ESPECTRO DISPERSO

INTRODUCCION

Los aspectos teóricos de la utilización del espectro disperso en un medio confuertes interferencias se conocían desde hace ya cuarenta años. Lo que sí hasido muy reciente es su implementación práctica. Inicialmente, las técnicas deespectro disperso se desarrollaron para propósitos militares y susimplementaciones eran extremadamente caras. Sólo los nuevos avancestecnológicos tales como el VLSI (very large-scale integration, es decir, elproceso de colocar miles, o cientos de miles de componentes electrónicos en unsolo chip) y las técnicas de procesado de señal avanzadas hicieron posibledesarrollar un equipamiento de espectro disperso menos caro para uso civil.El interés de mejorar la transmisión de una señal de un punto a otro ha llevadoa intentar diversos sistemas de comunicaciones. Al principio bastaba con que laseñal se recibiera aceptablemente; luego se insistió en reducir el ancho debanda o de subirlo un poco a cambio de relación señal a ruido. Durante lasegunda guerra mundial lo más importante era que las comunicaciones no fueseninterceptadas. En 1942 Hedy Lamarr presenta una patente que contiene losfundamentos sobre la teoría de espectro disperso en los cuales al dispersar elespectro a través del uso de un código personalizado, se lograba un aumento delancho de banda pero también se fortalecía la transmisión frente al ruido y alas interferencias, intencionales o no. Su sistema fue la base de la técnica conocida como Frequency Hopping, quedetallaremos posteriormente. Hoy en día la tecnología de espectro disperso se aplica en telefonía celularcomo técnica de acceso múltiple, transmisión de datos inalámbrica, redes decomunicación personal (PCN), redes de área local inalámbricas (WLAN), etc.Spread Spectrum es una técnica de comunicación que por los altos costes queacarrea, se aplicó casi exclusivamente para objetivos militares, hastacomienzos de los años noventa. Sin embargo, comienza a surgir lentamente unmercado comercial. Seguramente mucha gente ha escuchado alguna vez nombrar aLAN (Local Area Networks: Área de redes locales). Estas son redes que comunicanordenadores entre sí a través de cables, lo que hace posible que por ordenadorse pueda enviar correo dentro de un edificio determinado, por ejemplo.Actualmente se venden también 'Radio LAN' (RLAN), que constituyen unacomunicación inalámbrica entre una cantidad determinada de ordenadores.Para poder captar un programa radial hay que sintonizar con un emisor que estáen una determinada frecuencia. Emisores diferentes están en diferentes

frecuencias. Cada emisor ocupa un pequeño trozo de la banda emisora dentro dela cual se concentra la potencia de emisión irradiada. Ese trocito, tambiénllamado ancho de banda, tiene que ser lo suficientemente grande como para quelos emisores cercanos no sean interferidos. A medida que el ancho de banda esmás estrecho, pueden funcionar más emisores en una banda de frecuencia.Un ejemplo: la banda emisora FM cubre la zona de frecuencia de 88-108 Mhz. Siel ancho de banda de un emisor es 1 Mhz, entonces pueden caber (108-88)/1 = 20emisores en la banda emisora FM. Si el ancho de banda de un emisor es 0,2 Mhz(= 200 Khz), entonces pueden caber (108-88)/0,2 = 100 emisores en la bandaemisora FM.Si ahora, por ejemplo, quisiéramos colocar 200 emisores en la banda emisora FM,eso sólo se podría si el ancho de banda de cada emisor disminuyera hasta 100kHz. Sin embargo, esto ocasiona problemas porque las emisiones FM cuentan conun ancho de banda de 200 Khz, por lo que un menor ancho de banda produce unamenor transmisión de información (la calidad obtenida en recepcióndisminuiría).En espectro ensanchado no se elige por un ancho de banda lo más pequeñoposible, sino justamente por lo contrario. El ancho de banda es mayor de lo quese necesita estrictamente para la transmisión de la información. Este mayorancho de banda puede obtenerse de dos maneras. La primera es codificarla información con una señal pseudo-aleatoria. La información codificada setransmite en la frecuencia en que funciona el emisor para lo cual se utiliza unancho de banda mucho mayor que la que se usa sin codificación (secuenciadirecta). La segunda posibilidad es codificar la frecuencia de trabajo con unaseñal pseudo-aleatoria, por lo que la frecuencia de trabajo cambiapermanentemente.La expectativa general es que comercialmente se vaya a ir haciendo cada vez másuso de Spread Spectrum para la transmisión de datos. A causa de que la potenciade emisión se difunde sobre una banda ancha, puede ser usada por encima debandas de frecuencia existentes, sin interferir la recepción de banda estrecha.Por eso es posible admitir más usuarios en una banda de frecuencia. Otraventaja es la seguridad de la comunicación. Al fin y al cabo, la información seenvía cifrada. En un sistema RLAN con 100 usuarios que utilizan Spread Spectrumes suficiente con 1 frecuencia emisora y 100 señales-codificadoras diferentes.La información se codifica, entonces, directamente.

Tipos de sistemas de espectro dispersoHay coincidencia respecto a que un sistema de espectro disperso debe cumpliralgunos criterios básicos como:

El ancho de banda de la señal transmitida debe ser mucho mayor que elancho de banda de la señal original.

El ancho de banda de transmisión está determinado por una función o códigoque es independiente del mensaje y que es conocida por el transmisor.

Existen 3 tipos básicos de sistemas de espectro disperso los cuales puedencombinarse de manera de aprovechar ciertas ventajas de unos u otros sistemas:

Secuencia Directa (Direct Sequence- DS/SS) Multiplicidad en frecuencia (Frecuencia Hopping FH/SS) Multiplicidad en tiempo (Time Hopping TH/SS)

Secuencia Directa (Direct Sequence). DS/SS

En este tipo de modulación la señal digital de información es modulada medianteuna secuencia pseudo aleatoria (PN), con una velocidad mucho mayor que la de laseñal de información y luego transmitida utilizando algún tipo de modulacióndigital como se observa en la siguiente figura:

Analizando el esquema básico del espectro disperso por secuencia directa, setiene que en el modulador, la señal x (t) con una tasa de transmisión R esmultiplicada por un código de señal dispersa g (t) conocido como código depseudo ruido, el cual tiene una tasa de transmisión llamada velocidad delcódigo, en cuyo caso, ambas tasas de transmisión se miden en Hertz. Como ya sesabe en el dominio del tiempo se van a multiplicar estas dos señales, y en eldominio de la frecuencia se realiza la convolución de estas dos señales. Elresultado de esta convolución va a tener un ancho de banda similar al de laseñal dispersa.En el demodulador, la señal recibida es multiplicada de manera síncrona con unaréplica del código de pseudo ruido g (t); para así quitar la redundancia quetraía la señal original, después se encuentra un filtro de frecuencia R pararemover las componentes de altas frecuencias. Si en el receptor aparece algunaseñal no deseada, la multiplicación por g (t) va a expandir dicha señal.

El siguiente diagrama de bloques representa un modulador de secuencia directa,nombre que se le da a la técnica de espectro expandido, en la cual una señalportadora es modulada con la señal de datos x (t), después como ya se habíamencionado anteriormente la señal de datos modulada es nuevamente modulada conuna señal de banda ancha g (t).

Considerando que la señal portadora con envolvente constante tiene una potenciaP, Frecuencia angular ω0 y una fase de modulación, dado por:

Se realiza otra modulación con envolvente constate empleando para ello la señalexpandida g (t), la forma de onda transmitida se expresa mediante la siguienteexpresión.

Donde la fase de la portadora está conformada por dos componentes: θx(t) fase delos datos y θg(t) es la fase de la secuencia expandida.

Se sabe que la modulación binaria por cambio de fase nos da cambios de πradianes en la fase de la portadora, dependiendo de los datos. De donde sepuede obtener una expresión equivalente de la ecuación sx (t), multiplicando laonda portadora por x(t) y un tren de pulsos con magnitudes de +1 o -1.

Primero se realiza la multiplicación del tren de pulsos con el tren de pulsosexpandido, y posteriormente x(t) se modula con la portadora.

Después lo primero que se debe de hacer en la modulación DS/BPSK puede es lasuma módulo dos de la secuencia de los datos binarios con la secuencia binariaexpandida.

La demodulación de la señal DS/BPSK se logra con la correlación de la señalrecibida con una réplica sincronizada de la señal expandida.

Multiplicidad De Frecuencias De Portadora (Frequency Hopping).

En los sistemas DS/SS a mayor dispersión del ancho de banda más fortalezafrente a las interferencias. Sin embargo esto también aumentaría la complejidaddel hardware. Eso da pie a otro tipo de sistemas conocidos como demultiplicidad de frecuencias que van cambiando en el tiempo o Frequency Hopping(FH/SS). En este caso la señal o mensaje es modulada, con algún tipo demodulación, por señales de portadoras que cambian abruptamente su frecuencia aintervalos regulares, cíclica o aleatoriamente. Estos saltos de frecuencia sehacen con dos objetivos fundamentales: incrementar la capacidad del sistema ymejorar su calidad (disminuyendo la tasa de bits errados). La variación enfrecuencia podría lucir como sigue:

Dependiendo de la forma como varía la frecuencia en un sistema FS/SS, sedefinen el FH cíclico y el FH aleatorio.

Frequency Hopping Cíclico

Las frecuencias varían de una manera secuencial y repetitiva. Provee buenadiversidad de frecuencia pero no de interferencia. Frequency Hopping Aleatorio

La frecuencia cambia según una secuencia pseudo aleatoria. Tiene mejordesempeño frente a las interferencias.

La figura ilustra el Transmisor y el receptor de un sistema FH/SS

Usualmente la modulación es M-FSK. La señal modulada es multiplicada por untono de una de entre 2N posibles frecuencias generadas aleatoriamente. Elfiltro pasa banda selecciona la frecuencia suma; la diferencia no pasa. Dependiendo de la velocidad de cambio en la frecuencia de portadora, lossistemas SS/FH se clasifican en: el FH rápido, si hay más de 2 cambios defrecuencia por cada símbolo del mensaje, y el FH lento si ésta es más lenta.Un ejemplo de FH rápido se presenta a continuación:

Un sistema FH/SS proveniente de modular en 8FSK(M=8, N=3); el generador de PNes de 3 bits y cambia cada 4 símbolos del modulador 8FSK. Este es un sistema FHlento porque Th>Ts. En este caso Tc=Ts.

Para que sea un sistema de mínima separación entre las frecuencias, ladistancia entre las frecuencias de símbolo será 1/Ts. Entre una y otra el PNlas hará moverse entre f0 y f0+(1/Ts). Como el PN tiene 8 valores diferentes entonces los pasos en que saltará lafrecuencia serán de 1/8Ts. En la figura se muestra que los símbolos del generador PN ocurren en elsiguiente orden

000 110 010 100. Dentro de cada uno de estos símbolos del PN la salida del modulador cambia dela siguiente forma: Dentro del PN 000, el modulador ofrece las frecuencias asociadas a lossímbolos:

000, 001, 010,011

Dentro del PN siguiente aparecerán las frecuencias asociadas a los símbolos:100, 101, 110, 111 Luego, para el PN 010, los símbolos que manejan al modulador son 101, 101,101,101

Cada Th segundos el sintetizador manejado por el PN genera una de 2n –1frecuencias. En el q-ésimo tramo de frecuencia la señal puede expresarse como:

La DEP de esta señal, en uno de los intervalos de salto, es como la de unaseñal binaria modulada a frecuencia fo+qf1.

En el ejemplo Tc=Ts El ancho de banda de esta señal será (2n-1) fs+2fs = (2n+1)fs. El ancho de banda de la señal original es 1/Ts. La ganancia de procesamientoserá entonces: Gp= (2n+1)

Ventajas y desventajas

El espectro ensanchado tiene muchas propiedades únicas y diferentes que no sepueden encontrar en ninguna otra técnica de modulación. Para verlo mejor, selistan debajo algunas ventajas y desventajas que existen en los sistemastípicos de espectro ensanchado:Ventajas

Resiste todo tipo de interferencias, tanto las no intencionadas como lasmalintencionadas (más conocidas con el nombre de jamming), siendo másefectivo con las de banda estrecha.

Tiene la habilidad de eliminar o aliviar el efecto de las interferenciasmultitrayecto.

Se puede compartir la misma banda de frecuencia con otros usuarios. Confidencialidad de la información transmitida gracias a los códigos pseudo

aleatorios (multiplexación por división de código).

Desventajas

Ineficiencia del ancho de banda. La implementación de los circuitos es en algunos casos muy compleja.

PROPIEDADES

Hay varias propiedades únicas que surgen como resultado de las secuenciaspseudo aleatorias y el gran ancho de banda de la señal que éstas generan.Dos de esas propiedades son el direccionamiento selectivo yla multiplexación por división de código. Al asignar una secuencia pseudoaleatoria dada a un receptor particular, la información se le debedireccionar de forma distinta con respecto a los otros receptores a los quese les ha asignado una secuencia diferente. Las secuencias también puedenescogerse para minimizar la interferencia entre grupos de receptores alelegir los que tengan una correlación cruzada baja. De esta forma, se puede

transmitir a la misma vez más de una señal en la misma frecuencia. Comovemos, el direccionamiento selectivo y el acceso múltiple por división decódigo (CDMA) se implementan gracias a las secuencias pseudo aleatorias.

Otras dos de estas propiedades son la baja probabilidad de interceptación yel anti-jamming (la capacidad para evitar las interferencias intencionadas).Cuando a una señal se la expande sobre varios megahercios del espectro, supotencia espectral también se ensancha. Esto hace que la potenciatransmitida también se ensanche sobre un extenso ancho de banda y dificultala detección de forma normal (es decir, sin la utilización de ningunasecuencia pseudo aleatoria). Este hecho también implica una reducción de lasinterferencias. De esta forma, el espectro ensanchado puede sobrevivir en unmedio adverso y coexistir con otros servicios en la misma banda defrecuencia. La propiedad anti-jamming es un resultado del gran ancho debanda usado para transmitir la señal.

A los sistemas de espectro ensanchado se les reconocen al menos cincocualidades importantes en su funcionamiento, debidas a la naturaleza de suseñal:

Con una ganancia de procesado alta (el cociente entre el ancho de banda dela señal transmitida y el ancho de banda se la señal original) y señalesportadoras impredecibles (generadas con las secuencias pseudoaleatorias) sepuede conseguir una baja probabilidad de interceptación, siempre que lapotencia de la señal se expanda uniformemente por todo el dominio defrecuencias.

Las señales portadoras impredecibles aseguran una buena capacidadcontra jamming. El jammer (aquella persona que se dedica a interferir en lasseñales) no puede usar observaciones de la señal para mejorar sufuncionamiento en este caso, y debe confiar en técnicas que seanindependientes de la señal que se quiere interceptar.

Mediante la detección por correlación de señales de banda ancha se consigueuna gran resolución temporal. Las diferencias en el tiempo de llegada de laseñal de banda ancha son detectables. Esta propiedad puede usarse paraeliminar el efecto multisenda e, igualmente, hacer ineficaces losrepetidores de los jammers.

Los pares transmisor-receptor que usan portadoras pseudoaleatoriasindependientes pueden operar en el mismo ancho de banda con unainterferencia entre canales mínima. A estos sistemas se les llama de accesomúltiple por división de código (del inglés code division multipleaccess o CDMA).

Se obtienen propiedades criptográficas al no poder distinguir la modulaciónde los datos de la modulación de la portadora. La modulación de la portadoraes efectivamente aleatoria para un observador no deseado. En este caso, lamodulación de la portadora en espectro ensanchado adquiere el papel de llaveen un sistema de cifrado. Un sistema que usa datos indistinguibles y unamodulación de portadora en espectro ensanchado forman un sistemaconfidencial.

CONCLUSIONES

Con esta investigación sobre espectro disperso conocí otra manera de modular lainformación previamente muestreada y cuantizada, ya que esto impide que lainformación sufra interferencias por agentes externos; esto es usado en redesdonde hay protocolos para la transmisión de información, ahora me di cuenta delo que hay detrás de la transmisión de información, esto es usado en latecnología de hoy en nuestros teléfonos ya que la ventaja del espectro es quepueda haber una gran cantidad de usuarios en un mismo canal sin interferirse.

El funcionamiento del espectro es que se necesita aumentar el ancho de banda,nosotros pensaríamos que fuera alrevez en lugar de aumentarlo disminuirlo, perolos beneficios son mayores al aumentarlo ya que el ruido le pega muy poco anuestro sistema y lo más importante es que nadie puede decodificar lainformación transmitida, más que solo aquellos receptores que cuenta con unaréplica sincronizada del código de la señal expandida. Es en principio fueusado en el campo militar ya que se necesitaba que no decodificaran susmensajes.

REFERENCIAS

http://prof.usb.ve/tperez/docencia/3413/contenido/SS.pdfSKLAR, Bernard; Digital Communications Fundamentals and applications; 2ª edición; Prentice Hall pp. 718-795

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICOFACULTAD DE INGENIERIA

COMUNICACIONES DIGITALES

TRABAJO FINALESPECTRO DISPERSO

GRUPO:2BUENDIA FLORES EDUARDO

26/11/13