de m(t) mas una interferencia aditiva i(t) y se puede escribir como: r(t)= m(t)+i(t). Para recuperar la secuencia de datos b(t), la señal r(t) se le aplica un demodulador que consiste de un multiplicador seguido de un filtro pasa-bajos. En el multiplicador se utiliza una replica de la secuencia de pseudos ruido generada en el transmisor y que se encuentra en sincronía con esta. La señal z(t) que se genera a la salida del multiplicador se puede escribir como: z(t) = c(t)r(t)la cual puede se rescrita como:z(t) = c (t)b(t)+ c(t)( ) i t2, como c(t) elevada al cuadrado uno tenemos finalmente: z(t)= b(t)+c(t)( ) i t. Por lo tanto, b(t) se vuelve a reproducir a la salida del multiplicador, y la interferencia al estar multiplicada por la secuencia de pseudo-ruido se ve afectada de la misma manera que la señal original al ser transmitida. Al aplicar el filtro pasa-bajos la señal c(t)i(t) adquiere un ancho de banda angosto, perdiendo la mayor parte de la potencia, disminuyendo significativamente su efecto en la señal de salida. (véase figura #6) En resumen el uso de un código expansor (spreading code) produce una señal de banda ancha que al ser transmitida aparece como si fuera ruido para aquellos receptores que no conocen la secuencia del código. Entre más larga sea la secuencia de pseudo-ruido, más difíciles de detectar el mensaje transmitido. El costo de esto es mayor ancho de banda, mayor complejidad y retardo de procesamiento, pero mayor seguridad.

Figura 4. Proceso In – Out spread Spectrum

Figura 5. Diagrama de bloques y formas de onda

Simulación en Matlab Mediante MatLab Simular la señal c(t) generada a partir de un registro realimentado de tres Flip Flop, donde inicialmente se encuentran los bits 101; el cual genera una secuencia de 7 Bits. La señal de información a transmitirse es b(t), cuyos valores son 0 ó 1, luego modularse mediante BPSK, debe ser decepcionado visualizándose la señal de información recibida. %**************************** %MODULACIÓN PASA-BANDA DS-SS %**************************** %Definimos un juego de valores para los estados %Usemos estos como ejemplo: Q0=1;Q1=0;Q2=1; n=7; secuencia=zeros(n,3); for i=1:n Ct(i)=Q0; suma=xor(Q1,Q0); Q0=Q1; Q1=Q2; Q2=suma; secuencia(i,:)=[Q2 Q1 Q0]; end %Convertimos a una señal Bipolar for i=1:n if Ct(i)==1 Cbt(i)=Ct(i); elseif Ct(i)==0

Cbt(i)=-1; end end %SEÑAL SINUSOIDAL f=60; T=1000/f; Tf=n*T; %en milisegundos Ns=round(20*Tf);%número de muestras t=linspace(0,2*Tf,2*Ns); Osc=12*sin(2*pi*f*t/1000);

%MODULACIÓN BPSK Sx=zeros(1,Ns); cuenta=0; j=1; k=1; for i=1:Ns if -Osc(2)/2