TECNICHE DI TRASMISSIONE- DATI DIGITALE BASATE SUL CONCETTO DI SPREAD SPECTRUM

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1 Corso di Tecniche e Sistemi di Trasmissione Fissi e Mobili TECNICHE DI TRASMISSIONE- DATI DIGITALE BASATE SUL CONCETTO DI SPREAD SPECTRUM Prima Parte: Generalità Prof. Carlo Regazzoni

2 RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI [1] R. Pickholtz, D. L. Schilling, and L. B. Milstein, Theory of Spread-Spectrum Communications A Tutorial, IEEE Transactions on Communications, Vol. COM-30, No. 5, Maggio 1982, pp [2] K. Pahlavan, A.H. Levesque, Wireless Information Networks, Wiley: New York [3] A.J. Viterbi, CDMA: Principles of Spread Spectrum Communications : Addison Wesley: [4] J.G. Proakis, Digital Communications, (Terza Edizione), McGraw-Hill:

3 1. SIGNIFICATO DEL CONCETTO DI SPREAD SPECTRUM (letteralmente: spettro disperso) Con questo termine si indica una tecnica di trasmissione digitale, che distribuisce lo spettro in potenza di un segnale contenente informazione su una banda molto più larga rispetto a quella del segnale originario (R), in modo tale che la potenza per unità di frequenza (Watt per Hz) del segnale inviato sul canale sia molto piccola. Si definisce GUADAGNO DI PROCESSO P (Processing Gain) il rapporto tra la banda del segnale originario R e la banda del segnale trasmesso sul canale dopo la dispersione dello spettro (spreading) W o W P = R B ss: In fase di ricezione, il segnale in questione viene compresso nella sua originaria banda stretta, lasciando la potenza dei segnali interferenti, sparsa sulla larga banda di trasmissione. 3

4 SISTEMA DI COMUNICAZIONE SPREAD SPECTRUM Dati Modulazione digitale a banda stretta Spreading del segnale De - Spreading De- Modulazione digitale a banda Dati Codice di spreading Codice di spreading Trasmettitore SS Ricevitore SS Segnale in banda stretta f f 0 Segnale Spread Spectrum trasmesso RUMORE BIANCO Spettro del segnale ricompattato in ricezione f 0 f f 0 RUMORE BIANCO f 4

5 2. PROPRIETA E VANTAGGI DELLE TECNICHE SS 2.1 ALTA PROTEZIONE DEI DATI TRASMESSI NEI CONFRONTI DI TENTATIVI DI ACCESSO ILLEGALE Lo spettro del segnale trasmesso viene disperso su una larga banda di frequenza, tramite un pattern pseudocasuale, imposto ai dati di ingresso (vedremo in seguito come) di un dato utente. Tale pattern è noto soltanto al ricevitore dell utente che ha trasmesso il segnale SS. Se non si conosce tale chiave, non e possibile ricostruire lo spettro del segnale in banda stretta e quindi demodulardo. Da ciò consegue che un ascoltatore pirata deve essere un esperto del settore, per poter ricostruire il pattern di dispersione dello spettro (e non è detto che ci riesca). La privatezza e la sicurezza dei dati sono quindi altamente garantite. 5

6 2.2 BASSA PROBABILITÀ DI INTERCETTAZIONE CASUALE Essendo il segnale trasmesso sul canale con densità spettrale di potenza molto bassa, per un ascoltatore casuale esso è indistinguibile dal rumore termico di fondo e quindi non rilevabile. Tale proprietà è indicata con la sigla LPI (Low Probability of Intercept). 2.3 DISCREZIONE NELLA TRASMISSIONE Sempre a ragione della bassa densità spettrale di potenza di trasmissione, il segnale Spread Spectrum disturba in misura ridotta, rispetto ai segnali modulati in banda stretta, le trasmissioni di altri utenti. 2.4 ALTA PROTEZIONE CONTRO DISTURBI INTENZIONALI L introduzione di pseudo casualità nel segnale trasmesso, comporta l eliminazione delle interferenze intenzionali (jamming). E assai difficile, infatti, sintetizzare forme d onda che possano interferire pesantemente sull intellegibilità del messaggio. Per questo motivo le tecniche SS hanno avuto ampie applicazioni militari fin dai tempi della Seconda Guerra Mondiale. 6

7 2.5 ACCESSO MULTIPLO AL CANALE COMUNE CON RIDUZIONE NATURALE DELL INTERFERENZA MULTI UTENTE (CDMA) Con le tecniche SS e possibile consentire a più utenti di accedere contemporaneamente al canale, utilizzando la stessa banda di frequenza, semplicemente assegnando ad ogni utente un pattern pseudocasuale diverso. Questo metodo di accesso multiplo è detto CDMA (Code Division Multiple Access) e si pone come interessante alternativa ai metodi tradizionali TDMA e FDMA. Se più utenti trasmettono su canale comune segnali modulati con tecniche SS (come avviene nei sistemi CDMA), il ricevitore dell utente desiderato riporterà in banda stretta e quindi demodulerà solo il segnale che deve ricevere, lasciando i segnali degli altri utenti (interferenti) sparsi sulla larga banda di trasmissione (e quindi a bassa potenza). E possibile gestire in maniera flessibile la riduzione di questo tipo di disturbo. Le tecniche SS consentono una riduzione maniera drastica e naturale l interferenza multi utente, assai più di quanto sia possibile con le tradizionali tecniche a banda stretta, dove l interferenza multi utente può determinare pesanti degradazioni del segnale ricevuto. 7

8 2.6 ATTENUAZIONE EFFICACE DELL AUTO INTERFERENZA TIPICA DEI CANALI RADIOMOBILI (MULTIPATH FADING) Con le tecniche SS e possibile eliminare, o comunque ridurre di molto, il problema dell auto interferenza (detto anche multipath fading), dovuto alla ricezione del segnale, insieme ad alcune sue repliche ritardate nel tempo e sfasate, che seguono percorsi diversi da quello diretto, a causa di fenomeni di riflessione. Le tecniche di comunicazione SS riescono a fronteggiare in maniera molto efficace questa fonte di attenuazioni della potenza del segnale ricevuto propria degli ambienti radiomobili, con risultati decisamente migliori rispetto alle tradizionali tecniche a banda stretta, in molti casi senza neppure ricorrere all uso di filtri. 8

9 3. APPLICAZIONI 3.1 Telefonia cellulare con sistemi a terra o satellitari La già citata efficacia dei sistemi Spread Spectrum nel garantire sicurezza dei dati trasmessi, protezione da interferenze di ogni genere nonché la loro eccellente adattabilità ad ambienti radiomobili, ha fatto si che tali sistemi abbiano trovato uno sbocco obbligato in questo settore, nel quale la privatezza della comunicazione e la qualità della ricezione sono punti critici (es. standard IS-95 negli USA, rete satellitare per telefonia cellulare GLOBALSTAR). 3.2 Wireless LAN Un altro settore in cui i sistemi di comunicazione SS stanno letteralmente dilagando è quello delle reti locali di trasmissione dati (Wireless Local Area Network), per le loro prerogative di alta affidabilità, sicurezza e basso bit error rate. 9

10 3.3 Sistemi di comunicazione terra treno Svariati progetti di sistemi di comunicazione terra treno hanno visto il coinvolgimento delle tecnologie Spread Spectrum (es. il progetto BART negli USA). Infatti in queste applicazioni, dove la sicurezza è un punto delicatissimo, l elevata protezione dai disturbi e dalle manipolazioni offerta dallo Spread Spectrum è davvero ben accetta. 3.4 Trasmissione di immagini da locali e/o mezzi mobili sorvegliati in modalità remota Il futuro della video sorveglianza sarà caratterizzato da sistemi capaci di funzionare in modalità remota, ovvero di acquisire ed elaborare localmente informazioni dal luogo sorvegliato (che può anche essere un mezzo mobile) e non presenziato da personale addetto e trasmettere i risultati dell elaborazione ad un centro di controllo remoto. Le informazioni sono di tipo multimediale (dati + immagini) e la trasmissione Spread Spectrum appare un mezzo efficace per garantire sicurezza ed elevata qualità del servizio (vedere progetto CEE CROMATICA). 10

11 3.5 Sistemi di comunicazione su fibra ottica e cavo coassiale Una delle applicazioni più recenti delle tecniche Spread Spectrum riguarda la trasmissione multimediale su reti a larga banda a fibra ottica e cavo coassiale. Il motivo che sta alla base di tale applicazione è la già enunciata capacità dello Spread Spectrum di ridurre gli effetti di rumori ed interferenze di ogni genere. I sistemi di trasmissione operanti su reti cablate soffrono di gravi degradazioni del segnale a causa di rumori impulsivi di natura elettromagnetica propri dei siti residenziali (ingress noise). Tali rumori colpiscono soprattutto la banda di trasmissione riservata alla comunicazione utente base (5 50 MHz.). Lo Spread Spectrum riduce naturalmente l effetto di questi disturbi, aumentando visibilmente la qualità della comunicazione. 3.6 Applicazioni minori Tra le applicazioni minori, ricordiamo: telemetria di precisione sistemi di allarme senza fili trasmissione digitale di segnali stereofonici 11

12 3.7 Larghezze di banda consentite per le varie frequenze d uso e relative applicazioni Applicazioni Banda Larghezza di banda a disposizione dell utente Telefonia cellulare, WLAN MHz 1.25 MHz (IS-95) Multimedialità wireless (terza GHz 350MHz generazione radiomobile): standard UMTS Comunicazioni terra treno, WLAN, GHz 26 MHz (IEEE Trasmissione multimediale per ) video sorveglianza remota WLAN Non standard GHz Trasmissione multimediale su rete 5 50 MHz 6 MHz cablata (uplink) Trasmissione multimediale su rete cablata (downlink) MHz 6 MHz Tabella 3.1: Larghezze di banda consentite per le varie frequenze d uso 12

13 4. TECNICHE SS PRINCIPALI Due sono i tipi principali di sistemi di comunicazione basati sullo Spread Spectrum: i sistemi DIRECT SEQUENCE (DS), i sistemi FREQUENCY HOPPING (FH) Esistono anche delle tecniche ibride, che mescolano le due tecniche sopracitate. 13

14 5. DIRECT SEQUENCE (DS) La tecnica Direct Sequence/Spread Spectrum (DS/SS) si basa sulla moltiplicazione diretta del segnale in banda base (informazione) con un segnale avente banda molto più larga. Questo segnale, g(t), è chiamato SEGNALE PSEUDO NOISE (PN). Figura.5.1: Segnale pseudo-noise 14

15 Il segnale PN, come appare dal grafico in Figura 5.1 è costituito da impulsi rettangolari, chiamati chip, ognuno di durata pari a T c (tempo di chip). La funzione di auto correlazione e lo spettro di tale segnale sono i seguenti: Figura 5.2: auto correlazione del segnale PN Figura 5.3: spettro in potenza del segnale PN 15

16 5.1 SCHEMA DI UN POSSIBILE TRASMETTITORE E RICEVITORE DS-SS X(t) S(t) Sequenza PN g(t) c( t) = 2P cos(2π f 0t + θ ) Spreading Modulatore digitale BPSK TRASMETTITORE DS/SS r(t) Demodulatore BPSK V(t) g(t) T dt 0 t = T Y Decisore c( t) = 2P cos(2π f0t + θ ) Sequenza PN RICEVITORE DS/SS Despreading 16

17 5.1.1 Note sullo schema Figura 5.4: sistema di comunicazione DS-SS Il segnale contenente l informazione X(t) è un segnale binario a valori +1 e 1. Ogni bit ha durata T secondi. Tale segnale viene moltiplicato per una sequenza PN il cui periodo di chip è T c = T / N. La modulazione BPSK è rappresentabile come la moltiplicazione del segnale binario DS per una portante sinusoidale c(t) a frequenza f 0 e sfasamento casuale θ. Il segnale ricevuto r(t) è dato dal segnale trasmesso S(t) distorto variamente dal canale. Se il canale è Gaussiano additivo, r ( t) = S( t) + n( t), ove n(t) è un rumore Gaussiano, bianco con densità spettrale di potenza N 0. L espressione matematica del segnale ricevuto è la seguente: r ( t) = 2PX ( t) g( t) cos(2π f 0t + θ ) + n( t) Il ricevitore effettua dapprima la de modulazione BPSK. Una replica della portante viene generata in ricezione. La de modulazione BPSK è effettuata moltiplicando il segnale ricevuto 17

18 per la replica della portante ed eliminando i contributi a frequenza 2 f 0 con un filtro passa basso. Il segnale in uscita dal de modulatore BPSK ha la seguente espressione: P V ( t) = X ( t) g( t) + nlp ( t) 2 ove n lp (t) è l equivalente passa basso di n(t), con stesso valore medio (nullo) e varianza N 0. Il blocco di de - spreading, detto anche ricevitore a filtro adattato (matched filter receiver), è basato su una replica sincronizzata col segnale ricevuto del segnale PN generato dal trasmettitore g(t). La sincronizzazione è un operazione assai delicata nei sistemi DS/SS. Da essa dipende il buon esito dell intera fase di ricezione. Si può verificare facilmente che l uscita del filtro adattato in t = T ha la seguente espressione: P Y = 0 + η 2 Tb ove b0 è il valore del bit trasmesso in [0,T) (può essere +1 o 1) e η è il rumore Gaussiano di canale filtrato, con valor medio nullo e varianza N 0 T 4. 18

19 Il decisore è uno squadratore che assegna alla sua uscita valore +1 se l ingresso Y è positivo e valore 1 se l ingresso Y è negativo. In tal modo il segnale binario trasmesso viene recuperato, a meno di errori dovuti al rumore. 19

20 6. FREQUENCY HOPPING (FH) PRINCIPIO BASE Nei sistemi basati su questa tecnica, il trasmettitore cambia ripetutamente la frequenza della portante, scegliendola in un insieme di possibili valori (salto in frequenza). Se, ad esempio, il segnale in banda stretta ha una larghezza di banda di 100 KHz e si ha a disposizione una banda SS di 100 MHz, il segnale può venire trasmesso, durante un certo intervallo di tempo, in 1000 possibili frequenze di salto ( N ). salti RIDUZIONE DELLE INTERFERENZE Se il trasmettitore utilizza in maniera equiprobabile tutte le frequenze a sua disposizione, l utilizzatore sarebbe soggetto ad interferenza solo per una frazione del tempo di trasmissione pari a 1 N salti, se per disgrazia un utente interferente va a capitare col suo segnale in quell istante proprio in quel salto. Inoltre la potenza interferente media sarebbe solo una frazione pari a 1 N salti della potenza complessiva trasmessa. 20

21 6.1 SCHEMA DI UN POSSIBILE TRASMETTITORE-RICEVITORE FH/SS Figura 6.1.1: modulatore FH/SS Figura 6.1.2: demodulatore FH/SS 21

22 6.1.1 Note sullo schema rappresentato in figura Il blocco di modulazione dei dati (Data modulator) nel trasmettitore è un normale modulatore digitale (ad esempio un modulatore BPSK). Il valore di frequenza iniziale della portante è f 0 (frequenza di trasmissione). Il generatore di codice (Code Generator) genera in maniera pseudo casuale il numero del salto di frequenza ove in un dato istante di tempo il segnale viene trasmesso (nel generatore riportato in figura k = N salti). Il sintetizzatore di frequenza converte il numero di salto n esimo prodotto dal generatore di codice in un offset di frequenza f n che va a pilotare la portante sinusoidale a frequenza f 0, portandola alla frequenza f 0 + f. In questo modo il segnale viene spostato in frequenza in un determinato intervallo di tempo (tempo di salto), stabilito dal clock di temporizzazione del generatore di codice (FH code clock). n Il filtro in trasmissione (Highpass filter) serve ad uniformare lo spettro del segnale FH, in maniera tale che occupi la larghezza di banda desiderata (shaping). Il filtro in ricezione (Image Reject Filter) è usato per tagliare eventuali segnali interferenti presenti in bande adiacenti a quella del segnale desiderato. 22

23 Il ricevitore possiede un generatore di codice di salto esattamente uguale a quello presente in trasmissione. Il generatore di codice in ricezione deve essere sincronizzato con il sintetizzatore di frequenza in trasmissione per garantire la corretta demodulazione. Il generatore di codice di salto è implementato con uno schema hardware a registro a scorrimento abbastanza simile a quello utilizzato per il generatore di sequenze binarie delle tecniche Direct Sequence. (vedi dopo) Il ricevitore FH effettua il de spreading del segnale trasmesso, recuperando i vari salti in frequenza nei corretti tempi di salto (la sincronizzazione serve a questo). In pratica, durante ogni tempo di salto, la frequenza del segnale viene riportata al suo valore originario f 0. In tal modo, dopo un filtraggio passa banda per la riduzione del rumore, il segnale viene sottoposto alla demodulazione digitale e l informazione trasmessa viene recuperata. 23

24 6.1.2 Classificazione dei sistemi Frequency Hopping I sistemi FH possono essere classificati in due categorie, a seconda della velocità con cui il trasmettitore cambia la frequenza della portante. SLOW FH (SFH) se tale velocità è lenta, ovvero se vengono trasmessi più simboli (bit) per salto. FAST FH (FFH), se invece tale velocità è alta, ovvero se avvengono più salti per simbolo (bit) trasmesso. Figura 6.1.3: Fast FH (a) e Slow FH (b) 24

25 7 CONFRONTO TRA LE TECNICHE DS e FH Il guadagno di processo P, definito in 1 come il rapporto tra larghezza di banda SS e la larghezza di banda del segnale contenente informazione, nei sistemi DS è banalmente pari ad N (numero di chip della sequenza PN per bit trasmesso = guadagno di banda), mentre nei sistemi FH dipende dalla velocità con cui avvengono i salti, ovvero se avvengono più salti per bit trasmesso, o se vengono trasmessi più bit per salto di frequenza effettuato. La larghezza di banda del segnale DS all uscita del blocco di spreading è circa 2 f chip, ove f chip è la frequenza della sequenza PN (frequenza di chip). Per ottenere grandi larghezze di banda, occorrono alte frequenze di chip, il che può comportare problemi di sincronizzazione e sicuramente un maggior consumo di energia. Nei sistemi DS, il guadagno di processo e un parametro fondamentale per quel che riguarda la riduzione delle interferenze, ma alti valori di P comportano i problemi sopra esposti. Nel segnale FH, invece, la larghezza di banda dipende dall intervallo in cui si decide di far variare la frequenza delle portanti, per cui può essere resa grande con maggiore semplicità. 25

26 La sincronizzazione temporale tra trasmettitore e ricevitore è generalmente meno critica nei sistemi FH, in quanto la velocità di salto varia da poche decine a poche migliaia al secondo, mentre i chip rate dei sistemi DS sono dell ordine di svariati megahertz. Il segnale DS ha uno spettro effettivamente molto largo, mentre il segnale FH è di fatto un segnale a banda stretta, spostato continuamente sull asse delle frequenze. Questo fatto può non essere di secondaria importanza nella applicazioni specifiche. Le tecniche DS/SS sono utilizzate nello standard IEEE , mentre le tecniche FH/SS sono utilizzate nello standard emergente BLUETOOTH per reti WLAN indoor. 26