پژوهشي در مورد سيستمهاي طيف گسترده
فصل اول
تاريخچه و مقدمه
طراحان سيستمهاي مخاراتي درگذشته و حال همواره به دنبال دستيابي به تكنيكهاي مدولاسيون ودمدولاسيوني هستند كه نيازهاي مخابراتي و ملاحظاتي مورد نظر آنهارا به بهترين صورت مرتفع سازند. اكثر اين تكنيكها سعي در بهينه سازي استفاده از يك يا هر دو پارامتر مخابرات يعني قدرت و پهناي باند داشته، هدف اصلي آنها كم كردن احتمال خطاي بين در ارسال سيگنال از يك محل به محل ديگر، با فرض حضور نويز گوسي سفيد جمع شونده مي‎باشد.

با اين وجود گاهي نياز به تكنيكهاي مدولاسيوني كه نيازهايي غير از موارد مذكور را برآورده كنند به چشم مي خورد. به عنوان مثال علاوه بركانالهاي AWGN كانالهاي ديگري وجود دارند كه از اين مدل تبعيت نمي كنند.

مثلا يك سيستم مخابرات نظامي كه تحت تاثير تداخل عمدي «اختلال» قرار مي گيرد، يا كانال چند مسيره كه به خاطر انتشار سيگنال از چند مسير ايجاد ميشود نمونه هايي از اين كانالها مي باشند،

لذا امروزه استفاده از تكنيكهاي مدولاسيون با خواصي نظير مقاومت در برابر اختلال، عملكرد در طيف انرژي پايين، دسترسي چندگانه بدون كنترل خارجي ايجاد كانالهاي سري بدون امكان شنود خارجي و … به سرعت ر و به افزايش است. يك روش مدولاسيون و دمدولاسيون كه مي‎تواند در اينگونه موارد مناسب باشد تكنيك طيف گسترده مي‎باشد.

۶۰ سال پيش در‌آگوست ۱۹۴۲ هدي لامار جرج آنيل با ثبت سند سيستم مخابرات مخفي در اداره ثبت اختراعات ايالات متحده دريچه اي به فضاي دوردست «سيستم هاي طيف گسترده» گشودند. تكنيكهاي طيف گسترده در ابتدا براي اهداف نظامي ايجاد و مورد استفاده قرار گرفتند.

اما با پيشرفت هاي فراواني كه در عرصه VLSI تكنيكهاي پيشرفته پردازش سيگنال و ساخت ميكروپروسسورهاي سريع و ارزان قيمت صورت گرفت امكان توسعه تجهيزات طيف گسترده براي استفاده هاي شخصي فراهم شد.

ازمشخصات بارز يك سيستم طيف گسترده مي‎توان به گسترش طيف سيگنال ارسالي در پهناي باند مستقل و بسيار وسيعتر از باند پيام، حذف گسترش و حصول مجدد طيف توان درگيرنده و بكارگيري يك دنباله شبه تصادفي غير از دنباله پيام در فرستنده و گيرنده اشاره نمود.

دو شرط عمده زير باعث تمايز سيستم هاي طيف گسترده باز مدولاسيون هاي نظير FM باند وسيع كه در آنها نيز از پهناي باند سيگنال پيام استفاده مي‎شود شده است .

۱- د ريك سيتم طيف گسترده پهنا باند ارسالي بسيار بزرگتر پهناي باند سيگنال پيام مي‎باشد.
۲- گسترش طيف توسط دنباله شبه تصافدي ديگري كه از سيگنال پيام مستقل و براي گيرنده كاملاً مشخص است، انجام مي‎شود. شكل ۱-۱ دياگرام كلي سيستم طيف گسترده را نشان مي‎دهد.

دراين دياگرام منظور از كد گسترش دهنده يك دنباله باينري شبه تصادفي با نرخ بسيار بالاتر از نرخ سيگنال پيام و لذا طيف فركانسي وسيعي مي‎باشد. شكل ۲-۱ نمونه اي از اين دنباله را نشان مي دهند.

در فصول بعد اين بخش ابتدا به معرفي بيشتر سيستم هاي طيف گسترده پرداخته انواع ، خصوصيت ها و كاربردهاي اين سيستم ها را بيان مي كنيم.

فصل دوم
سيستم هاي طيف گسترده
استفاده از سيستم هاي طيف گسترده باعث بهبود كيفيت انتقال اطلاعات در سيستم هاي مخابراتي مي‎شود. بطور كلي مقدار بهبود كيفيتي را كه دراثر استفاده از يك سيستم طيف گسترده بدست مي‎آيد بهره پردازش مي گوييم. بعبارت ديگر آن را مي‎توان تفاوت ميان عملكرد سيستمي كه از طيف گسترده استفاده مي‎كند

و عملكرد سيستمي كه از اين تكنيك استفاده نمي كنند، هنگامي كه بقيه شرايط براي دو سيستم يكسان باشد تعريف نمود، بنابراين بهره پردازش پارامتري است كه با آن مي‎توان كيفيت سيستم طيف گسترده را نشان داد.

سه رابطه رايج براي بهره پردازش درنظر گرفته شده است.
۱- نسبت SNR خروجي به SNR وردي بعد از فيلتر كردن نهايي
(۱-۲)
۲- نسبت پهناي باند سيگنال گسترده شده به نرخ ارسال اطلاعات.
(۲-۲)
۳- نسبت پهناي باند سيگنال گسترده شده به پهناي باند پيام (مدوله شده)

(۳-۲)
رابطه اول يك رابطه تئوري كلي است و روابط بعدي را مي‎توان به ترتيب براي دو نوع سيستم طيف گسترده FH و DS از آن نتيجه گرفت.

بهره پردازش امروزه درسيستم هاي طيف گسترده تجاري ۱۰ تا ۱۰۰ ( Db 20-10) و در سيستم هاي طيف گسترده نظامي ۱۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰۰ (Db 60-30) مي‎باشد.
۱-۲- انواع سيستم هاي طيف گسترده
انواع سيستم هاي طيف گسترده عبارتند از:
۱- سيستم طيف گسترده دنباله مستقيم يا شبه نويز (DS) / (PN)
2- سيستم طيف گسترده پرش فركانسي (FH)
3- سيستم طيف گسترده پرش زماني (TH)

۴- سيستم طيف گسترده جاروب فركانسي (CHIRP)
5- سيستم طيف گسترده با تركيب روش هاي فوق (HYBRID)
در ادامه به بررسي اجمالي انواع سيستم هاي طيف گسترده مي‎پردازيم.
۱-۱-۲- سيستم طيف گسترده دنباله مستقيم يا شبه نويز (DS) / (PN)
شكل ۱-۲ بلوك دياگرام يك مدولاتور طيف گسترده DS را نشان مي‎دهد.

شكل ۱-۲: دياگرام بلوكي فرستنده DS.
دراين روش همانطور كه مشاهده مي‎شود عمل گسترش طيف با ضرب مستقيم كد گسترش دهنده C(T) در موج مدوله شدن انجام مي‎شود. چون كد گسترش دهنده يك دنباله باينري شبه تصادفي با نرخ بسيار بالاتر از نرخ اطلاعات مي‎باشد از نظر فركانسي طيفي با پهناي باند وسيع و شبيه نويز دارد كه باعث گسترش طيف سيگنال مدوله شده در حوزه فركانس مي‎شود.

سيگنالهاي ايجاد شده با اين تكنيك در حوزه فركانسي بصورت نويز ظاهر شده طبيعت آنها چنين مي نمايد كه تصادفي هستند در صورتي كه الا تصادفي نبوده و توان سيگنال به زير سطح نويز كاهش مي يابد. در اين تكنكي هيچ گونه اطلاعاتي از بين نمي ورد و اطلاعات درگيرنده مجددا قابل بازيابي است.

در اين گونه سيستمها مي‎توان حتي گسترش طيف را قبل از مدولاسيون حامل انجام داد. در اين حالت ابتدا كد گسترش دهنده در سيگنال پيام ضرب شده، سپس سيگنال گسترده حامل را مدوله مي‎كند.

با استفاده از روابط در نظر گرفته شده براي محاسبه بهره پردازش مشاهده مي‎شود كه درسيستم طيف گسترده دنباله مستقيم (DS) هر چه نرخ دنباله كد گسترش دهنده بيشتر از نرخ سيگنال پيام باشد (دوره پالس دنباله گسترش دهنده كمتر از دوره پالس دنباله پيام باشد) بهره پردزاش بزرگتر، پهناي باند سيگنال گسترش يافته وسيعتر و كارايي سيستم بيشتر خواهد بود. بعبارت ديگر:

(۴-۲)
كه در آن K يك ضريب ثابت، نرخ (دوره پالس) دنباله شبه نويز، نرخ (دوره پالس) سيگنال پيام و S توان مي‎باشد.

دراينجا نگاهي اجمالي به چگونگي گسترش طيف در يك مدولاسيون DSSS بدون توجه به نوع مدولاسيون ديجيتال سيستم مي كنيم. بطور كلي ثابت مي‎شود كه طيف فركانسي يك دنباله شبه نويز با دور پالس و پريود N ، دنباله اي از ضربه ها با پوش تابع SINC2(0) مي‎باشد.

همانطور كه شكل ۲-۲ نشان مي دهده براي طيف توان يك دنباله شبه نويز خواهيم داشت:
(۵-۲)
كه درآن:
(۶-۲)
با توجه به بالا بودن نرخ كد گسترش دهنده مقدار بسيار كوچك و لذا پهناي باند طيف توان مقدار بزرگي خواهد بود. از طرف ديگر درسيستم DSSS پس از ضرب سيگنال پيام در دنباله كد گسترش دهنده، نرخ سيگنال نهايي نيز تقريبا برابر نرخ PN خواهد بود

و با اين تفسير طيف سيگنال شبه تصادفي يعني شكل ۲-۲ خواهد شد. شكل ۳-۲ شماي طيف توان سيگنال پيام قبل و بعد از گسترش را نشان مي‎دهد.

شكل ۳-۲: پوش توان سيگنال DSSS
درگيرنده براي بدست آودرن اطلاعات از سيگنال دريافت شده، بايد همان كد گسترش دهنده به طور همزمان توليد و آنرا در سيگنال دريافتي ضرب نماييم. اين عمل را اصطلاحا حذف گسترش گويند. شكل ۴-۲ بلوك دياگرام يك فرستنده- گيرنده طيف گسترده دنباله مستقيم را نشان مي‎دهد.

شكل ۴-۲: دياگرام بلوكي فرستنده- گيرنده DSSS
مسئله مهم درگيرنده توليد كد گسترش دهنده بصورت كاملاً هم زمان با فرستنده است، به همين دليل درگيرنده، حجم اصلي مدارات شامل مدارات توليد و همزماني كد مي باشد. اهميت اين همزماني را مي‎توان بصورت زير نشان داد. در اين روابط از اثرات نويز، نوع مدولاسيون ، تداخل و… صرفنظر شده است.

مشاهده مي‎شود براي دريافت سيگنال مدوله شده درگيرنده بايد شرط:

دقيقا برقرار باشد و با توجه به اينكه C(T) تنها مقادير ۱+ و ۱- را اختيار مي كند، براي برقراري اين شرط خواهيم داشت:

واضح است اگر همزماني كامل بين كدهاي توليد شده درگيرنده و فرستنده وجود نداشته باشد، سيگنال گسترش يافته بار ديگر گسترش طيف مي يابد. همزماني در طي دو مرحله انجام مي‎شود.

مرحله اول رهگيري (همزماني اوليه) و مرحله دوم ردگيري (همزماني دقيق) ابتدا در مرحله رهگيري كد توليد شده درگيرنده با اختلاف حداقل يك يا دو چيپ نسبت به كد دريافت شده همزمان مي‎شود. سپس در مرحله درگيري حلقه همزماني، همزماني دقيق را بين دنباله ها برقرار كرده، روي اني وضعيت قفل مي‎شود.

درشكل ۴-۲ سه قسمت مولد كد، همزمان ساز اوليه و حلقه همزماني كه حجم اصلي ساختمان گيرنده را تشكيل مي دهند نشان داده شده است.