مقاله بررسی سیستمهای طیف گسترده در 50 صفحه ورد قابل ویرایش
تاریخچه و مقدمه
طراحان سیستمهای مخاراتی درگذشته و حال همواره به دنبال دستیابی به تکنیکهای مدولاسیون ودمدولاسیونی هستند که نیازهای مخابراتی و ملاحظاتی مورد نظر آنهارا به بهترین صورت مرتفع سازند. اکثر این تکنیکها سعی در بهینه سازی استفاده از یک یا هر دو پارامتر مخابرات یعنی قدرت و پهنای باند داشته، هدف اصلی آنها کم کردن احتمال خطای بین در ارسال سیگنال از یک محل به محل دیگر، با فرض حضور نویز گوسی سفید جمع شونده میباشد.
با این وجود گاهی نیاز به تکنیکهای مدولاسیونی که نیازهایی غیر از موارد مذکور را برآورده کنند به چشم می خورد. به عنوان مثال علاوه برکانالهای AWGN کانالهای دیگری وجود دارند که از این مدل تبعیت نمی کنند. مثلا یک سیستم مخابرات نظامی که تحت تاثیر تداخل عمدی «اختلال»[1] قرار می گیرد، یا کانال چند مسیره که به خاطر انتشار سیگنال از چند مسیر ایجاد میشود نمونه هایی از این کانالها می باشند، لذا امروزه استفاده از تکنیکهای مدولاسیون با خواصی نظیر مقاومت در برابر اختلال، عملکرد در طیف انرژی پایین، دسترسی چندگانه بدون کنترل خارجی ایجاد کانالهای سری بدون امکان شنود خارجی و … به سرعت ر و به افزایش است. یک روش مدولاسیون و دمدولاسیون که میتواند در اینگونه موارد مناسب باشد تکنیک طیف گسترده[2] میباشد.
60 سال پیش در‌آگوست 1942 هدی لامار جرج آنیل با ثبت سند سیستم مخابرات مخفی در اداره ثبت اختراعات ایالات متحده دریچه ای به فضای دوردست «سیستم های طیف گسترده» گشودند. تکنیکهای طیف گسترده در ابتدا برای اهداف نظامی ایجاد و مورد استفاده قرار گرفتند. اما با پیشرفت های فراوانی که در عرصه VLSI تکنیکهای پیشرفته پردازش سیگنال و ساخت میکروپروسسورهای سریع و ارزان قیمت صورت گرفت امکان توسعه تجهیزات طیف گسترده برای استفاده های شخصی فراهم شد.
ازمشخصات بارز یک سیستم طیف گسترده میتوان به گسترش طیف سیگنال ارسالی در پهنای باند مستقل و بسیار وسیعتر از باند پیام، حذف گسترش و حصول مجدد طیف توان درگیرنده و بکارگیری یک دنباله شبه تصادفی غیر از دنباله پیام در فرستنده و گیرنده اشاره نمود. دو شرط عمده زیر باعث تمایز سیستم های طیف گسترده باز مدولاسیون های نظیر FM باند وسیع که در آنها نیز از پهنای باند سیگنال پیام استفاده میشود شده است .
1- د ریک سیتم طیف گسترده پهنا باند ارسالی بسیار بزرگتر پهنای باند سیگنال پیام میباشد.
2- گسترش طیف توسط دنباله شبه تصافدی دیگری که از سیگنال پیام مستقل و برای گیرنده کاملاً مشخص است، انجام میشود. شکل 1-1 دیاگرام کلی سیستم طیف گسترده را نشان میدهد.
دراین دیاگرام منظور از کد گسترش دهنده یک دنباله باینری شبه تصادفی با نرخ بسیار بالاتر از نرخ سیگنال پیام و لذا طیف فرکانسی وسیعی میباشد. شکل 2-1 نمونه ای از این دنباله را نشان می دهند.
در فصول بعد این بخش ابتدا به معرفی بیشتر سیستم های طیف گسترده پرداخته انواع ، خصوصیت ها و کاربردهای این سیستم ها را بیان می کنیم.
فصل دوم
سیستم های طیف گسترده
استفاده از سیستم های طیف گسترده باعث بهبود کیفیت انتقال اطلاعات در سیستم های مخابراتی میشود. بطور کلی مقدار بهبود کیفیتی را که دراثر استفاده از یک سیستم طیف گسترده بدست میآید بهره پردازش می گوییم. بعبارت دیگر آن را میتوان تفاوت میان عملکرد سیستمی که از طیف گسترده استفاده میکند و عملکرد سیستمی که از این تکنیک استفاده نمی کنند، هنگامی که بقیه شرایط برای دو سیستم یکسان باشد تعریف نمود، بنابراین بهره پردازش پارامتری است که با آن میتوان کیفیت سیستم طیف گسترده را نشان داد. سه رابطه رایج برای بهره پردازش درنظر گرفته شده است.
1- نسبت SNR خروجی به SNR وردی بعد از فیلتر کردن نهایی
(1-2)
2- نسبت پهنای باند سیگنال گسترده شده به نرخ ارسال اطلاعات.
(2-2)
3- نسبت پهنای باند سیگنال گسترده شده به پهنای باند پیام (مدوله شده)
(3-2)
رابطه اول یک رابطه تئوری کلی است و روابط بعدی را میتوان به ترتیب برای دو نوع سیستم طیف گسترده FH و DS از آن نتیجه گرفت.
بهره پردازش امروزه درسیستم های طیف گسترده تجاری 10 تا 100 ( Db 20-10) و در سیستم های طیف گسترده نظامی 100 تا 1000000 (Db 60-30) میباشد.
1-2- انواع سیستم های طیف گسترده
انواع سیستم های طیف گسترده عبارتند از:
1- سیستم طیف گسترده دنباله مستقیم[3] یا شبه نویز[4] (DS) / (PN)
2- سیستم طیف گسترده پرش فرکانسی[5] (FH)
3- سیستم طیف گسترده پرش زمانی[6] (TH)
4- سیستم طیف گسترده جاروب فرکانسی (CHIRP)
5- سیستم طیف گسترده با ترکیب روش های فوق (HYBRID)
در ادامه به بررسی اجمالی انواع سیستم های طیف گسترده میپردازیم.
1-1-2- سیستم طیف گسترده دنباله مستقیم یا شبه نویز (DS) / (PN)
شکل 1-2 بلوک دیاگرام یک مدولاتور طیف گسترده DS را نشان میدهد.
شکل 1-2: دیاگرام بلوکی فرستنده DS.
دراین روش همانطور که مشاهده میشود عمل گسترش طیف با ضرب مستقیم کد گسترش دهنده C(T) در موج مدوله شدن انجام میشود. چون کد گسترش دهنده یک دنباله باینری شبه تصادفی با نرخ بسیار بالاتر از نرخ اطلاعات میباشد از نظر فرکانسی طیفی با پهنای باند وسیع و شبیه نویز دارد که باعث گسترش طیف سیگنال مدوله شده در حوزه فرکانس میشود. سیگنالهای ایجاد شده با این تکنیک در حوزه فرکانسی بصورت نویز ظاهر شده طبیعت آنها چنین می نماید که تصادفی هستند در صورتی که الا تصادفی نبوده و توان سیگنال به زیر سطح نویز کاهش می یابد. در این تکنکی هیچ گونه اطلاعاتی از بین نمی ورد و اطلاعات درگیرنده مجددا قابل بازیابی است. در این گونه سیستمها میتوان حتی گسترش طیف را قبل از مدولاسیون حامل انجام داد. در این حالت ابتدا کد گسترش دهنده در سیگنال پیام ضرب شده، سپس سیگنال گسترده حامل را مدوله میکند.
با استفاده از روابط در نظر گرفته شده برای محاسبه بهره پردازش مشاهده میشود که درسیستم طیف گسترده دنباله مستقیم (DS) هر چه نرخ دنباله کد گسترش دهنده بیشتر از نرخ سیگنال پیام باشد (دوره پالس دنباله گسترش دهنده کمتر از دوره پالس دنباله پیام باشد) بهره پردزاش بزرگتر، پهنای باند سیگنال گسترش یافته وسیعتر و کارایی سیستم بیشتر خواهد بود. بعبارت دیگر:
1-1-4-3- خواص دنباله های با طول حداکثر
دنباله های باطول حداکثر دارای ویژگیها و خواصی هستند که کاربرد آنها را در سیستمهای طیف گسترده ممکن می سازد. این خواص عبارتند از:
1- در هر پریود از دنباله ماکزیمال تعداد یکها و صفرها تقریبا برابر است. بعبارت دقیقتر تعداد یکها در هر پریود از دنباله ماکزیمال یکی بیشتر از تعداد صفرها میباشد.
2- با توجه به خاصیت 1 دنباله متعادل شده میباشد. بعبارت دیگر در یک پریود از دنباله ماکزیمال جمع مولفه های دنباله برابر 1+ میباشد. این نوع دنباله ها نه تنها به خواص تصادفی بودن نزدیک می باشند، دارای مولفه DC صفر نیز بوده باعث صرفه جویی در توان ارسالی می گردند. همچنین درسیستمهای CDMA برای جلوگیری از آسیب پذیری در مقابل اختلال باید از دنباله های کد متعامد استفاده نمود.
3- جمع مبنای 2 هر دنباله ماکزیمال با شیفت یافته خویش به اندازه m ثابت میشود تابع خود همبستگی پریود یک گسسته، که پیش ازاین اشاره کردیم و بکمک آن میتوان تابع همبستگی و چگالی طیف توان موج شبه تصادفی را تعیین کرد، برای یک دنباله با طول حداکثر تابعی دو مقداری بوده برابر است با [1]: (16-3) که در آن N یک عدد صحیح و پریود دنباله است. با نگاه به رابطه با شرط N بزرگ در بخش بعد دیده میشود که تابع خود همبستگی دنباله شبه تصادفی تا حد زیادی به تابع ضربه شبیه می شود، که این امر برای ملاحظات همزمانی درسیستمهای طیف گسترده بسیار مهم میباشد. همچنین با افزایش n که افزایش دنباله های با طول حداکثر تولید شده توسط ساختار را به همراه خواهد داشت د رظاهر تصورمی شود که میتوان با تخصیص هر دنباله از این مجموعه به یک مشترک تعداد مشترکین را در سیستمهای طیف گسترده چند کاربره سیستم CDMA افزایش داد. اما چون هر دو دنباله از این مجموعه توسط یک g(D) تولید شده و شیفت یافته هم می باشند، لذا تابع همبستگی متقابل بین آنها با تابع همبستگی یکی میشود. در این حالت برای تابع همبستگی متقابل برابر 1/N و برای N و K=1 مقدار‌آن برابر واحد خواهد بود که این مسئله برای کی مجموعه کد گسترش دهنده مناسب نمی باشند.
خرید فایل
لینک منبع :مقاله بررسی سیستمهای طیف گسترده در 50 صفحه ورد قابل ویرایش