ITU-R SM 1055 SPANISH-1994 THE USE OF SPREAD SPECTRUM TECHNIQUES《扩频技术的使用》.pdf

1、Rec. UIT-R SM.1055 1RECOMENDACIN UIT-R SM.1055UTILIZACIN DE TCNICAS DE ESPECTRO ENSANCHADO(Cuestin UIT-R 71/1)(1994)Rec. UIT-R SM.1055La Asamblea de Radiocomunicaciones de la UIT,considerandoa) que los sistemas de espectro ensanchado pueden ofrecer factores de comparticin mejorados en determinadasco

2、ndiciones para lograr los objetivos de las telecomunicaciones;b) que los sistemas de espectro ensanchado comprenden sistemas de salto de frecuencia, de secuencia directa ymixtos de salto de frecuencia y secuencia directa;c) que los sistemas de espectro ensanchado pueden ofrecer ventajas operacionale

3、s tales como mayor resistencia ala interferencia y mejor calidad de funcionamiento en condiciones de propagacin por trayectos mltiples;d) que es necesario estudiar detalladamente la interferencia mutua entre seales de espectro ensanchado y entreestas seales y las seales de banda estrecha ms tradicio

4、nales;e) que los sistemas de espectro ensanchado funcionan de manera diferente que las comunicaciones de bandaestrecha ms tradicionales,recomienda1. que al describir los sistemas de modulacin de secuencia directa (DS-direct sequence), de salto de frecuencia(FH-frequency hopping) y de combinacin de s

5、alto de frecuencia/secuencia directa (FH/DS), se tengan en cuenta lasdescripciones de las tecnologas de espectro ensanchado y los clculos de seal/ruido contenidos en el anexo 1;2. que al estudiar el efecto de seales de espectro ensanchado con salto de frecuencia y de secuencia directa sobrevarias se

6、ales comunes una por una, incluidas la modulacin de amplitud (A3E), la modulacin de frecuencia (F3E), lamultiplexacin por divisin de frecuencia/modulacin de frecuencia de banda ancha (F8E) y la televisin, se utilicen lasrelaciones de seal/interferencia, las prdidas de propagacin requeridas mnimas y

7、otras medidas de degradacin de lacalidad de funcionamiento entre posibles sistemas interferentes, como se describe en el anexo 2;3. que para calcular el efecto de los sistemas de secuencia directa y de salto de frecuencia en los receptoresdigitales, receptores vocales de modulacin de amplitud y rece

8、ptores vocales de modulacin de frecuencia, se utilicen losprocedimientos descritos en el anexo 3.Nota 1 Otros estudios deberan concentrarse en los efectos de mltiples seales interferentes de espectro ensanchadoen un entorno abarrotado.ANEXO 1Tcnicas de espectro ensanchado1. IntroduccinEn este anexo

9、se describen tcnicas de espectro ensanchado de banda ancha y las capacidades de rechazo deinterferencia de estos sistemas.Un sistema de espectro ensanchado (SS-spread spectrum), se puede definir como un sistema en el cual laenerga media de la seal transmitida se reparte sobre una anchura de banda mu

10、cho mayor que la de la informacin. (Laanchura de banda de la seal transmitida es al menos dos veces mayor que la de la informacin para la modulacin deamplitud (MA) de doble banda lateral, normalmente cuatro veces mayor, o ms, para la modulacin de frecuencia (MF)de banda estrecha, y de 100 a 1 para u

11、n sistema SS lineal.) Estos sistemas esencialmente intercambian una mayoranchura de banda de transmisin con una densidad espectral de potencia ms baja y un mayor rechazo de las sealesinterferentes que se dan en la misma banda de frecuencias. Ofrecen por tanto la posibilidad de compartir el espectro

12、con2 Rec. UIT-R SM.1055sistemas de banda estrecha convencionales debido a la posibilidad de transmitir una potencia inferior en la banda de pasode los receptores de banda estrecha. Adems, los sistemas de recepcin SS permiten rechazar los niveles elevados deinterferencia. Debern por tanto estudiarse

13、estos sistemas para determinar el grado de eficacia con que utilizan elespectro.Es necesario analizar dos tipos de tcnicas SS de expansin de anchura de banda, a saber, las tcnicas conrechazo lineal y no lineal de la interferencia. El mtodo de MF clsico es representativo de las tcnicas no linealesdeb

14、ido a que slo se produce aumento de la relacin S/N de salida cuando la relacin S/N de entrada es mayor que larelacin de captura de ruido. Esto significa que la relacin S/N de entrada debe ser tpicamente superior a 10 dB paraobtener una mejora lineal contra el ruido. En contraste con los sistemas de

15、tipo MF, los sistemas SS que describe esteInforme son lineales, de manera que la mejora permanece constante incluso cuando la relacin seal deseada/sealinterferente de entrada es negativa. La relacin seal deseada/seal interferente (S/I)out de salida se hace mayor que larelacin seal deseada/seal inter

16、ferente (S/I)inde entrada y se define como ganancia del proceso (PG-processing gain)del sistema. Un valor tpico de PG podra ser de 100 a 1, o mayor. Por definicin, PG es:10 log PG = (S/I )out (S/I )in(1)Un sistema con una PG de 100 (y sin prdidas debidas al tratamiento no ideal de la seal) y una rel

17、acinmnima S/I de salida de 10 dB requiere una S/I de entrada de al menos:(S/I )in= 10 dB 10 log 100 = 10 dBUn sistema SS lineal que puede funcionar con una (S/I) de entrada de 10 dB es extremadamente conveniente,ya que con una seal interferente de 10 dB superior a la seal deseada, an se puede utiliz

18、ar el sistema eficazmente. Enlos sistemas convencionales, con una S/I de entrada de 10 dB, la seal deseada sera suprimida o capturada y no setransferira ninguna informacin.Una segunda caracterstica importante de las tcnicas SS usuales es que la seal transmitida resultante es unaseal de densidad de b

19、aja potencia y banda ancha que se asemeja al ruido. Por tanto, la seal transmitida no es detectadafcilmente por un receptor convencional. La restitucin de la informacin de la banda de base a partir de la seal debanda ancha transmitida slo se puede realizar por medio de un procesamiento de la seal (M

20、F) basado en la correlacino en un filtro adaptado. Debido a esta propiedad, el oyente al que no est destinada la transmisin no detecta lainformacin de la banda de base, y debido a la baja densidad de potencia, no puede producir efectos de interferenciaimportantes a otros usuarios del espectro. La tc

21、nica SS proporciona inherentemente un grado de secreto del mensajecon respecto a los sistemas que no son de espectro ensanchado, as como a otros sistemas SS que utilizan cdigosdiferentes y ningn procesamiento especial de la seal. La codificacin proporciona tambin una capacidad dedireccionamiento sel

22、ectiva. Mltiples usuarios que utilizan cdigos diferentes (acceso mltiple por distribucin decdigo) pueden transmitir simultneamente en la misma banda de frecuencia con una interferencia mutua mnima (loscdigos que se utilizan deben tener tambin una baja funcin de correlacin cruzada).Una tercera ventaj

23、a de las tcnicas SS sobre las tcnicas de modulacin convencionales es la mayor fiabilidadde transmisin en presencia de desvanecimientos selectivos y de propagacin por trayectos mltiples. Esta ventaja puedeser importante para los medios de transmisin sometidos normalmente a desvanecimientos, por ejemp

24、lo, en los sistemasde dispersin troposfrica. El aumento de la proteccin contra los efectos de la propagacin por trayectos mltiples esuna consecuencia directa de la extensin de la anchura de banda transmitida. En una primera aproximacin, la mejora esdirectamente proporcional a la relacin entre la anc

25、hura de banda transmitida y la anchura de banda de informacin. Losreceptores diseados para detectar seales SS generan normalmente, previamente a su demodulacin final, la funcin decorrelacin cruzada entre una rplica de la seal transmitida y la seal recibida de la antena. Se elige siempre unafuncin de

26、 correlacin de la seal deseada que sea lo mejor posible, es decir, que asegure que la salida sea mxima enel centro y que la seal caiga casi a cero en un periodo de tiempo igual a la recproca de la anchura de banda de la sealtransmitida y permanezca prxima a cero en cualquier otro instante. La propag

27、acin por trayectos mltiples degrada lacalidad de funcionamiento del enlace cuando se combina con la seal directa de una manera que deteriora la funcin decorrelacin de la seal detectada por reducir su valor de cresta. La introduccin de falsas crestas traseras en la funcin decorrelacin debido a la sim

28、ple propagacin por trayectos mltiples no suele representar un problema. El receptordetectar y procesar la primera cresta de amplitud adecuada, ya sea la seal directa si es suficientemente intensa o laprimera seal reflejada de amplitud adecuada si la seal directa sufre interferencia. En este ltimo ca

29、so, la temporizacinse sincroniza con el retorno por trayectos mltiples correspondiente, y se procesa en lugar de la seal directa. Porconsiguiente, para que la propagacin por trayectos mltiples sea destructiva debe presentarse con un retardo diferencialinferior a la duracin de la cresta de la funcin

30、de correlacin, con una fase que produzca interferencia destructivaRec. UIT-R SM.1055 3(supresin en lugar de amplificacin) y con una amplitud adecuada que impida que la cresta sobrepase los umbrales dedeteccin. A medida que aumenta la anchura de banda transmitida disminuye proporcionalmente la duraci

31、n de la crestade la funcin de correlacin, y el retardo diferencial de trayectos mltiples que puede afectar a la calidad defuncionamiento disminuye tambin en forma proporcional.2. Tipos de seales de espectro ensanchadoA continuacin figuran las definiciones de distintos tipos de tcnicas/estructura de

32、seal de espectroensanchado: Espectro ensanchado por secuencia directa (DS): tcnica de estructuracin de la seal que utiliza unafrecuencia digital de cdigo con una velocidad de datos codificados 1/Tsinmuy superior a la velocidadbinaria de la seal de informacin 1/Ts. Cada bit de informacin de la seal d

33、igital se transmite como unasecuencia seudoaleatoria de datos codificados, que produce un espectro semejante a ruido ancho con unaanchura de banda (distancia entre primeros nulos) de 2 Bsin= 2/Tsin. El receptor correlaciona la seal deentrada RF con una copia local de la secuencia ensanchadora para r

34、estituir la informacin de datos debanda estrecha a una velocidad 1/Ts. Espectro ensanchado por saltos de frecuencia (FH): tcnica de estructuracin de la seal que emplea unaconmutacin automtica de la frecuencia transmitida. La seleccin de la frecuencia que se ha de transmitirse realiza generalmente de

35、 forma seudoaleatoria a partir de un juego de frecuencias que cubre una bandams ancha que la anchura de banda de informacin. El receptor correspondiente realizar un salto defrecuencia en sincronismo con el cdigo del transmisor para recuperar la informacin deseada. Espectro ensanchado hbrido (FH/DS):

36、 combinacin de las dos tcnicas de espectro ensanchado por saltode frecuencia y de espectro ensanchado por secuencia directa. Velocidad de datos codificados: velocidad a la cual los bits sucesivos de la secuencia ensanchadora seaplican a la informacin de la seal.Existen otros dos tipos de modulacin d

37、e espectro ensanchado. El primero utiliza la modulacin por impulsosde frecuencia (chirped modulation) donde una portadora barre toda una banda de frecuencias. Los sistemas de radar,en particular, pueden tener una velocidad de barrido que sea una funcin lineal de tiempo. El otro segundo tipo deespect

38、ro ensanchado emplea una portadora no sinusoidal para conseguir una ganancia de tratamiento adicional. En lainformacin que se incluye a continuacin no se examina en detalle los tipos de espectro ensanchado hbrido o demodulacin por impulsos de frecuencia.3. Caractersticas de la relacin seal/ruido (S/

39、N) en los sistemas DS y FHLa caracterstica de una relacin seal/ruido del sistema lineal DS de espectro ensanchado en presencia deruido gaussiano se aplica al ruido del sistema receptor y al ruido externo con caractersticas gaussianas. Para estacondicin, la caracterstica DS viene dada por:PG = (S/N )

40、out (S/N )in= 2 BsinTs(2)donde:PG : ganancia de procesamiento del sistema(S/N)out : relacin seal/ruido, a la salida (salida de correlador)(S/N)in : relacin seal/ruido, a la entrada (entrada RF)2 Bsin: anchura de banda de la densidad espectral de potencia de la seal de entrada de radiofrecuencia enlo

41、s primeros nulosTs : tiempo de duracin de la informacin de la seal de entrada.La ganancia del proceso (PG) (ecuacin (2) se considera el parmetro ms importante de un sistema SS.La cresta de la funcin de autocorrelacin de la seal a la velocidad de cdigo para u = 0 tendr una duracindel orden de 1/Bsin=

42、 Tsin. La relacin entre la duracin de la informacin de la seal (Ts) y la cresta principal de larespuesta es entonces Ts/Tsin. As, el que Tssea Bsingrande permite obtener un efecto de comprensin de impulso envirtud del cual la energa de la seal contenida en un impulso relativamente largo (duracin de

43、Ts) se comprime en unimpulso corto de nivel elevado (duracin de Tsin ). El resultado es una elevada probabilidad de deteccin en el receptor aque est destinada la transmisin, sin prdida de resolucin en el tiempo.4 Rec. UIT-R SM.1055Pueden obtenerse los mismos resultados en el dominio del tiempo toman

44、do la transformada inversa de Fourierde las funciones respectivas y utilizando operaciones en el tiempo equivalentes.El sistema FH consta esencialmente de un filtro de banda estrecha adaptado a la anchura de banda deinformacin que se desplaza de manera seudoaleatoria en frecuencia dentro de la anchu

45、ra de banda SS. El ruido externoal sistema viene por tanto gobernado por la anchura de banda del filtro de banda estrecha. Al efectuar un anlisis delruido o de una seal interferente no deseada que ocupe la anchura de banda total de los saltos de frecuencia se obtieneuna disminucin de la potencia de

46、la seal no deseada de salida que es igual a la relacin entre las anchuras de banda. LaPG es pues, en este caso:PG = BFH Bs(3)donde:BFH : anchura de banda FHBs : anchura de banda de la informacin deseada.Si el sistema FH utiliza la misma anchura de banda de radiofrecuencia que el sistema DS entre los

47、 primerosnulos y transmite a la misma velocidad de informacin, BFHy Bsen la ecuacin (3) son respectivamente iguales a 2 Bsiny 1/Ts, en la ecuacin (2), de modo que la ganancia por procesamiento de ambos sistemas es la misma, despreciando losefectos de segundo orden. Debe sealarse que esto slo es cier

48、to en el caso de un ruido o de una seal no deseadaextendida dentro de una gran anchura de banda, y no para una seal de banda estrecha. La sensibilidad de un sistema FHno incluye la mejora de PG de un sistema de secuencia directa y es simplemente proporcional a la temperatura de ruidodel sistema y a la anchura de banda de informacin.4. Relacin seal/interferenciaA continuacin se describe el anlisis de la relacin S/I de los sistemas DS y FH.Cuando la anchura de banda de la seal interferente de entrada (Blin ) es inferior o igual a la anchura de bandade la seal de entrada deseada (Bsin )