Corso di Tecniche e Sistemi di Trasmissione Fissi e Mobili

TECNICHE DI TRASMISSIONE-DATI DIGITALE BASATE SUL

CONCETTO DI “SPREAD SPECTRUM”

Prima Parte: Generalità

Prof. Carlo Regazzoni

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[1] R. Pickholtz, D. L. Schilling, and L. B. Milstein, “Theory of

Spread-Spectrum Communications – A Tutorial”, IEEE Transactions on Communications, Vol. COM-30, No. 5, Maggio 1982, pp. 855-884.

[2] K. Pahlavan, A.H. Levesque, “Wireless Information Networks”,

Wiley: New York 1995. [3] A.J. Viterbi, “CDMA: Principles of Spread Spectrum

Communications”: Addison Wesley: 1995. [4] J.G. Proakis, “Digital Communications”, (Terza Edizione),

McGraw-Hill: 1995.

RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI

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(letteralmente: spettro disperso) • Con questo termine si indica una tecnica di trasmissione digitale,

che distribuisce lo spettro in potenza di un segnale contenente

informazione su una banda molto più larga rispetto a quella del

segnale originario (R), in modo tale che la potenza per unità di

frequenza (Watt per Hz) del segnale inviato sul canale sia molto

piccola.

• Si definisce GUADAGNO DI PROCESSO P (Processing – Gain)

il rapporto tra la banda del segnale originario R e la banda del

segnale trasmesso sul canale dopo la dispersione dello spettro

(spreading) W o ssB :

RWP =

• In fase di ricezione, il segnale in questione viene compresso nella

sua originaria banda stretta, lasciando la potenza dei segnali

interferenti, sparsa sulla larga banda di trasmissione.

1. SIGNIFICATO DEL CONCETTO DI

“SPREAD SPECTRUM”

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SISTEMA DI COMUNICAZIONE SPREAD SPECTRUM

Modulazionedigitalea bandastretta

Spreadingdel segnale

Dati

Codice dispreading

De-Modulazione

digitalea banda

De -Spreading

Codice dispreading

Dati

Trasmettitore SS Ricevitore SS

f

0f

Segnale in banda stretta

f0f

RUMORE BIANCO

Segnale Spread Spectrum trasmesso

RUMORE BIANCO

0f

Spettro del segnale ricompattatoin ricezione

f

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2.1 ALTA PROTEZIONE DEI DATI TRASMESSI NEI

CONFRONTI DI TENTATIVI DI ACCESSO ILLEGALE

• Lo spettro del segnale trasmesso viene “disperso” su una larga

banda di frequenza, tramite un pattern pseudocasuale, imposto ai

dati di ingresso (vedremo in seguito come) di un dato utente. Tale

pattern è noto soltanto al ricevitore dell’utente che ha trasmesso il

segnale SS. Se non si conosce tale “chiave”, non e’ possibile

ricostruire lo spettro del segnale in banda stretta e quindi

demodulardo.

• Da ciò consegue che un ascoltatore “pirata” deve essere un esperto

del settore, per poter ricostruire il pattern di dispersione dello

spettro (e non è detto che ci riesca). La privatezza e la sicurezza dei

dati sono quindi altamente garantite.

2. PROPRIETA’ E VANTAGGI DELLE

TECNICHE SS

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2.2 BASSA PROBABILITÀ DI INTERCETTAZIONE

CASUALE

• Essendo il segnale trasmesso sul canale con densità spettrale di

potenza molto bassa, per un ascoltatore casuale esso è

indistinguibile dal rumore termico di fondo e quindi non rilevabile.

Tale proprietà è indicata con la sigla LPI (Low Probability of

Intercept).

2.3 DISCREZIONE NELLA TRASMISSIONE

• Sempre a ragione della bassa densità spettrale di potenza di

trasmissione, il segnale Spread Spectrum disturba in misura ridotta,

rispetto ai segnali modulati in banda stretta, le trasmissioni di altri

utenti.

2.4 ALTA PROTEZIONE CONTRO DISTURBI

INTENZIONALI • L’introduzione di pseudo – casualità nel segnale trasmesso,

comporta l’eliminazione delle interferenze intenzionali (jamming).

E’ assai difficile, infatti, sintetizzare forme d’onda che possano

interferire pesantemente sull’intellegibilità del messaggio. Per

questo motivo le tecniche SS hanno avuto ampie applicazioni

militari fin dai tempi della Seconda Guerra Mondiale.

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2.5 ACCESSO MULTIPLO AL CANALE COMUNE CON

RIDUZIONE NATURALE DELL’INTERFERENZA MULTI –

UTENTE (CDMA)

• Con le tecniche SS e’ possibile consentire a più utenti di accedere

contemporaneamente al canale, utilizzando la stessa banda di

frequenza, semplicemente assegnando ad ogni utente un pattern

pseudocasuale diverso. Questo metodo di accesso multiplo è detto

CDMA (Code Division Multiple Access) e si pone come

interessante alternativa ai metodi tradizionali TDMA e FDMA.

• Se più utenti trasmettono su canale comune segnali modulati con

tecniche SS (come avviene nei sistemi CDMA), il ricevitore

dell’utente desiderato riporterà in banda stretta e quindi

demodulerà solo il segnale che deve ricevere, lasciando i segnali

degli altri utenti (interferenti) sparsi sulla larga banda di

trasmissione (e quindi a bassa potenza). E’ possibile gestire in

maniera flessibile la riduzione di questo tipo di disturbo.

• Le tecniche SS consentono una riduzione maniera drastica e

naturale l’interferenza multi – utente, assai più di quanto sia

possibile con le tradizionali tecniche a banda stretta, dove

l’interferenza multi – utente può determinare pesanti degradazioni

del segnale ricevuto.

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2.6 ATTENUAZIONE EFFICACE DELL’AUTO –

INTERFERENZA TIPICA DEI CANALI RADIOMOBILI

(MULTIPATH FADING)

• Con le tecniche SS e’ possibile eliminare, o comunque ridurre di

molto, il problema dell’auto – interferenza (detto anche multipath

fading), dovuto alla ricezione del segnale, insieme ad alcune sue

repliche ritardate nel tempo e sfasate, che seguono percorsi diversi

da quello diretto, a causa di fenomeni di riflessione.

• Le tecniche di comunicazione SS riescono a fronteggiare in

maniera molto efficace questa fonte di attenuazioni della potenza

del segnale ricevuto propria degli ambienti radiomobili, con

risultati decisamente migliori rispetto alle tradizionali tecniche a

banda stretta, in molti casi senza neppure ricorrere all’uso di filtri.

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3.1 Telefonia cellulare con sistemi a terra o satellitari

• La già citata efficacia dei sistemi Spread Spectrum nel garantire

sicurezza dei dati trasmessi, protezione da interferenze di ogni

genere nonché la loro eccellente adattabilità ad ambienti

radiomobili, ha fatto si che tali sistemi abbiano trovato uno sbocco

obbligato in questo settore, nel quale la privatezza della

comunicazione e la qualità della ricezione sono punti critici (es.

standard IS-95 negli USA, rete satellitare per telefonia cellulare

GLOBALSTAR).

3.2 Wireless LAN

• Un altro settore in cui i sistemi di comunicazione SS stanno

letteralmente dilagando è quello delle reti locali di trasmissione –

dati (Wireless Local Area Network), per le loro prerogative di alta

affidabilità, sicurezza e basso bit – error – rate.

3. APPLICAZIONI

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3.3 Sistemi di comunicazione terra – treno

• Svariati progetti di sistemi di comunicazione terra – treno hanno

visto il coinvolgimento delle tecnologie Spread Spectrum (es. il

progetto BART negli USA). Infatti in queste applicazioni, dove la

sicurezza è un punto delicatissimo, l’elevata protezione dai disturbi

e dalle manipolazioni offerta dallo Spread Spectrum è davvero ben

accetta.

3.4 Trasmissione di immagini da locali e/o mezzi mobili

sorvegliati in modalità remota

• Il futuro della video – sorveglianza sarà caratterizzato da sistemi

capaci di funzionare in modalità remota, ovvero di acquisire ed

elaborare localmente informazioni dal luogo sorvegliato (che può

anche essere un mezzo mobile) e non presenziato da personale

addetto e trasmettere i risultati dell’elaborazione ad un centro di

controllo remoto. Le informazioni sono di tipo multimediale (dati +

immagini) e la trasmissione Spread Spectrum appare un mezzo

efficace per garantire sicurezza ed elevata qualità del servizio

(vedere progetto CEE CROMATICA).

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3.5 Sistemi di comunicazione su fibra ottica e cavo

coassiale

• Una delle applicazioni più recenti delle tecniche Spread Spectrum

riguarda la trasmissione multimediale su reti a larga banda a fibra

ottica e cavo coassiale. Il motivo che sta alla base di tale

applicazione è la già enunciata capacità dello Spread Spectrum di

ridurre gli effetti di rumori ed interferenze di ogni genere.

• I sistemi di trasmissione operanti su reti cablate soffrono di gravi

degradazioni del segnale a causa di rumori impulsivi di natura

elettromagnetica propri dei siti residenziali (ingress – noise). Tali

rumori colpiscono soprattutto la banda di trasmissione riservata

alla comunicazione utente – base (5 – 50 MHz.). Lo Spread

Spectrum riduce naturalmente l’effetto di questi disturbi,

aumentando visibilmente la qualità della comunicazione.

3.6 Applicazioni minori

Tra le applicazioni minori, ricordiamo:

• telemetria di precisione

• sistemi di allarme senza fili

• trasmissione digitale di segnali stereofonici

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3.7 Larghezze di banda consentite per le varie frequenze

d’uso e relative applicazioni

Applicazioni Banda Larghezza di banda a disposizione dell’utente

Telefonia cellulare, WLAN 902–928 MHz 1.25 MHz (IS-95) Multimedialità wireless (terza generazione radiomobile): standard UMTS

1.85-2.2 GHz 350MHz

Comunicazioni terra–treno, WLAN, Trasmissione multimediale per video – sorveglianza remota

2.4–2.4835 GHz 26 MHz (IEEE 802.11)

WLAN 5.725–5.850 GHz

Non standard

Trasmissione multimediale su rete cablata (uplink)

5–50 MHz 6 MHz

Trasmissione multimediale su rete cablata (downlink)

50–800 MHz 6 MHz

Tabella 3.1: Larghezze di banda consentite per le varie frequenze d’uso

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Due sono i tipi principali di sistemi di comunicazione basati sullo

Spread Spectrum:

• i sistemi DIRECT SEQUENCE (DS),

• i sistemi FREQUENCY HOPPING (FH)

Esistono anche delle tecniche ibride, che mescolano le due tecniche

sopracitate.

4. TECNICHE SS PRINCIPALI

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5. DIRECT SEQUENCE (DS)

• La tecnica Direct Sequence/Spread Spectrum (DS/SS) si basa sulla

moltiplicazione diretta del segnale in banda – base (informazione)

con un segnale avente banda molto più larga.

• Questo segnale, g(t), è chiamato SEGNALE PSEUDO – NOISE

(PN).

Figura.5.1: Segnale pseudo-noise

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• Il segnale PN, come appare dal grafico in Figura 5.1 è costituito da

impulsi rettangolari, chiamati chip , ognuno di durata pari a Tc

(tempo di chip).

• La funzione di auto – correlazione e lo spettro di tale segnale sono

i seguenti:

Figura 5.2: auto – correlazione del segnale PN

Figura 5.3: spettro in potenza del segnale PN

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5.1 SCHEMA DI UN POSSIBILE TRASMETTITORE E RICEVITORE DS-SS

X(t)

SequenzaPN

g(t) )2cos(2)( 0 θπ += tfPtc

S(t)

Spreading

Modulatore digitale BPSK

TRASMETTITORE DS/SS

r(t) De-modulatore

BPSK

)2cos(2)( 0 θπ += tfPtc

SequenzaPN

g(t)

∫T

dt0

Decisore

t = T

V(t)

Y

Despreading

RICEVITORE DS/SS

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Figura 5.4: sistema di comunicazione DS-SS

5.1.1 Note sullo schema

• Il segnale contenente l’informazione X(t) è un segnale binario a

valori +1 e –1. Ogni bit ha durata T secondi. Tale segnale viene

moltiplicato per una sequenza PN il cui periodo di chip è

NTTc /= .

• La modulazione BPSK è rappresentabile come la moltiplicazione

del segnale binario DS per una portante sinusoidale c(t) a frequenza

0f e sfasamento casuale θ .

• Il segnale ricevuto r(t) è dato dal segnale trasmesso S(t) distorto

variamente dal canale. Se il canale è Gaussiano additivo,

)()()( tntStr += , ove n(t) è un rumore Gaussiano, bianco con

densità spettrale di potenza 0N . L’espressione matematica del

segnale ricevuto è la seguente:

)()2cos()()(2)( 0 tntftgtXPtr ++= θπ

• Il ricevitore effettua dapprima la de – modulazione BPSK. Una

replica della portante viene generata in ricezione. La de –

modulazione BPSK è effettuata moltiplicando il segnale ricevuto

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per la replica della portante ed eliminando i contributi a frequenza

02 f con un filtro passa – basso.

• Il segnale in uscita dal de – modulatore BPSK ha la seguente

espressione:

)()()(2

)( tntgtXPtV lp+=

ove )(tnlp è l’equivalente passa – basso di n(t), con stesso valore

medio (nullo) e varianza 0N .

• Il blocco di de - spreading, detto anche ricevitore a filtro adattato

(matched filter receiver), è basato su una replica sincronizzata col

segnale ricevuto del segnale PN generato dal trasmettitore g(t). La

sincronizzazione è un’operazione assai delicata nei sistemi DS/SS.

Da essa dipende il buon esito dell’intera fase di ricezione.

• Si può verificare facilmente che l’uscita del filtro adattato in t = T

ha la seguente espressione:

η+= 02TbPY

ove 0b è il valore del bit trasmesso in [0,T) (può essere +1 o –1) e

η è il rumore Gaussiano di canale filtrato, con valor medio nullo e

varianza 40TN .

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• Il decisore è uno squadratore che assegna alla sua uscita valore +1

se l’ingresso Y è positivo e valore –1 se l’ingresso Y è negativo. In

tal modo il segnale binario trasmesso viene recuperato, a meno di

errori dovuti al rumore.

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6. FREQUENCY HOPPING (FH) PRINCIPIO BASE

• Nei sistemi basati su questa tecnica, il trasmettitore cambia

ripetutamente la frequenza della portante, scegliendola in un

insieme di possibili valori (salto in frequenza).

• Se, ad esempio, il segnale in banda stretta ha una larghezza di

banda di 100 KHz e si ha a disposizione una banda SS di 100 MHz,

il segnale può venire trasmesso, durante un certo intervallo di

tempo, in 1000 possibili frequenze di salto ( saltiN ).

RIDUZIONE DELLE INTERFERENZE

• Se il trasmettitore utilizza in maniera equiprobabile tutte le

frequenze a sua disposizione, l’utilizzatore sarebbe soggetto ad

interferenza solo per una frazione del tempo di trasmissione pari a

saltiN1 , se per disgrazia un utente interferente va a capitare col suo

segnale in quell’istante proprio in quel salto.

• Inoltre la potenza interferente media sarebbe solo una frazione pari

a saltiN1 della potenza complessiva trasmessa.

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6.1 SCHEMA DI UN POSSIBILE TRASMETTITORE-RICEVITORE FH/SS

Figura 6.1.1: modulatore FH/SS

Figura 6.1.2: demodulatore FH/SS

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6.1.1 Note sullo schema rappresentato in figura

• Il blocco di modulazione dei dati (Data modulator) nel

trasmettitore è un normale modulatore digitale (ad esempio un

modulatore BPSK). Il valore di frequenza iniziale della portante è

0f (frequenza di trasmissione).

• Il generatore di codice (Code Generator) genera in maniera pseudo

– casuale il numero del salto di frequenza ove in un dato istante di

tempo il segnale viene trasmesso (nel generatore riportato in figura

k = saltiN ). Il sintetizzatore di frequenza converte il numero di salto

n – esimo prodotto dal generatore di codice in un offset di

frequenza nf∆ che va a pilotare la portante sinusoidale a frequenza

0f , portandola alla frequenza nff ∆+0 . In questo modo il segnale

viene spostato in frequenza in un determinato intervallo di tempo

(tempo di salto), stabilito dal clock di temporizzazione del

generatore di codice (FH code clock).

• Il filtro in trasmissione (Highpass filter) serve ad uniformare lo

spettro del segnale FH, in maniera tale che occupi la larghezza di

banda desiderata (shaping). Il filtro in ricezione (Image Reject

Filter) è usato per tagliare eventuali segnali interferenti presenti in

bande adiacenti a quella del segnale desiderato.

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• Il ricevitore possiede un generatore di codice di salto esattamente

uguale a quello presente in trasmissione. Il generatore di codice in

ricezione deve essere sincronizzato con il sintetizzatore di

frequenza in trasmissione per garantire la corretta demodulazione.

• Il generatore di codice di salto è implementato con uno schema

hardware a registro a scorrimento abbastanza simile a quello

utilizzato per il generatore di sequenze binarie delle tecniche Direct

Sequence. (vedi dopo)

• Il ricevitore FH effettua il de – spreading del segnale trasmesso,

recuperando i vari salti in frequenza nei corretti tempi di salto (la

sincronizzazione serve a questo). In pratica, durante ogni tempo di

salto, la frequenza del segnale viene riportata al suo valore

originario 0f . In tal modo, dopo un filtraggio passa – banda per la

riduzione del rumore, il segnale viene sottoposto alla

demodulazione digitale e l’informazione trasmessa viene

recuperata.

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6.1.2 Classificazione dei sistemi Frequency Hopping

I sistemi FH possono essere classificati in due categorie, a seconda

della velocità con cui il trasmettitore cambia la frequenza della

portante.

• SLOW FH (SFH) se tale velocità è lenta, ovvero se vengono

trasmessi più simboli (bit) per salto.

• FAST FH (FFH), se invece tale velocità è alta, ovvero se

avvengono più salti per simbolo (bit) trasmesso.

Figura 6.1.3: Fast FH (a) e Slow FH (b)

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7 CONFRONTO TRA LE TECNICHE DS e FH

• Il guadagno di processo P, definito in 1 come il rapporto tra

larghezza di banda SS e la larghezza di banda del segnale

contenente informazione, nei sistemi DS è banalmente pari ad N

(numero di chip della sequenza PN per bit trasmesso = guadagno di

banda), mentre nei sistemi FH dipende dalla velocità con cui

avvengono i salti, ovvero se avvengono più salti per bit trasmesso,

o se vengono trasmessi più bit per salto di frequenza effettuato.

• La larghezza di banda del segnale DS all’uscita del blocco di

spreading è circa chipf2 , ove chipf è la frequenza della sequenza

PN (frequenza di chip). Per ottenere grandi larghezze di banda,

occorrono alte frequenze di chip, il che può comportare problemi di

sincronizzazione e sicuramente un maggior consumo di energia.

Nei sistemi DS, il guadagno di processo e’ un parametro

fondamentale per quel che riguarda la riduzione delle interferenze,

ma alti valori di P comportano i problemi sopra esposti.

• Nel segnale FH, invece, la larghezza di banda dipende

dall’intervallo in cui si decide di far variare la frequenza delle

portanti, per cui può essere resa grande con maggiore semplicità.

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• La sincronizzazione temporale tra trasmettitore e ricevitore è

generalmente meno critica nei sistemi FH, in quanto la “velocità di

salto” varia da poche decine a poche migliaia al secondo, mentre i

chip rate dei sistemi DS sono dell’ordine di svariati megahertz.

• Il segnale DS ha uno spettro effettivamente molto largo, mentre il

segnale FH è di fatto un segnale a banda stretta, “spostato”

continuamente sull’asse delle frequenze. Questo fatto può non

essere di secondaria importanza nella applicazioni specifiche.

• Le tecniche DS/SS sono utilizzate nello standard IEEE 802.11,

mentre le tecniche FH/SS sono utilizzate nello standard emergente

BLUETOOTH per reti WLAN indoor.