Espalhamento Espectral (documentação)
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Campus Fortaleza
Espalhamento Espectral
.
Curso: Engenharia de Telecomunicações
Disciplina:
Sistemas de Comunicação II
Professor: Dr. Francisco José Aquino
Autores do Trabalho:
Alonso Cavalcante
Daniel Cavalcante
Kaio Jônathas
Fortaleza, 3 de abril de 2012
2 2
Sumário
Lista de Figuras ............................................................................................................................................ 2
RESUMO ...................................................................................................................................................... 3
1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................................................... 4
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .................................................................................................................... 5
2.1. Tipos de Espalhamento Espectral ...................................................................................................... 5
2.1.1 Salto de Frequência ......................................................................................................................... 5
2.1.2 Sequência direta ............................................................................................................................. 6
2.1.3 CHIRP .............................................................................................................................................. 7
2.2 Teorema da Capacidade de Canal ....................................................................................................... 8
2. PRINCÍPIOS DA TECNOLOGIA COM SEQÜÊNCIA DIRETA ............................................................................ 9
3. SISTEMAS DE ESPALHAMENTO ESPECTRAL UTILIZANDO “FREQUENCY-HOPPING” ...................................11
4. SISTEMAS DE ESPALHAMENTO ESPECTRAL UTILIZANDO “FREQUENCY-HOPPING” ...................................13
5. CONCLUSÃO ...........................................................................................................................................14
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................................................15
Lista de Figuras
Figura 01 – FH e DS para dois canais Figura 02 – Transmissor DS Figura 03 – Receptor DS Figura 04 – Diagrama de blocos do Transmissor Figura 05 – Diagrama de blocos do receptor Figura 06 – Espectro Ideal
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RESUMO O presente trabalho aborda, de maneira sucinta e simplificada, a técnica de modulação
conhecida como Espalhamento Espectral. Em resumo, Espalhamento Espectral nada mais é do que
uma técnica de modulação em que a largura de banda usada para transmissão é muito maior que
a banda mínima necessária para transmitir a informação. Dessa forma, a energia do sinal
transmitido passa a ocupar uma banda muito maior que a da informação ]1[.
Palavras-chave: modulação, largura de banda, espalhamento espectral
4 4
1. INTRODUÇÃO
A tecnologia de Espalhamento Espectral é hoje um dos processos mais utilizados para
interligação de sistemas sem fio com confiabilidade e sigilo ]3][2[ . A principal razão disso é a sua
capacidade de codificação inerente, que faz com que seja muito difícil a interpretação ou
interceptação dos sinais emitidos por unidades não autorizadas. Por outro lado, devido à sua
própria natureza, os canais de rádio que operam em Espalhamento Espectral conseguem
funcionar adequadamente em ambientes agressivos, do ponto de vista eletromagnético, onde os
sistemas com modulação tradicional tendem a falhar ]5][4[ .
As técnicas de Espalhamento Espectral foram desenvolvidas durante a Segunda Guerra
Mundial, para aperfeiçoar a confiabilidade das comunicações militares e mantê-las com baixo nível
de detecção por forças inimigas. Naquela época os Aliados e os componentes do Eixo estavam
travando uma guerra tecnológica, paralela aos campos de batalha, em várias áreas da ciência. A
principal delas era na parte das comunicações seguras. A utilização de interferências propositais
era usada por ambos os lados e, portanto, uma tecnologia que fosse imune às interferências era
desesperadamente procurada ]6[ . Muitas evidências existem de que a tecnologia por
Espalhamento Espectral foi desenvolvida, principalmente, nos Estados Unidos, no notável
Laboratório Lincoln, que funcionou no MIT durante a Segunda Guerra Mundial, sendo creditado a
este laboratório a construção do primeiro sistema de Espalhamento Espectral que realmente
funcionou ]6[ .
5 5
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
A tecnologia de Espalhamento Espectral, como todas as grandes inovações, é, no seu âmago,
muito simples ]9][8][7[ . O primeiro passo do processo é codificar a informação de modo que ela
tenha formato de ruído, transmiti-la e, no ponto de recepção, recuperá-la sem erro.
Nos sistemas convencionais de modulação ocorre uma tentativa de maximizar a
concentração de energia para uma dada mensagem. O sistema de Espalhamento Espectral toma a
direção oposta, espalhando o sinal por uma faixa muito maior que a faixa de freqüência original da
mensagem. Ou seja, o espectro de freqüência do sinal codificado é muito maior que o espectro de
sinal da informação.
Por outro lado, como o sistema distribui a energia em uma grande faixa de freqüências, a
relação sinal/ruído na entrada do receptor é baixa, chegando mesmo, em alguns casos, abaixo do
nível de ruído dos receptores convencionais e, portanto, tornando-se invisível para os mesmos]10[.
No receptor do sistema de Espalhamento Espectral o processo recíproco ao espalhamento é
realizado, restaurando o nível adequado das mensagens. Define-se como parâmetro de
comparação a grandeza Ganho de Processamento, que indica a melhoria da relação sinal/ruído
que o sistema é capaz de obter sobre um sistema que não utiliza Espalhamento Espectral.
2.1. Tipos de Espalhamento Espectral
Existem dois processos principais para a codificação da informação e geração do
Espalhamento Espectral: O primeiro é chamado de "Salto de Freqüência" (Frequency Hopping - FH)
e o segundo é a "Seqüência Direta” (Direct Sequence - DS).
2.1.1 Salto de Frequência
No FH a informação simplesmente "pula" de um canal de freqüência para outro, de forma
codificada no tempo. Nesse caso, o receptor só poderá encontrar o sinal nos vários canais se ele
souber onde sintonizar, ou seja, se souber previamente as posições de freqüência aonde o
transmissor vai "pular" Se algumas freqüências estiverem sofrendo interferência por sinais
espúrios, a informação ainda pode ser recuperada pelo processamento dos outros canais da
seqüência dos "pulos". O código FH, que determina a seqüência de "pulos de freqüência”, é
gerado por um circuito chamado gerador de pulsos Pseudo-Aleatórios. O mesmo código deve ser
usado no transmissor e no receptor, de modo que os dois saibam a próxima freqüência a ser
usada. O gerador de código deve ser síncrono no transmissor e receptor, o que é obtido por um
sinal piloto de sincronização. Geradores de código Pseudo-Aleatórios (também chamados de
6 6
códigos “Pseudo-Noise” ou PN) produzem códigos com aproximadamente o mesmo número de
"zeros" e "uns", e seqüência definida. Após um dado número de bits, chamado de comprimento
de código, eles se repetem. Códigos que são completamente aleatórios, e não se repetem, não
podem ser realizados e não são distinguíveis do ruído.
Nos sistemas comerciais, atualmente disponíveis, a eficiência dos sistemas FH baseia-se
mais em evitar a interferência do que na supressão da mesma. O FCC Americano e a Resolução
209 prevêem ainda que, o número mínimo de canais para os "pulos" de freqüência seja de 50 na
faixa de 902 - 928 MHz (máxima largura de banda a 20 dB no canal de salto é 500 KHz) e 75 nas
outras duas bandas. O tempo médio de ocupação de qualquer freqüência não deve ser maior que
0,4 segundos, dentro de um período de 30 segundos ]11[ . O Ganho de Processamento para o FH é
uma função direta do número de canais de saltos nos quais está sendo espalhada a informação
transmitida.
2.1.2 Sequência direta
Na técnica de seqüência direta (DS) a codificação em Espalhamento Espectral é
implementada pela mistura da informação com um sinal de código de alta taxa de bits. A saída do
modulador conterá, portanto, a informação espalhada pelo sinal codificador. Os tipos de
modulações geralmente utilizados na DS são o chaveamento binário por deslocamento de fase
(BPSK), ou o chaveamento por quadratura de fase (QPSK). O sinal codificador para a DS é gerado
por um circuito similar ao FH, com a diferença que o fator de Espalhamento Espectral obtido na DS
(Ganho de Processamento) é a razão entre a taxa do código Br (conhecido como "chip rate") e a
taxa de bits da informação Rc. O sinal DS é recuperado no receptor por uma modulação
complementar usando um código similar ao do transmissor, e sincronizado com o mesmo.
Um sistema Ds bem projetado pode rejeitar interferências por uma quantidade relacionada
ao valor do Ganho de Processamento. Potenciais sinais interferentes que chegarem ao receptor
são "espalhados" em freqüência pelo mesmo processo que recupera o sinal desejado. Desse
modo, o receptor consegue recuperar a informação mesmo na presença de sinais interferentes de
faixa estreita, e com densidades de potências muito maiores que a do sinal desejado.
Nos dois casos, FH e DS, a recepção é impossível para receptores que não conhecem o
código do transmissor.
Adicionalmente, uma das características dos códigos Pseudo-Aleatórios usados é a
propriedade de ortogonalidade ]2[ : múltiplos transmissores e receptores podem ocupar a mesma
porção do espectro utilizando códigos diferentes, até que o limite da relação
Portadora/Interferência (P/I) dos receptores seja atingido. Este é o princípio dos sistemas CDMA,
que serão analisados no item VII. Uma variação dessa tecnologia é, por exemplo, utilizado no
sistema GPS, onde todos os satélites da constelação transmitem na mesma faixa de freqüências (
os sinais espalhados das mensagens são transmitidos aos usuários em duas portadoras: L1 de
1575.42 MHz e L2 de 1227.6 MHz) e o nível do sinal que chega à Terra está perto do nível de ruído.
7 7
A codificação inerente do sistema (códigos PN) é que permite "arrancar" o sinal de dentro do
ruído ]12[ . A Figura 01, a seguir, apresenta de forma gráfica o comportamento dos sistemas FH e DS.
Figura 01 - FH e DS para dois canais
2.1.3 CHIRP
Existe ainda um terceiro tipo de Espalhamento Espectral, chamado CHIRP, que é muito
utilizado em sistemas de radares ]3[ ]8[ ]13[ . Nesse caso não é utilizada uma seqüência Pseudo-
Aleatória para controlar o espectro de saída. Em vez disso, o sinal CHIRP é gerado fazendo com
que a portadora seja variada dentro de uma certa faixa de freqüência de forma linear (ou de outra
maneira conhecida), dentro da duração de um período fixo de pulso do radar.
A idéia por trás dos sistemas CHIRP é que o receptor pode usar um filtro casado, de projeto
relativamente simples, para receber a portadora dispersada no tempo, de forma a criar um
somatório coerente e, assim, prover uma melhora na relação sinal / ruído do sistema. Essa
tecnologia é usada em sistemas de radares para solucionar o conflito técnico entre alcance e
precisão de resolução de alvos ]13[ . Ou seja, no sistema tradicional de radar o alcance está
diretamente relacionado com energia do pulso, que é calculada pelo produto da potência de pico
vezes a largura do pulso. Contudo, a resolução de alvos é cada vez melhor quanto menor for a
largura do pulso. Esses dois parâmetros, conflitantes com relação à largura do pulso, são
otimizados fazendo-se o pulso longo na transmissão, através de uma expansão codificada, e
comprimindo-o na recepção, de tal modo que sua largura final atenda aos requisitos de resolução
exigidos pelo sistema.
8 8
2.2 Teorema da Capacidade de Canal
As bases teóricas para a avaliação da tecnologia de Espalhamento Espectral encontram-se no
famoso teorema da Capacidade de Canal ]16][15][14][8][7[ , apresentado por Shannon - Hartley em
1949. Shannon e Hartley demonstraram, rigorosamente, que em um canal perturbado por um
ruído aditivo branco Gaussiano, pode-se transmitir informação a uma taxa de C bits por segundo,
onde C é a capacidade do canal dada por:
[Eq. 01]
Onde B é a largura de faixa do canal em Hz S é a potência do sinal (W) N é a potência de
ruído(W).
Para outros tipos de ruído que não o ruído branco Gaussiano, a Equação 01 deve sofrer
modificações. Em canais com “fading” do tipo Rayleigh a capacidade do canal é sempre menor
que aquela calculada pela expressão dada.
Em todo canal de comunicações o ruído é um fator limitante para a transmissão dos sinais. A
experiência demonstra que a modelagem deste ruído por outro, branco e “Gaussiano”, atende à
maioria dos problemas da vida real. O adjetivo “branco” significa que o ruído tem uma distribuição
uniforme de energia no espectro de freqüências. A palavra “Gaussiano” significa que a função de
densidade de probabilidade de amplitude do ruído segue uma curva gaussiana ]14[ . Há alguns
casos, porém, em que tal modelagem do ruído não atende às necessidades. Por exemplo, suponha
o caso da interferência causada por multicaminhos da onda transmitida, os conhecidos
“fantasmas” da televisão. Esse tipo de “ruído”, ou interferência, é um exemplo típico de um ruído
que não é nem branco e nem Gaussiano, e sua influência no sinal recebido é tratado de maneira
particular.
A Equação 01 mostra, portanto, que a capacidade de um canal para transmitir informações
está limitada pela faixa do canal e pelo nível de ruído. Se existisse um sistema sem ruído a
capacidade de canal seria infinita. Por outro lado, o teorema de Shannon – Hartley mostra
também que para uma determinada quantidade de informações a serem transmitidas pode-se
reduzir a potência do sinal transmitido se a largura de faixa for aumentada correspondentemente.
Na tecnologia de Espalhamento Espectral essa condição é utilizada, fazendo com que a
informação seja espalhada em uma faixa bastante grande, o que permite operação do sistema
com relações sinal/ruído muito baixas.
Quando a relação S/N é pequena (< 0,1) a Equação 01 que apresentamos pode ser
simplificada para ]8][7[ :
[Eq. 02]
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Deve-se observar, também, que vários sistemas de modulação se utilizam do aumento do
espectro e, portanto, do aumento de faixa para transmitir a informação. Esse é o caso, por exemplo,
da modulação FM onde o sinal modulante é diretamente responsável pela largura de faixa do
espectro. Na tecnologia de Espalhamento Espectral, contudo, além da faixa de transmissão ser
muito maior que a faixa de informação, outra função, que não seja a própria informação, define a
faixa de transmissão ou Espalhamento Espectral. Nessas condições, modulações especiais tais como
a FM, não são consideradas de tecnologia por Espalhamento Espectral.
2. PRINCÍPIOS DA TECNOLOGIA COM SEQÜÊNCIA DIRETA
Uma das formas de gerar o Espalhamento Espectral DS é apresentada no diagrama da Figura
02. Nessa configuração uma portadora )cos( 01 twA é modulada pelos processos tradicionais (AM,
FM, etc.) para produzir o sinal:
[Eq. 03]
Esse sinal modulado é multiplicado por uma função temporal )(tg que espalha a energia
)(1 tS em uma faixa muito maior que aquela ocupada pelo sinal modulado. O sinal resultante da
multiplicação é dado por:
[Eq. 04]
Esse sinal é transmitido no canal de rádio e se combina com outros N sinais semelhantes no
mesmo canal, com o ruído e com sinais interferentes. No receptor onde se deseja extrair a
informação, o processo de recuperação do sinal é obtido pela multiplicação dos sinais de entrada
por uma réplica sincronizada da função de espalhamento )(1 tg como mostra a Figura 03.
A saída do multiplicador é, então, processada por um filtro passa-faixas. Se o valor de
)(1 tg for escolhido de tal forma que 1)( 2
1 tg e 0)()(1 tgtg n , o receptor estará apto a recuperar
somente o sinal desejado. Os outros sinais e o ruído serão novamente espalhados no receptor em
uma faixa larga e a densidade desses sinais na faixa do filtro de recepção será bastante diminuída. A
segunda condição é chamada de propriedade de ortogonalidade das funções . Essa propriedade é a
principal base para a operação do sistemas CDMA que serão descritos mais à frente e, através dela,
é que será possível fazer com que vários usuários possam ocupar um mesmo canal de comunicação
ao mesmo tempo.
10 10
Figura 02 – Transmissor DS
Figura 03 – Receptor DS
O processo descrito pela Figura 02 não é o único utilizado nos sistemas de Espalhamento
Espectral DS. O mais comum é combinar o sinal digital da informação com a seqüência de código,
antes de se modular a portadora.
11 11
Define-se o Ganho de Processamento (GP) de um sistema pela diferença em dB entre a
relação sinal/ruído (dB) na saída e na entrada ]11][8[ . Para o sistema operando em Seqüência Direta
(DS), o Ganho de Processamento é definido por:
[Eq. 05]
onde : RFBW - faixa de - 3dB do sinal DS transmitido
CR - taxa de dados da Banda Básica (informação)
3. SISTEMAS DE ESPALHAMENTO ESPECTRAL UTILIZANDO “FREQUENCY-HOPPING”
O sistema de Espalhamento Espectral utilizando Frequency Hopping (FH) utiliza uma
seqüência Pseudo-Aleatória para programar os saltos de freqüência dentro da faixa de operação.
Somente o receptor que conhece essa programação é capaz de modificar coerentemente seu
oscilador local de modo a sintonizar sincronizadamente a freqüência de salto e manter constante o
valor da FI (Freqüência Intermediária do receptor) constante. As principais diferenças do FH para o
DS residem no modo como o espectro de transmissão é gerado, e no modo como a interferência é
rejeitada. A Figura 04 a seguir mostra os diagramas em blocos simplificados do transmissor e
receptor FH.
Figura 04 – Diagrama de blocos do transmissor
12 12
Figura 05 - Diagrama de blocos do receptor Note que quando o oscilador local do receptor é chaveado com uma réplica sincronizada do
código transmitido, os pulos de freqüência, sob o ponto de vista da FI, são removidos. Em outras
palavras a FI fica fixa em valor. A partir daí o sinal modulado original será demodulado da maneira
convencional. A faixa de freqüência, na qual a energia é espalhada, é independente da freqüência de
“clock” do código, e pode ser escolhida por uma combinação do número e faixa dos pulos de
freqüência.
O espectro de potência ideal de um sistema FH é apresentado na Figura 06. Ele tem uma
envoltória retangular, e se estende em uma faixa fBW n
RF )12( , onde n é o número de estágios
usados no “shift register” que gera o código , e f é a separação entre as freqüências discretas. f
deve ser no mínimo tão largo quanto a faixa de informação Bm de cada portadora solicitada. Nos
sistemas comerciais, liberados pela Resolução 209 (Anatel) , o número de freqüências de salto deve
ser no mínimo igual à 75, nas faixas de 2400 - 2483,5 MHz e 5725 - 5850 MHz.
Figura 06 – Espectro Ideal
13 13
Do mesmo modo que na Sequência Direta, pode-se definir o Ganho de Processamento para o
sistema FH, que assume a forma ]8][2[ :
[Eq. 06]
Por outro lado, diferente do sistema de Seqüência Direta que exige a taxa de código (“chip
rate”) muito maior que a taxa de informação, para a produção do espalhamento, e
conseqüentemente, aumento do Ganho de Processamento, a FH pode operar com baixos valores de
taxa de código. Na verdade a taxa de código no FH pode ser até menor que a taxa de informação,
dependendo do tipo de interferência que o projetista do sistema espera encontrar. Em geral o uso de
FH com altas taxas de código é mais difícil devido às limitações de velocidade de variação de
freqüências nos sintetizadores utilizados. Isso é em grande parte, devido à necessidade de preservar
a coerência de fase de um pulo para outro, de modo a evitar modulação de fase no sinal
demodulado.
4. MARGENS DE INTERFERÊNCIA
O processo de recuperação da informação espalhada no espectro ("spread"), exige a operação
inversa ("despreading"), que é realizada pela correlação do sinal recebido com um sinal local
similar. Como já foi dito nos itens anteriores, o efeito da reversão do espalhamento é obtido pelo
sinal sincronizado do receptor, fazendo com que o espectro espalhado se reduza ao sinal básico ou
informação. Outros sinais que não apresentem o mesmo código da comunicação, serão rejeitados
pelo processamento posterior do receptor. Um filtro, por exemplo, pode ser usado para rejeitar
todos os outros sinais que não estejam na faixa estreita da banda básica recuperada. No caso do FH
o sistema apresenta rejeição à interferência fazendo com que a informação seja transmitida nos
pulos de freqüência que não coincidem com as freqüências de interferências. Isso, contudo, diminui
a taxa de transmissão útil do sistema, devido às perdas de tempo na repetição da informação em
saltos seguintes.
Pode-se, portanto, introduzir para o receptor o parâmetro "Margem de Interferência"(MI), que
mostrará a capacidade do receptor de operar em ambientes agressivos e hostis do ponto de vista
eletromagnético.
Para o sistema DS a margem de interferência (MI) pode ser calculada por]8[:
[Eq. 07]
onde :
Lsistema : perdas de implementação no sistema (dB)
(S/N) saída : relação sinal/ruído requerida na saída da informação (dB)
14 14
5. CONCLUSÃO
Neste trabalho foi apresentado o princípio de funcionamento da tecnologia de
espalhamento espectral, de um modo simplificado, tornando-a acessível mesmo para os alunos de
engenharia que ainda não tenham visto o conteúdo voltado às Telecomunicações em si. Para isso,
a parte matemática foi quase que inteiramente dispensada em prol dos conceitos principais, de
modo que o presente trabalho serve de ponto de partida para um estudo mais aprofundado
posteriormente.
15 15
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Abrantes, Sílvio A.; “ Introdução ao Espalhamento Espectral”, DEEC/FEUP
2. Utlaut, William F.; “Spread Spectrum ‘Principles and Possible Application to Spectrum
Utilization and Allocation”, ITU Telecom Journal, Vol. 45, 20-32, Jan/78, reprint from IEEE
Communications Society Magazine, Vol.16, no 5, 21-31, Sep/78.
3. Dixon, R.C.; “Why Spread Spectrum?”, Reprint from IEEE Communication Society
Magazine, vol.13, 21–25, Jul/75.
4. Fleming, W.J.; “Projeto de cobertura para Implantação do Sistema de Comunicação de
Dados Via Rádio CKD-GM”, Nota de Aplicação Beta Telecom, BT.513/96-603, Beta
Telecom, SJCampos, SP, Mai/96.
5. Nishinaga, E.; et al;"Wireless Advanced Automatic Train Control ", Reprinted from
Proceedings of the 1994 ASME /IEEE Joint Railroad Conference,13-28 ,May/94.
6. Scholtz, R.A.; “The Origin of Spread Spectrum Communications”, IEEE Transactions on
Communications, vol.Com-30, no5, 822-854, May/82
7. Schumacher D. M.; “Understand the Basics of Spread Spectrum Communications”,
Microwaves & RF, 149-159, May/93.
8. Dixon R. C.; "Spread Spectrum Systems", Second Edition, New York, Wiley & Sons, 1975.
9. Fleming, W.J.; Comdex 96, "Wireless Lan - Conceitos do Sistema de Espalhamento
Espectral e Aplicações", Set/96.
10. Viterbi,A.J.; "Spread Spectrum Communications- Myths and Realities ", Reprinted from
IEEE Communications Society Magazine, vol.17, no3, 11-18, May 1979.
11. Anatel; “Anexo à Resolução 209, de 14 de aneiro de 2000 – Regulamento sobre
equipamentos de radiocomunicação de radiação restrito”, Janeiro de 2000.
12. Hum, Jeff, “GPS – A Guide to the Next Utility”, Trimble Navigation – USA, 51-73, 1989
13. Fleming, W.J.; “Uso de dispositivos SAW para Compressão e Expansão de Pulsos em
Sistemas de Radares”, Nota de Aplicação Beta Telecom BT65A/94, São José dos Campos,
SP, Abr/94.
14. Lathi, B.P.; “Sistemas de Comunicação, Editora Guanabara, 350-375, 1979.
15. Feher Kamilo; “Digital Communications”, Prentice Hall, Englewood Cliffs, N.J., 266-268,
1981.
16. Carlson, A B.; “Communications Systems”, Second Edition, McGraw-Hill Company, 355-
356, 1975.