سیستم های مخابرات طیف گسترده

طراحان سیستمهای مخاراتی درگذشته و حال همواره به دنبال دستیابی به تکنیکهای مدولاسیون ودمدولاسیونی هستند که نیازهای مخابراتی و ملاحظاتی مورد نظر آنهارا به بهترین صورت مرتفع سازند. اکثر این تکنیکها سعی در بهینه سازی استفاده از یک یا هر دو پارامتر مخابرات یعنی قدرت و پهنای باند داشته، هدف اصلی آنها کم کردن احتمال خطای بین در ارسال سیگنال از یک محل به محل دیگر، با فرض حضور نویز گوسی سفید جمع شونده می‎باشد.

با این وجود گاهی نیاز به تکنیکهای مدولاسیونی که نیازهایی غیر از موارد مذکور را برآورده کنند به چشم می خورد. به عنوان مثال علاوه برکانالهای AWGN کانالهای دیگری وجود دارند که از این مدل تبعیت نمی کنند. مثلا یک سیستم مخابرات نظامی که تحت تاثیر تداخل عمدی «اختلال»[1] قرار می گیرد، یا کانال  چند مسیره که به خاطر انتشار سیگنال از چند مسیر ایجاد میشود نمونه هایی از این کانالها می باشند، لذا امروزه استفاده از تکنیکهای مدولاسیون با خواصی نظیر مقاومت در برابر اختلال، عملکرد در طیف انرژی پایین، دسترسی چندگانه بدون کنترل خارجی ایجاد کانالهای سری بدون امکان شنود خارجی و … به سرعت ر و به افزایش است. یک روش مدولاسیون و دمدولاسیون که می‎تواند در اینگونه موارد مناسب باشد تکنیک طیف گسترده[2] می‎باشد.

60 سال پیش در‌آگوست 1942 هدی لامار جرج آنیل با ثبت سند سیستم مخابرات مخفی در اداره ثبت اختراعات ایالات متحده دریچه ای به فضای دوردست «سیستم های طیف گسترده» گشودند. تکنیکهای طیف گسترده در ابتدا برای اهداف نظامی ایجاد و مورد استفاده قرار گرفتند. اما با پیشرفت های فراوانی که در عرصه VLSI  تکنیکهای پیشرفته پردازش سیگنال و ساخت میکروپروسسورهای سریع و ارزان قیمت صورت گرفت امکان توسعه تجهیزات طیف گسترده برای استفاده های شخصی فراهم شد.

ازمشخصات بارز یک سیستم طیف گسترده می‎توان به گسترش طیف سیگنال ارسالی در پهنای باند مستقل و بسیار وسیعتر از باند پیام، حذف گسترش و حصول مجدد طیف توان درگیرنده و بکارگیری یک دنباله شبه تصادفی غیر از دنباله پیام در فرستنده و گیرنده اشاره نمود. دو شرط عمده زیر باعث تمایز سیستم های طیف گسترده باز مدولاسیون های نظیر FM باند وسیع که در آنها نیز از پهنای باند سیگنال پیام استفاده می‎شود شده است .

• د ریک سیتم طیف گسترده پهنا باند ارسالی بسیار بزرگتر پهنای باند سیگنال پیام می‎باشد.
• گسترش طیف توسط دنباله شبه تصافدی دیگری که از سیگنال پیام مستقل و برای گیرنده کاملاً مشخص است، انجام می‎شود.

دراین دیاگرام منظور از کد گسترش دهنده یک دنباله باینری شبه تصادفی با نرخ بسیار بالاتر از نرخ سیگنال پیام و لذا طیف فرکانسی وسیعی می‎باشد.

در فصول بعد این بخش ابتدا به معرفی بیشتر سیستم های طیف گسترده پرداخته انواع ، خصوصیت ها و کاربردهای این سیستم ها را بیان می کنیم.

استفاده از سیستم های طیف گسترده باعث بهبود کیفیت انتقال اطلاعات در سیستم های مخابراتی می‎شود. بطور کلی مقدار بهبود کیفیتی را که دراثر استفاده از یک سیستم طیف گسترده بدست می‎آید بهره پردازش می گوییم. بعبارت دیگر آن را می‎توان تفاوت میان عملکرد سیستمی که از طیف گسترده استفاده می‎کند و عملکرد سیستمی که از این تکنیک استفاده نمی کنند، هنگامی که بقیه شرایط برای دو سیستم یکسان باشد تعریف نمود، بنابراین بهره پردازش پارامتری است که با آن می‎توان کیفیت سیستم طیف گسترده را نشان داد. سه رابطه رایج برای بهره پردازش درنظر گرفته شده است.

1- نسبت SNR خروجی به SNR وردی بعد از فیلتر کردن نهایی

2- نسبت پهنای باند سیگنال گسترده شده به نرخ ارسال اطلاعات.

3- نسبت پهنای باند سیگنال گسترده شده به پهنای باند پیام (مدوله شده)

رابطه اول یک رابطه تئوری کلی است و روابط بعدی را می‎توان به ترتیب برای دو نوع سیستم طیف گسترده FH و DS از آن نتیجه گرفت.

بهره پردازش امروزه درسیستم های طیف گسترده تجاری 10 تا 100  ( Db 20-10) و در سیستم های طیف گسترده نظامی 100 تا 1000000 (Db 60-30) می‎باشد.

1-2- انواع سیستم های طیف گسترده

انواع سیستم های طیف گسترده عبارتند از:

• سیستم طیف گسترده دنباله مستقیم[3] یا شبه نویز[4] (DS) / (PN)
• سیستم طیف گسترده پرش فرکانسی[5] (FH)
• سیستم طیف گسترده پرش زمانی[6] (TH)
• سیستم طیف گسترده جاروب فرکانسی (CHIRP)
• سیستم طیف گسترده با ترکیب روش های فوق (HYBRID)

در ادامه به بررسی اجمالی انواع سیستم های طیف گسترده می‎پردازیم.

1-1-2- سیستم طیف گسترده دنباله مستقیم یا شبه نویز (DS) / (PN)

دراین روش همانطور که مشاهده می‎شود عمل گسترش طیف با ضرب مستقیم کد گسترش دهنده C(T) در موج مدوله شدن انجام می‎شود. چون کد گسترش دهنده یک دنباله باینری شبه تصادفی با نرخ بسیار بالاتر از نرخ اطلاعات می‎باشد از نظر فرکانسی طیفی با پهنای باند وسیع و شبیه نویز دارد که باعث گسترش طیف سیگنال مدوله شده در حوزه فرکانس می‎شود. سیگنالهای ایجاد شده با این تکنیک در حوزه فرکانسی بصورت نویز ظاهر شده طبیعت آنها چنین می نماید که تصادفی هستند در صورتی که الا تصادفی نبوده و توان سیگنال به زیر سطح نویز کاهش می یابد. در این تکنکی هیچ گونه اطلاعاتی از بین نمی ورد و اطلاعات درگیرنده مجددا قابل بازیابی است. در این گونه سیستمها می‎توان حتی گسترش طیف را قبل از مدولاسیون حامل انجام داد. در این حالت ابتدا کد گسترش دهنده در سیگنال پیام ضرب شده، سپس سیگنال گسترده حامل را مدوله می‎کند.

[1] – Jamming
[2] – Spread Spectrum
[3]– Direct Sequence
[4] – Pseudo Noise
[5] – Frequency Hopping
[6] – Time Hopping