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.
60 سال پيش در‌آگوست 1942 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 .
1- د ريك سيتم طيف گسترده پهنا باند ارسالي بسيار بزرگتر پهناي باند سيگنال پيام ميباشد.
2- گسترش طيف توسط دنباله شبه تصافدي ديگري كه از سيگنال پيام مستقل و براي گيرنده كاملاً مشخص است، انجام ميشود. شكل 1-1 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 2-1 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.
1- نسبت SNR خروجي به SNR وردي بعد از فيلتر كردن نهايي
(1-2)
2- نسبت پهناي باند سيگنال گسترده شده به نرخ ارسال اطلاعات.
(2-2)
3- نسبت پهناي باند سيگنال گسترده شده به پهناي باند پيام (مدوله شده)
(3-2)
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 10 تا 100 ( Db 20-10) و در سيستم هاي طيف گسترده نظامي 100 تا 1000000 (Db 60-30) ميباشد.
1-2- انواع سيستم هاي طيف گسترده
انواع سيستم هاي طيف گسترده عبارتند از:
1- سيستم طيف گسترده دنباله مستقيم يا شبه نويز (DS) / (PN)
2- سيستم طيف گسترده پرش فركانسي (FH)
3- سيستم طيف گسترده پرش زماني (TH)
4- 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.
1-1-2- سيستم طيف گسترده دنباله مستقيم يا شبه نويز (DS) / (PN)
شكل 1-2 بلوك دياگرام يك مدولاتور طيف گسترده DS را نشان ميدهد.
شكل 1-2: 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:
(4-2)
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 2-2 نشان مي دهده براي طيف توان يك دنباله شبه نويز خواهيم داشت:
(5-2)
كه درآن:
(6-2)
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 2-2 خواهد شد. شكل 3-2 شماي طيف توان سيگنال پيام قبل و بعد از گسترش را نشان ميدهد.
شكل 3-2: 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 4-2 بلوك دياگرام يك فرستنده- گيرنده طيف گسترده دنباله مستقيم را نشان ميدهد.
فهرست مطالب
فصل اول 1
تاريخچه و مقدمه 1
فصل دوم 3
سيستم هاي طيف گسترده 3
1-2- انواع سيستم هاي طيف گسترده 4
1-1-2- سيستم طيف گسترده دنباله مستقيم يا شبه نويز (DS) / (PN) 4
1-1-1-2- سيستم طيف گسترده BPSK-DSSS 7
2-1-2- سيستم طيف گسترده پرش فركانس 12
1-2-1-2- سيستم پرش فركانس تند (F-FH) : 13
2-2-1-2- سيستم پرش فركانسي كند (S- FH) 13
سيستم پرش فركانسي كند همدوس 13
3-2-1-2: خصوصيات سيستم طيف گسترده پرش فركانسي (FH) 19
4-2-1-2- مزايان و معايب سيستم Fh: 20
3-1-2- سيستمهاي طيف گسترده پرش زماني (TH)گ 21
4-1-2- سيستم طيف جاروب فركانسي (chrip) 22
5-1-2- سيستمهاي طيف گسترده تركيبي 22
2-2- خواص سيستمهاي طيف گسترده 23
1- مقابله با اختلال (Jamming) خصوصا اختلال باند باريك 23
2- قابليت دسترسي چند گانه 24
3- مقابله با پديده چند مسيري 24
4- عملكرد مخفي يا احتمال شنود پايين 25
5- مقاومت در برابر ISI 25
3-2- كاربرد سيستمهاي طيف گسترده 25
فصل سوم 26
كدهاي گسترش دهنده 26
3-1- دنباله شبه تصادفي 26
3-2- توليد كدهاي گسترش يافته 27
3-3- تابع همبستگي دنباله هاي گسترش دهنده 31
4-3- كدهاي گسترش دهنده رايج 34
1-4-3- كدهاي با طول حداكثر يا شبه نويز (ماكزيمال) 34
1-1-4-3- خواص دنباله هاي با طول حداكثر 36
2-1-4-3- تابع همبستگي و چگالي طيف توان دنباله هاي «با طول حداكثر» 38
فصل چهارم 39
بررسي اثر تداخل عمدي در سيستمهاي طيف گسترده 39
1-4- اغتشاش تك تون 40
2-4- بررسي اثرات نويز و اغتشاش بركيفيت سيستم هاي طيف گسترده 47