Rozpraszanie widma w komunikacji radiowej

Po raz pierwszy została ona wykorzystana przez wojsko w latach 80. ubiegłego wieku do ochrony przed zagłuszaniem. Obecnie jest również implementowana w warstwach fizycznych sieci bezprzewodowych przeznaczonych do prywatnego użytku, na przykład tych działających w nielicencjonowanym paśmie częstotliwości ISM.

Rozpraszanie widma stosowane jest m.in. w sieciach domowych w standardzie Wi-Fi, sieciach Bluetooth używanych do komunikacji między urządzeniami elektronicznymi (m.in. telefonami komórkowymi i słuchawkami, laptopami i klawiaturami lub myszkami) oraz w sieciach ZigBee. Te ostatnie stale zyskują na popularności, zwłaszcza w sieciach czujników oraz w automatyce budynkowej.

Rozpraszanie widma

Rys. 1. Rozpraszania widma polega na przekształceniu wąskopasmowego sygnału informacyjnego w sygnał o widmie kilkakrotnie szerszym

Według twierdzenia Shannona-Hartleya przy danych parametrach kanału telekomunikacyjnego jego przepustowość jest określona jednoznacznie, co wyraża formuła: C = B · log2(1 + S/N), gdzie C - przepustowość (bit/s), B - szerokość kanału (Hz) oraz S/N - stosunek mocy sygnału do mocy szumów oraz zakłóceń w kanale. Z tego wynika, że szerokość kanału wymaganą do uzyskania założonej przepustowości opisuje zależność: B = C / log2(1 + S/N). W wyniku dalszych przekształceń wzór ten uzyskuje postać: B ≈ 0,69 · C · (N/S) dla S/N << 1. Zatem im mniejszy będzie stosunek mocy sygnału do mocy szumów i zakłóceń w kanale, tym szersze pasmo musi on zajmować.

Te zależności oraz płynące z nich wnioski stanowią podstawę techniki rozpraszania widma. Polega ona na przekształceniu wąskopasmowego sygnału informacyjnego w sygnał o widmie kilkakrotnie szerszym (rys. 1) oraz zmniejszeniu jego mocy poniżej poziomu szumów. Ma to kilka zalet. Przede wszystkim metody stosowane do rozpraszania widma, które zostaną przedstawione dalej, pozwalają na korzystanie z jednego pasma częstotliwości wielu użytkownikom jednocześnie, ponadto sygnał przetworzony w ten sposób jest odporny na zaburzenia.

Zalety rozpraszania widma

Rys. 2. W metodzie rozpraszania widma DSSS bity strumienia danych są mnożone przez ciąg pseudolosowy

Na przykład niełatwo jest go zagłuszyć. To złośliwe działanie polega na ciągłym nadawaniu w danym kanale komunikacyjnym sygnału o dużej mocy. W odbiorniku dostrojonym do tej samej częstotliwości jest on uznawany za szum uniemożliwiający odbiór sygnału informacyjnego. Jeżeli jednak sygnał emitowany przez zagłuszacz jest wąskopasmowy, natomiast sygnał właściwy jest szerokopasmowy, tylko część tego drugiego zostanie zagłuszona. Mimo pogorszenia jakości transmisji będzie ją zatem można kontynuować.

Rozpraszanie widma zwiększa również odporność systemu komunikacji na zaniki sygnału spowodowane zjawiskiem wielodrogowości. Chociaż zależy ono od wielu czynników (głównie charakterystyki toru transmisyjnego) i jest modelowane jako zjawisko losowe w danym łączu, występuje tylko dla kilku konkretnych częstotliwości. Informacje stracone w wyniku zaniku tych składowych w sygnale szerokopasmowym można odzyskać, stosując odpowiedni algorytm korekcji błędów w wyższej warstwie protokołu sieciowego lub retransmitując je. Sygnały o widmie rozproszonym oraz mocy poniżej poziomu szumów są ponadto trudno wykrywalne.

FHSS, DSSS

Rys. 3. Aby odkodować przesłane informacje w odbiorniku, trzeba wygenerować ciąg pseudolosowy

Rozpraszanie widma jest realizowane na kilka sposobów. Dwie najpopularniejsze metody to FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), czyli rozpraszanie widma z przeskokami częstotliwości nośnej oraz DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), tzn. bezpośrednie rozpraszanie widma ciągiem pseudolosowym.

FHSS polega na przełączaniu częstotliwości nośnej w regularnych odstępach czasu. Dzięki temu uśrednione w czasie widmo sygnału informacyjnego jest szerokie, natomiast jego chwilowa wartość jest taka jak sygnału oryginalnego. Wartości częstotliwości nośnej zmieniane są w określonej kolejności. Porządek zmiany kanałów musi być odtworzony w odbiorniku, który powinien być zsynchronizowany z nadajnikiem.

Rozpraszanie widma zrealizowane w ten sposób stanowi podstawowe zabezpieczenie transmisji przed jej podsłuchaniem. Odbiornik, w którym nie jest znana sekwencja przełączania częstotliwości nośnej w nadajniku, nie odkoduje bowiem nielegalnie przechwyconej informacji. W metodzie DSSS bity strumienia danych są mnożone przez ciąg kodowy.

Każdy z nich jest zatem przetwarzany w ciąg o długości k, gdzie k to liczba bitów ciągu kodowego (rys. 2). Poszerzenie pasma sygnału wyjściowego nadajnika jest uzyskiwane dzięki temu, że widmo ciągu kodowego zawiera dużo harmonicznych. Odporność na zaburzenia jest niestety w tej metodzie osiągana kosztem przepływności. Ponadto w odbiorniku sygnału przesłanego w tej postaci trzeba wygenerować ciąg kodowy analogiczny jak ten używany w nadajniku. Jest on niezbędny do odkodowania odebranej informacji (rys. 3).

Charakterystyka ciągu pseudolosowego

W metodzie DSSS najczęściej używa się ciągu pseudolosowego, którego widmo ma wiele składowych. By osiągnąć cele zakładane w technice rozpraszania widma, musi on spełniać kilka wymagań. Przede wszystkim powinien zapewnić jak największy stopień rozproszenia widma (processing gain, Gp). Współczynnik ten jest definiowany jako stosunek szerokości widma sygnału szerokopasmowego do analogicznego parametru oryginalnego, wąskopasmowego sygnału informacyjnego.

Przykładowo, jeżeli wartości obu tych wielkości to odpowiednio 100 kHz oraz 10 kHz, to współczynnik Gp wyniesie 10. Im dłuższy jest ciąg pseudolosowy, tym większy jest stopień rozproszenia widma, a równocześnie łatwiejsze jest wykrywanie błędów transmisji. Niestety oznacza to również mniejszą przepływność. Przetwarzanie dłuższej sekwencji bitów wymaga ponadto większej mocy obliczeniowej.

Współczynnik autokorelacji ciągu pseudolosowego, który określa, w jakim stopniu jego kolejne wartości są zależne od tych poprzednich, powinien mieć wartość możliwie najmniejszą. Dzięki temu łatwiejsza będzie synchronizacja jego generatora w odbiorniku z sygnałem informacyjnym, a sygnały opóźnione docierające do tego ostatniego w wyniku zjawiska wielodrogowości będą traktowane jak szum.

Ważnym parametrem ciągów pseudolosowych przydzielonych różnym użytkownikom kanału transmisyjnego jest również współczynnik ich korelacji. Jeżeli parametr ten dla dwóch ciągów będzie duży, w odbiorniku trudno będzie odróżnić sygnały zakodowane przy ich użyciu. Najlepiej zatem, gdy ciągi takie są ortogonalne.

Synchronizacja odbiornika

Rys. 4. Szeregowy układ wstępnej synchronizacji odbiornika w systemie DSSS

Synchronizacja odbiornika z nadajnikiem to proces dwuetapowy. W fazie pierwszej odbiornik sprawdza, czy sygnał wejściowy pochodzi z właściwego źródła. Jest to forma "zgrubnego" dostrojenia, w czasie którego wszystkie sygnały niespełniające określonych kryteriów są uznawane za szumy. W drugim etapie następuje właściwa synchronizacja.

Wówczas odbiornik "śledzi" odbierany sygnał w zakresie fazy, częstotliwości lub obu tych parametrów. W metodach DSSS i FHSS oba etapy realizowane są w inny sposób. W technice bezpośredniego rozpraszania widma ciągiem pseudolosowym w pierwszym kroku wykorzystuje się fakt, że korelacja między ciągiem wejściowym i tym generowanym lokalnie w odbiorniku będzie miała wartość maksymalną tylko wtedy, gdy sygnały te będą zsynchronizowane.

W związku z tym ustala się wartość progową na wyjściu korelatora, po przekroczeniu której uznaje się odbiornik za wstępnie dostrojony. Układ detekcji można zrealizować w dwóch wariantach: konfiguracji szeregowej lub równoległej. Dokładność synchronizacji w obu przypadkach jest taka sama i wynosi ±Tc/2, gdzie Tc to czas trwania jednego bitu.

Synchronizacja w DSSS

Rys. 5. Równoległy układ wstępnej synchronizacji odbiornika w systemie DSSS

W układzie szeregowym wartość sygnału na wyjściu bloku korelatora jest porównywana z zadaną wartością progową (rys. 4). Jeżeli jest mniejsza, generator ciągu pseudolosowego jest odpowiednio regulowany, w przeciwnym wypadku przyjmuje się fazę wstępnego strojenia za zakończoną. Wadą tego układu jest długi czas regulacji.

Modyfikacja zastosowana w konfiguracji równoległej polega na użyciu więcej niż jednego korelatora (rys. 5). Dzięki temu, że równocześnie przeprowadzanych jest wiele porównań, dostrajanie jest szybsze. Maksymalne skrócenie tego etapu do czasu trwania jednego cyklu sygnału pseudolosowego jest możliwe, gdy liczba korelatorów jest równa liczbie bitów ciągu kodowego. Wady tej konfiguracji to: większy koszt oraz złożoność odbiornika.

W drugim etapie synchronizacji odbiornika sygnału z widmem rozproszonym bezpośrednio ciągiem pseudolosowym korzysta się z układu DLL (Delay Locked Loop) (rys. 6). Sygnał wejściowy jest w nim porównywany z wersjami: opóźnioną i przyspieszoną ciągu pseudolosowego generowanymi w odbiorniku.

Wyniki tych zestawień pozwalają określić kierunek przesunięcia fazowego wykorzystywany dalej do dynamicznej regulacji fazy ostatecznej wersji ciągu pseudolosowego używanej do odkodowania sygnału informacyjnego. W przeciwieństwie do odbiorników sygnału DSSS wymagających tylko synchronizacji fazy w wypadku tych odbierających sygnał FHSS proces ten jest bardziej złożony.

Synchronizacja w FHSS

Rys. 6. Drugi etap synchronizacji odbiornika w systemie DSSS

Technika rozpraszania widma z przeskokami częstotliwości nośnej wymaga, aby odbiornik oraz nadajnik pracowały w tym samym kanale, a jego zmiana następowała w nich równocześnie. Gdy jest to zapewnione, należy zsynchronizować fazy ich zegarów. Realizuje się to w podobny sposób jak dla sygnałów z widmem rozproszonym bezpośrednio ciągiem pseudolosowym, z tym że w wypadku FHSS uwzględnić trzeba to, jaką metodę modulacji wykorzystano.

Jeżeli na przykład jest to FSK, można skorzystać z układu DLL. Alternatywą jest pętla fazowa PLL. Etap wstępnego strojenia w systemach z rozproszeniem widma metodą FHSS obejmuje tylko synchronizację częstotliwości nośnych. Realizuje się ją na kilka sposobów. W najprostszym wypadku można wybrać kanał częstotliwości, w którym transmisję musi rozpocząć zarówno nadajnik, jak i odbiornik.

Oba te urządzenia powinny w nim pracować do momentu zakończenia wstępnego dostrajania. Jeżeli jednak dany kanał komunikacyjny zostanie zagłuszony, w ogóle nie będzie można zainicjować łączności. Alternatywnym sposobem jest przełączanie kanałów w nadajniku dużo szybciej niż w odbiorniku aż do momentu, gdy oba te urządzenia się dostroją.

Czas pracy w danym kanale jest ściśle określony i w nadajniku, i w odbiorniku, dlatego zsynchronizowanie momentu zmiany częstotliwości nośnej jest proste. W obu tych urządzeniach dostępna jest wcześniej zaprogramowana lista kanałów, w których mogą pracować oraz kolejność, w jakiej mają się na nie przełączać.

Podsumowanie

Synchronizacja odbiornika chwilę trwa. Aby zapewnić integralność danych w protokołach wyższych warstw, w standardach sieciowych wykorzystujących technikę rozpraszania widma po rozpoczęciu transmisji najpierw przesyłana jest sekwencja danych testowych. Dopiero po zakończeniu strojenia inicjowana jest właściwa komunikacja.

Monika Jaworowska