Spread Spectrum Communications

Spread Spectrum Communications është teknikë shumë dimensionale, e cila përdoret në sisteme të ndryshme. Duke u bazuar në laramanin e shumtë të komunikimeve, të cilat janë prezente në ditët e sotme kjo lami kërkon një trajtim të veçantë dhe të respektueshëm sepse është një kontribut i madh për avancimin e teknologjisë komunikuese në shumë sfera, duke u nisur kështu prej Antijamming e deri te CDMA.

Hyrje

Teknika quhet Spread Spectrum sepse transmetimi i sinjalit bëhet në brez më të gjerë frekuencor se transmetimi i sinjaleve brez ngushta . Kjo bëhet për arsye se gjithmonë në transmetim paraqitet nevoja dhe kërkesa për siguri, qëndrueshmëri dhe detektim sa më të lehtë të sinjalit, por nuk do të thotë që i bën të pa rëndësishme sinjalet brez-ngushta. Sistemi konsiderohet të jetë Spread Spectrum nëse parimisht i plotëson tri kërkesa :

• Sinjali e okupon më shumë se që i duhet, gjerësinë e brezit të sinjalit për transmetimin e tij minimal të nevojshëm
• Zgjerimi është i përkryer në kuptimin e zgjerimit të sinjalit që shpesh quhet sinjal kodues, i cili është i pavarur prej të dhënave
• Në pranim, ngushtimi (komprimimi) kryhet nga korrelacioni i sinjalit me spektër të zgjeruar me kopjen e sinkronizuar (që ndodh njëkohësisht) të sinjalit të zgjeruar i cili përdoret për ta zgjeruar informacionin.

Megjithatë arsyet janë të shumta për të bërë zgjerimin e spektrit, sepse do të ishte shumë e logjikshme që të kursehej spektri dhe të fitoheshin të njëjtat kualitete sikur me spektër të zgjeruar. Por kjo gjë është e pa mundshme kur në parim vihet kualiteti i sinjalit. Në vazhdim të këtij punimi do të trajtohen disa elemente bazë të këtyre sistemeve dhe me theks të veçantë do të diskutohet për Direct Sequence dhe Frequency Hopping.

Historiku

Sitemet Spread Spectrum janë sisteme, të cilat fillimin e kanë në vitet e 50-ta dhe fillimisht janë përdorur në sfera ushtarake, por pastaj kanë pasur një shtrirje eksplozive.

Kjo teknik fillet e veta i ka në vitet e mëhershme prapëseprapë mbetet shtyllë shumë e fuqishme në kontributin e më tejmë të avancimit të teknologjisë dhe sidomos në teknikat mjaft komplekse CDMA. Pra pa konceptet bazë dhe teknikën Spread Spectrum do të ishte pothuajse e pamundshme që të arriheshin kualitetet e mira të sinjalit dhe shuarja e interferencës. Gjithashtu karakteristikë shumë e veçantë e kësaj teknike është interferimi i qëllimshëm i zhurmës së bardhë Gausiane për arritjen e kualiteteve të mira të sinjalit.

Qëllimi

Qëllimi i aplikimit i teknikës Spread Spectrum është i tillë që të arrihet:

• Shuarja e interferencës
• Reduktimi i densitetit të energjisë
• Radhitja e vonesave kohore

Mbrojtja kundër interferencës në brezin e brendshëm zakonisht quhet anti-jamming (kundër pengesë ose kundër zhurmë). Aplikacion i ngjashëm është që qasja e shumëfishtë (multiple access) e një numri të shfrytëzuesve, të cilët e ndajnë mediumin e njëjtë në mënyrë koordinatave, i përdorin parametrat ose koordinatat e sinjalit ( që shpesh referohen si kode), të cilat janë të shquara nga të gjithë shfrytëzuesit tjerë. Si arsye për të përdorur spektrin e zgjeruar është CDMA (Code Division Multiple Access).

Në CDMA, secilit shfrytëzues i caktohet një kod unik, i cili përdoret për enkodimin e bartësit të sinjalit të informacionit. Pranuesi e di që sekuenca koduese e shfrytëzuesit e dekodon sinjalin e pranuar dhe e rigjeneron në të dhëna origjinale.

Tiparet e dobishme të sistemit Spread Spectrum

Zhurma e Bardhë Gausiane është model matematikor, që sipas definimit, ka fuqi infinite të shpërndarë në mënyrë uniforme përgjatë gjithë frekuencave. Komunikimi efektiv është i mundshëm pikërisht me këtë ndërhyrje të zhurmës me fuqi infinite sepse vetëm komponentet e zhurmës me fuqi infinite janë prezente përbrenda hapësirës së sinjalit ( me fjalë tjera i ndajnë komponentet tjera si komponente të sinjalit) mund të interferohen me sinjalin. Zhurma e tillë në gjerësinë e brezit të sinjaleve brez-ngushta do të thotë shkatërrim total i performansave të sinjalit të dobishëm.

Në Fig.1 është dhënë një krahasim i efektit të spektrit të zgjeruar në prani të zhurmës së bardhë me prezencë të qëllimshme të penguesit me spektër të zgjeruar.

Fuqia e densitetit spektral përpara zgjerimit le të jetë G(f), dhe Gss(f) pas zgjerimit, $N_{0}$ zhurma e bardhë dhe W sinjali me gjerësi brezi të ekspanduar në Wss.

Në Fig. 1 mund të shihet që densiteti spektral i fuqisë së zhurmës së bardhë $N_{0}$ në njërën anë është i ndryshuar si pasojë e zgjerimit të gjerësisë së brezit të sinjalit prej W në $W_{0}$. Fig.1 ilustron rastin e fuqisë së zhurmës në pranim J, dhe densitetin spektral të fuqisë $J_{0}$’=J/W, ku W është gjerësia e brezit të pa zgjeruar, i cili sapo ka filluar të bëhet me zhurmë.

Rezultati është që, sinjali i pa dëshirueshëm do të ketë gjerësinë e brezit më të vogël W. Nëse fuqia e tij është J watts, densiteti mesatar i tij, i cili është uniform dhe mund të trajtohet si zhurmë brez-gjerë do të jetë:

                        $N_{0}={\frac {J}{W}}watss/Hz$

Le të jetë komponenta e dëshiruar e sinjalit të pranuar me fuqi S watts. Kështu që, nëse shpejtësia e të dhënave është R bita/sec, energjia e pranuar për bit është:

                         $E_{b}={\frac {S}{R}}$ watssˣsecond

Tash në përgjithësi dihet që performansa e BER (bit error rate) në sistemet komunikuese digjitale është funksion direkt $E_{b}/N_{0}$ , ku për sinjalet SS mund të shkruhet si:

                          ${\frac {E_{b}}{N_{0}}}={\frac {SW}{JR}}$

dhe kështu proporcioni fuqi e zhurmes me fuqin e sinjalit jepet me shprehjen:

                           ${\frac {J}{S}}={\frac {W/R}{E_{b}/N_{0}}}$

Teknika Bazë

Përpara se të hyhet në detaje do të sqarohet teknika bazë e Spread Spectrum. Fig.2 paraqet një diagram që e shpjegon qëllimin e modulimit Spread Spectrum. Shumëzimi i dy sinjaleve jo relative rezulton me sinjal, spektri i të cilit është konvolucion i dy komponentëve të sinjalit. Kështu që, në qoftë se sinjali digjital i të dhënave është relativisht brez-ngushtë krahasuar me sinjalet brez-gjëra, sinjali rezultues do të ketë përafërsisht spektër më të gjerë. Në demodulator, sinjali i pranuar është shumëzim i po të njëjtit sinjal të zgjeruar. Në qoftë se sinjali me spektër të zgjeruar gjenerohet në pranues, atëherë ai është i sinkronizuar me sinjalin e pranuar të zgjeruar dhe si rezultat kemi sinjalin origjinal plus ka gjasë që të jenë disa komponente të larta frekuencore të rrejshme jashtë brezit të sinjalit origjinal, kështu që lehtë mund të filtrohen të dhënat origjinale. Në qoftë se ka ndonjë sinjal të pa dëshirueshëm në pranim, në anën tjetër, sinjali i zgjeruar do të veproj njëjtë sikurse sinjali origjinal në transmetues. Deri më tash u trajtua sistemi SS pa u specifikuar në detaje. Në fakt janë dy teknika të veçanta të SS, direkt sequence dhe frequency hopping, për të cilat do të bëhet fjalë në vazhdim.

Direct Sequence

Në Direct Secuence-CDMA bartësi i sinjalit të informacionit është i moduluar në mënyrë direkte nga sinjali digjital dhe sinjali diskret kohor. Sinjali i të dhënave mund të jetë ose analog ose digjital. Në këtë punim do të trajtohet rasti i sinjalit digjital. Në këtë rast, pra në rastin e sinjalit digjital modulimi i të dhënave harrohet shpesh dhe sinjali i të dhënave shumëzohet drejtpërdrejt nga sinjali kodues dhe sinjali rezultues.

Në Fig.3 është dhënë bllok diagrami transmetues i Direct Sequence-CDMA. Të dhënat binare të sinjalit e modulojnë bartësin Radio Frequency. Bartësi i moduluar pastaj modulohet nga sinjali kodues. Ky sinjal kodues konsiston në një numër të bit kodeve që quhen “chips” që mund të ketë vlerë ose +1 ose -1.

Për të fituar sinjalin e zgjeruar të dëshiruar, shpejtësia e çipit të sinjalit të koduar duhet të jetë shumë më e lartë se shpejtësia e sinjalit të informacionit.

Pas transmetimit, pranuesi e përdor demodulimin koherent për ta komprimuar sinjalin SS duke përdorur kodin sekuencial i cili është i gjeneruar lokalisht. Për të qenë në gjendje që ta kryej operacionin e komprimimit, pranuesi jo vetëm që duhet ta dijë kodin sekuencial i përdorur për zgjerimin e sinjalit, por kodet e sinjalit të pranuar dhe kodet e gjenerimit lokal duhet gjithashtu të jenë të sinkronizuara. Sinkronizimi duhet kryhet në fillim të pranimit dhe duhet të vazhdoj deri sa sinjali të pranohet. Katër veti të rëndësishme të Direct Sequence-CDMA janë; multiple acces, multipath interference, narrowband interference dhe LPI (Low Probability of Intercept).

Frequency Hopping

Frequency hopping është ndryshim periodik i bartësit frekuencor të sinjalit të transmetuar. Sekuenca e bartësit frekuencor quhet frequency Hopping pattern. Bashkësia e mundshme e bartësve frekuencor quhet hoppset. Shpejtësia në të cilën bartësi frekuencor ndryshon quhet hop rate. Hopping ndodh mbi një brez frekuencor që quhet hopping band dhe i përfshinë M kanale frekuencore.

Okupimi frekuencor i sistemeve Frequency Hopping-Spread Spectrum dallon nga sistemet Direct Sequence-Spread Spectrum. Sistemi Direct Sequence e okupon tërë brezin frekuencor kur ai transmetohet, ndërsa sistemet Frequency Hopping përdorin vetëm një pjesë të vogël të gjerësisë së brezit kur ato transmetohen, por lokacioni i kësaj pjese dallon në kohë.

Bllok diagrami i sistemit Frequency Hopping-CDMA është dhënë në Fig.4. Sinjali i të dhënave është i moduluar në brezin bazë. Duke përdorur një sintetizues të shpejtë frekuencor që përdoret nga sinjali kodues, bartësi frekuencor konvertohet në transmetim të lartë frekuencor. Kurse në pranim ndodh procesi invers. Duke përdorur kodin e gjeneruar lokal sekuencial, sinjali i pranuar është i shndërruar në brezin e poshtëm bazë. Të dhënat origjinale kthehen pas demodulimit.

Në qoftë se frequency Hopping është më e vogël se gjerësia e brezit të sinjalit të informacionit, atëherë gjerësia e brezit të informacionit është faktori kryesor që vendos gjerësinë e brezit të okupuar. Në qoftë se frequency hopping është më e madhe se gjerësia e brezit të informacionit, forma e pulsit të sinjalit hopping do të vendos për gjerësinë e brezit të sinjalit në një frequency hopping.

Sikurse te sistemet Direct Sequence-CDMA edhe në Frequency Hopping janë katër veti të rëndësishme: multiple access, multipath interference, narrowband interference dhe LPI. Gjithashtu Frequency Hopping klasifikohen edhe si Slow-Frequency Hopping dhe Fast-Frequency Hopping.

Shembull i Frequency Hopping

Le të konsiderohet shembulli i Frequency Hopping si në Fig.5. Të dhënat hyrëse konsistojnë në sekuenca binare me shpejtësi të të dhënave R=150 bits/sec. Modulimi është 8-ary FSK (Fase Shift Keying). Si pasojë shpejtësia e simbolit është:

                 $R_{3}={\frac {R}{log_{2}(8)}}=50simbols/s$            (kohëzgjatja e simbolit është: $T={\frac {1}{60}}=20ms$ )  

Frekuenca është e kërcyer një herë për simbol dhe hopping është i sinkronizuar në kohë me simbolin kufitar. Kështu që shpejtësia e Hopping-ut është 50 hopp/s.

Fig.5. përshkruan planin e gjerësisë së brezit kohor, ku abshisa paraqet kohën, ndërsa ordinata paraqet hopping bandwidth Wss. Legjenda në anën e djathtë të figurës paraqet bashkësinë e 8-ary FSK të transferit simbol në ton. Në modulimin FSK 8-ary tre bitat grupohen në një simbol kohor. Për secilin simbol të ri kohor, $f_{0}$ kërcen në një pozicion të ri në hop bandwidth dhe struktura e brezit të të dhënave hyrëse lëviz përbrenda tij. Frekuenca qendrore $f_{0}$ lëviz por pozicioni i relativ i toneve të simbolit mbetet i fiksuar.