CDMA - Spread Spectrum انتشار الطيف

تسعى جميع عمليات التشكيل والاستخلاص التقنية إلى زيادة قدرة و / أو كفاءة عرض النطاق الترددي في قناة ضوضاء ثابتة مضافة غوسية بيضاء. نظرًا لأن النطاق الترددي مورد محدود ، فإن أحد أهداف التصميم الأساسية لجميع مخططات التشكيل هو تقليل عرض النطاق الترددي المطلوب للإرسال. من ناحية أخرى ، تستخدم تقنيات الطيف الممتد عرض نطاق إرسال بترتيب أكبر من عرض النطاق المطلوب للحد الأدنى من الإشارة.

تتمثل ميزة تقنية انتشار الطيف في أنه - يمكن للعديد من المستخدمين استخدام نفس النطاق الترددي في وقت واحد دون التداخل مع بعضهم البعض. لذلك ، فإن انتشار الطيف ليس اقتصاديًا عندما يكون عدد المستخدمين أقل.

• انتشار الطيف هو شكل من أشكال الاتصالات اللاسلكية التي يتم فيها تغيير تردد الإشارة المرسلة بشكل متعمد مما يؤدي إلى عرض نطاق أعلى.

• انتشار الطيف واضح في نظرية سعة قناة شانون وهارتلي -

  C = B × log 2 (1 + S / N)

• في المعادلة المعطاة ، "C" هي سعة القناة بالبتات في الثانية (bps) ، وهي أقصى معدل للبيانات لمعدل خطأ في البتات النظري ( BER ). "B" هو عرض النطاق الترددي المطلوب للقناة بالهرتز ، و S / N هو نسبة قدرة الإشارة إلى الضوضاء.

• يستخدم الطيف المنتشر إشارات عريضة النطاق تشبه الضوضاء يصعب اكتشافها أو اعتراضها أو إزالة تشكيلها. بالإضافة إلى ذلك ، يصعب تشويش (تداخل) إشارات الطيف المنتشر أكثر من إشارات النطاق الضيق.

• نظرًا لأن إشارات طيف الانتشار واسعة جدًا ، فإنها ترسل بكثافة طاقة طيفية أقل بكثير ، تقاس بالواط لكل هرتز ، من أجهزة الإرسال ذات النطاق الضيق. يمكن أن تشغل إشارات الطيف المنتشر والنطاق الضيق نفس النطاق ، مع تداخل ضئيل أو بدون تداخل. هذه القدرة هي عامل الجذب الرئيسي لجميع الاهتمام في انتشار الطيف اليوم.

نقاط لتذكرها -

• عرض النطاق الترددي للإشارة المرسلة أكبر من الحد الأدنى لعرض النطاق الترددي للمعلومات ، وهو أمر ضروري لنقل الإشارة بنجاح.

• يتم عادةً استخدام بعض الوظائف بخلاف المعلومات نفسها لتحديد عرض النطاق المرسل الناتج.

فيما يلي نوعان من تقنيات انتشار الطيف -

• التسلسل المباشر و
• القفز الترددي.

يتم اعتماد التسلسل المباشر بواسطة CDMA.

التسلسل المباشر (DS)

الوصول المتعدد لتقسيم رمز التسلسل المباشر (DS-CDMA) هو أسلوب لتعدد إرسال المستخدمين برموز مختلفة. في هذه التقنية ، يتم استخدام نفس النطاق الترددي من قبل مستخدمين مختلفين. يتم تخصيص كود نشر خاص لكل مستخدم. مجموعات الرموز هذه مقسمة إلى فئتين -

• الرموز المتعامدة و
• الرموز غير المتعامدة

تأتي متواليات Walsh في الفئة الأولى وهي الرموز المتعامدة بينما التسلسلات الأخرى مثل PN و Gold و Kasami هي تسلسلات تسجيل التحول.

يتم تعيين الرموز المتعامدة للمستخدمين ، وسيكون ناتج الرابط في المستقبل صفراً باستثناء التسلسل المطلوب. في التسلسل المباشر المتزامن ، يتلقى المستقبل نفس تسلسل الشفرة الذي تم إرساله بحيث لا يكون هناك تحول زمني بين المستخدمين.

إزالة تشكيل إشارات DS - 1

من أجل إزالة تشكيل إشارات DS ، تحتاج إلى معرفة الكود الذي تم استخدامه في وقت الإرسال. في هذا المثال ، بضرب الكود المستخدم في الإرسال إلى إشارة الاستقبال ، يمكننا الحصول على الإشارة المرسلة.

في هذا المثال ، تم استخدام رموز متعددة في وقت الإرسال (10110100) للإشارة المستقبلة. هنا ، قمنا بالحساب باستخدام قانون اثنين من الإضافات (Modulo 2 Addition). يتم أيضًا إزالة تشكيله عن طريق ضرب الشفرة التي تم استخدامها في وقت هذا الإرسال ، والتي تسمى بالانتشار العكسي (إزالة الانتشار). في الرسم البياني أدناه ، يمكن ملاحظة أنه أثناء إرسال البيانات إلى طيف النطاق الضيق (النطاق الضيق) ، يتم توزيع طيف الإشارة.

إزالة تشكيل إشارات DS - 2

من ناحية أخرى ، إذا كنت لا تعرف الكود الذي تم استخدامه في وقت الإرسال ، فلن تتمكن من إزالة التشكيل. هنا تحاول إزالة التشكيل في كود مختلف (10101010) ووقت الإرسال لكنها فشلت.

حتى عند النظر إلى الطيف ، فإنه ينتشر أثناء وقت الإرسال. عندما يتم تمريرها من خلال مرشح تمرير النطاق (مرشح مسار النطاق) ، تبقى هذه الإشارة الصغيرة فقط ولا يتم إزالة تشكيلها.

ميزات الطيف المنتشر

كما هو موضح في الشكل التالي ، يمكن أن تكون كثافة قدرة إشارات الطيف المنتشر أقل من كثافة الضوضاء. هذه ميزة رائعة يمكنها الحفاظ على الإشارات محمية والحفاظ على الخصوصية.

من خلال نشر طيف الإشارة المرسلة ، يمكن تقليل كثافة طاقتها بحيث تصبح أقل من كثافة طاقة الضوضاء. بهذه الطريقة ، يمكن إخفاء الإشارة في الضوضاء. يمكن إعادة تشكيلها إذا كنت تعرف الرمز الذي تم استخدامه لإرسال الإشارة. في حالة عدم معرفة الكود ، ستظل الإشارة المستقبلة مخفية في الضوضاء حتى بعد إزالة التشكيل.

DS-CDMA

يستخدم كود DS في CDMA. حتى الآن ، تم شرح الجزء الأساسي من اتصالات الطيف المنتشر. من هنا ، سنشرح كيفية عمل الوصول المتعدد لتقسيم رمز التسلسل المباشر (DS-CDMA).

لا يمكن إزالة تشكيل الإشارة التي تمثل طيفًا منتشرًا إلا عن طريق رمز يُستخدم للإرسال. باستخدام هذا ، يمكن تحديد إشارة الإرسال لكل مستخدم بواسطة رمز منفصل عندما يستقبل الإشارة. في المثال المذكور ، يتم خلط إشارة الانتشار الخاصة بالمستخدم A عند الشفرة A والإشارة المنتشرة للمستخدم B عند الرمز B. كل إشارة عند استقبالها. ومع ذلك ، فإنه من خلال الناشر العكسي (Desloyder) ، فإنه يحدد إشارة كل مستخدم.

نظام DS-CDMA - رابط أمامي

نظام DS-CDMA - رابط عكسي

كود الانتشار

عبر الارتباط

الارتباط هو طريقة لقياس مدى دقة مطابقة إشارة معينة مع الشفرة المرغوبة. في تقنية CDMA ، يتم تعيين رمز مختلف لكل مستخدم ، يعتبر الرمز الذي يتم تعيينه أو اختياره من قبل المستخدم مهمًا جدًا لتعديل الإشارة لأنها مرتبطة بأداء نظام CDMA.

سيحصل المرء على أفضل أداء عندما يكون هناك فصل واضح بين إشارة المستخدمين المطلوبين وإشارات المستخدمين الآخرين. يتم إجراء هذا الفصل عن طريق ربط شفرة الإشارة المرغوبة التي تم إنشاؤها محليًا والإشارات الأخرى المستقبلة. إذا تطابقت الإشارة مع رمز المستخدم ، فستكون وظيفة الارتباط عالية ويمكن للنظام استخراج هذه الإشارة. إذا كان الرمز الذي يريده المستخدم لا يشترك في أي شيء مع الإشارة ، فيجب أن يكون الارتباط قريبًا من الصفر قدر الإمكان (وبالتالي يلغي الإشارة) ؛ يُعرف أيضًا باسم الارتباط المتبادل. لذلك ، هناك ارتباط ذاتي ( ارتباط ذاتي) وترابط متبادل (Cross-Correlation).

تظهر خصائص الارتباط الذاتي والرمز في الرسم البياني الوارد أدناه حيث يظهر الارتباط بين نشر الكود "A" وكود الانتشار "B". في هذا المثال ، يتم إعطاء الارتباط المحسوب لكود النشر 'A (1010110001101001) ورمز النشر' B '(1010100111001001) ، أثناء إجراء الحسابات في المثال أدناه ، وصلت النتيجة إلى 6/16.

الرموز المفضلة

يتم استخدام الكود المفضل في CDMA. توجد أكواد مختلفة يمكن استخدامها حسب نوع نظام CDMA. هناك نوعان من النظام -

• نظام متزامن (متزامن) و
• النظام غير المتزامن (غير المتزامن).

في نظام متزامن ، يمكن استخدام الرموز المتعامدة (رمز متعامد). في النظام غير المتزامن لهذا ، مثل الرمز العشوائي الزائف (الضوضاء العشوائية الزائفة) أو رمز الذهب يستخدم.

من أجل تقليل التداخل المتبادل في DS-CDMA ، ينبغي اختيار شفرات التمديد ذات الارتباط المتبادل الأقل.

DS-CDMA متزامن

• الرموز المتعامدة مناسبة. (رمز والش إلخ.)

DS-CDMA غير متزامن

• رموز الضوضاء العشوائية الزائفة (PN) / التسلسل الأقصى
• رموز الذهب

DS-CDMA متزامن

يتم تحقيق أنظمة CDMA المتزامنة في أنظمة Point to Multi-Point. على سبيل المثال ، Forward Link (Base Station to Mobile Station) في الهاتف المحمول.

يستخدم نظام المزامنة في أنظمة واحد إلى متعدد (من نقطة إلى نقطة متعددة). على سبيل المثال ، في وقت معين ، في نظام اتصالات متنقلة ، يمكن لمحطة قاعدة واحدة (BTS) الاتصال مع هواتف خلوية متعددة (ارتباط أمامي / ارتباط هابط).

في هذا النظام ، يمكن لإشارة الإرسال لجميع المستخدمين التواصل في التزامن. يعني ، "التزامن" في هذه النقطة هو شعور يمكن إرساله لمحاذاة الجزء العلوي من إشارة كل مستخدم. في هذا النظام ، من الممكن استخدام الرموز المتعامدة ومن الممكن أيضًا تقليل التداخل المتبادل. أما الرموز المتعامدة فهي العلامة مثل الارتباط المتبادل أي 0.

DS-CDMA غير متزامن

في نظام CDMA غير المتزامن ، يكون للشفرات المتعامدة ارتباط متبادل سيئ.

على عكس الإشارة من المحطة الأساسية ، تصبح الإشارة من المحطة المتنقلة إلى المحطة الأساسية هي النظام غير المتزامن.

في النظام غير المتزامن ، يزيد التداخل المتبادل إلى حد ما ، لكنه يستخدم الرموز الأخرى مثل رمز PN أو الرمز الذهبي.

مزايا انتشار الطيف

نظرًا لأن الإشارة تنتشر عبر نطاق تردد عريض ، تصبح الكثافة الطيفية للقدرة منخفضة جدًا ، لذلك لا تعاني أنظمة الاتصالات الأخرى من هذا النوع من الاتصال. ومع ذلك ، تزداد الضوضاء الغوسية. فيما يلي قائمة ببعض المزايا الرئيسية لانتشار الطيف -

• يمكن الاتفاق مع Multipath ، حيث يمكن إنشاء عدد كبير من الرموز ، مما يسمح لعدد كبير من المستخدمين.

• في الطيف المنتشر ، لا يوجد حد للمستخدمين بينما توجد قيود على المستخدمين في تقنية FDMA.

• الأمان - بدون معرفة كود الانتشار ، من الصعب استعادة البيانات المرسلة.

• رفض تنازلي - حيث يتم استخدام النطاق الترددي الكبير للنظام ؛ هو أقل عرضة للتشوه.

تسلسل PN

يستخدم النظام DS-CDMA نوعين من نشر متواليات، أي تسلسل PN و رموز المتعامدة . كما ذكر أعلاه ، يتم إنشاء تسلسل PN بواسطة مولد ضوضاء شبه عشوائي. إنه ببساطة سجل تحول خطي ثنائي يتكون من بوابات XOR وسجل التحول. يتمتع مولد PN هذا بالقدرة على إنشاء تسلسل متطابق لكل من المرسل والمستقبل ، والاحتفاظ بالخصائص المرغوبة لتتابع البتات العشوائية للضوضاء .

يحتوي تسلسل PN على العديد من الميزات مثل وجود عدد متساوٍ تقريبًا من الأصفار والآحاد ، وارتباط منخفض جدًا بين الإصدارات المتغيرة للتسلسل ، والارتباط المتبادل المنخفض جدًا مع إشارات أخرى مثل التداخل والضوضاء. ومع ذلك ، فهي قادرة على الارتباط بشكل جيد مع نفسها ومعكوسها. جانب آخر مهم هو الارتباط التلقائي للتسلسل لأنه يحدد القدرة على مزامنة وقفل شفرة الانتشار للإشارة المستقبلة. تؤثر هذه المعركة بشكل فعال على التدخلات المتعددة وتحسن SNR. التسلسلات M ، والرموز الذهبية ، وتسلسلات Kasami هي أمثلة على هذه الفئة من التسلسلات.

• تسلسل الضوضاء العشوائية الزائفة (PN) هو سلسلة من الأرقام الثنائية ، على سبيل المثال ± 1 ، والتي تبدو عشوائية ؛ لكنها في الواقع حتمية تمامًا.

• تُستخدم تسلسلات PN لنوعين من تقنيات طيف انتشار PN -

  • طيف انتشار الإشارة المباشرة (DS-SS) و

  • طيف انتشار القفزة الترددية (FH-SS).

• إذا كان 'u' يستخدم PSK لتعديل تسلسل PN ، فإنه ينتج DS-SS.

• إذا كان 'u' يستخدم FSK لتعديل تسلسل PN ، فإنه ينتج FH-SS.

تقنية قفز التردد

قفز التردد هو طيف منتشر يحدث فيه الانتشار عن طريق القفز في التردد عبر نطاق عريض. يتم تحديد الترتيب الدقيق لحدوث الفاصل من خلال جدول قفز تم إنشاؤه باستخدام تسلسل رمز شبه عشوائي.

معدل التنقل هو دالة لمعلومات السرعة. يتم تحديد ترتيب الترددات بواسطة جهاز الاستقبال ويتم تحديده بواسطة تسلسل الضوضاء العشوائية الزائفة. على الرغم من أن إرسال طيف إشارة قفز التردد يختلف تمامًا عن إرسال إشارة التتابع المباشر ، إلا أنه يكفي ملاحظة أن البيانات الموزعة عبر نطاق إشارة أكبر من اللازم لنقلها. في كلتا الحالتين ، ستظهر الإشارة الناتجة كضوضاء ويستخدم المستقبِل تقنية مماثلة تُستخدم في الإرسال لاستعادة الإشارة الأصلية.