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UNIVERSIDADE
FEDERAL DO PARANÁ SETOR
DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO
DE ENGENHARIA ELÉTRICA |
CDMA
Realizado por Márcia Previatti,
Marcio Roberto de Camargo,
Paulo Eduardo Bonani Alves e
Wilfredo Tomaselli
para a
Disciplina Processamento Digital
De Sinais sob a orientação do
Professor Eduardo Parente Ribeiro.
CURITIBA
2002
SUMÁRIO
1.
O ESPALHAMENTO
ESPECTRAL
2.
O CDMA
2.1. Sobre o
Sistema CDMA
2.2. Método de
Transmissão
2.3. Ganho de
Processamento
2.4.
Benefícios do CDMA
2.5.
Desvantagem do CDMA
3. TÉCNICAS DE MODULAÇÃO
3.1. A
seqüência de Pseudo-Ruídos
3.2. DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum
3.2.1.
Vantagens do Direct-Sequence
3.2.2.
Desvantagens do Direct-Sequence
3.3.
Espalhamento Espectral por Saltos de Freqüência FHSS
(Frequency Hopping)
3.3.1.Vantagens do Frequency-Hopping
3.3.2.
Desvantagens do Frequency-Hopping
3.4.
Deslocamento no Tempo (Time Hopping)
3.4.1.Vantagens
do TH-CDMA
3.4.2.
Desvantagens do TH-CDMA
3.5. Sistemas
Híbridos
4. IS-95 CDMA
4.1. Controle
de Potência
4.1.1. Ciclo
Aberto de Controle de Potência
4.1.2. Ciclo Fechado
de Controle de Potência
4.1.3.
Controle Lento de Potência Downlink
5. wcdma
5.1.
Espalhamento
6. Vantagens e Desvantagens do
Spread Spectrum
7. Aplicações Do spread spectrum
8. Demonstração Prática usando o
programa Matlab
9. conclusào
10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
INTRODUÇÃO
Nos últimos tempos a segurança nas comunicações digitais vem sendo cada vez mais fundamental e tem sido cada vez mais comercialmente explorada.
O Spread Spectrum (Espalhamento de Freqüência) é uma técnica de codificação para transmissão digital, bastante resistente à interferência e interceptação, pois transforma o sinal de informação de maneira que ele se assemelhe a um ruído. O ruído possui um espectro achatado e uniforme sem picos coerentes e que podem geralmente ser removidos por filtragem. Por causa dessa característica de se assemelharem a ruídos os sinais Spread Spectrum são difíceis de serem interceptados, demodulados, ou ainda misturados a sinais de banda estreita.
A técnica de codificação do Spread
Spectrum modifica o espectro do sinal, espalhando-o de tal forma que o novo
espectro possui uma densidade de potência muito menor, mas a mesma potência
total. Esta é, então, a primeira importante característica de um sistema de
transmissão Spread Spectrum:
A largura de banda do sinal transmitido é muito maior do que
a largura de banda da informação propriamente dita.
O espalhamento do espectro é feito
antes da transmissão, através do uso de um código que independe da seqüência de
dados. Um mesmo código é usado no receptor, que deve operar em sincronismo com
o transmissor para decodificar o sinal recebido e então recuperar a seqüência
original de dados.
A expansão da largura de banda
transmitida se dá devido à inserção desses códigos, chamados "Pseudo
Randômicos" ou "Pseudo Ruídos", e minimiza a interferência de
outros usuários, pois abaixa a densidade de potência como já dito
anteriormente. A operação de
decodificação no receptor é que impede a interferência e desvanecimento por
múltiplos caminhos. A segunda importante característica do Spread Spectrum,
então é:
A seqüência de pseudo-códigos é que
determina o sinal a ser recebido.
Por estas razões de segurança, a
modulação Spread Spectrum foi desenvolvida para aplicações militares na época
da Segunda Guerra Mundial, onde se fazia extremamente necessária a imunidade à interferência e interceptação dos sinais pelos
inimigos. Os primeiros desenvolvimentos visavam melhorar os sistemas de
radares, a comunicação e a navegação.
O exército americano vem utilizando
sinais de Spread Spectrum nas comunicações por satélite a
no mínimo 25 anos, entretanto, várias aplicações civis surgiram se beneficiando
dessas importantes características do Spread Spectrum. Por exemplo, a rejeição
de múltiplos caminhos numa estação terrestre de rádio comunicação móvel, ou
ainda, comunicações de múltiplo acesso no qual um número de usuários
independente compartilha um mesmo canal sem a existência de um mecanismo de
sincronização externa [1].
1. O Espalhamento
Espectral
No espalhamento espectral a energia
média do sinal transmitido é espalhada sobre uma largura de faixa que é muito
mais larga que a largura de faixa que contém a informação. Esses sistemas
compensam uma maior largura de faixa de transmissão, por uma menor densidade
espectral de potência e proporcionam uma melhora na rejeição aos sinais
interferentes operando na mesma faixa de freqüências [2].
Um sistema é definido como sendo de
espalhamento espectral se preencher os seguintes requisitos:
1.
O sinal ocupa
uma largura de banda muito maior que a mínima largura de faixa necessária para enviar a informação.
Valores típicos para esta relação estão entre cem e um milhão (20 a 60 dB).
2.
O espalhamento
é obtido a partir de um sinal de espalhamento também conhecido como sinal
código, que é independente da informação.
3.
No receptor, a
recuperação da informação original é feita pela correlação entre o sinal
recebido com uma réplica sincronizada do sinal de espalhamento usado no
processo de espalhamento no transmissor.
Esquemas de modulação em freqüência ou
por código de pulso também espalham o espectro do sinal mas
não se qualificam como sistemas de espalhamento espectral por não satisfazerem
as condições enunciadas acima.
Existem inúmeras razões para se espalhar o espectro e muitos benefícios podem ser obtidos se isto for realizado adequadamente:
·
Capacidade de Múltiplo
Acesso
- Se vários usuários transmitem um sinal
espalhado no espectro ao mesmo tempo, o receptor deverá estar apto para
distinguir entre os usuários sob a condição de que cada usuário tem um único
código que tem uma correlação cruzada muito baixa com os outros códigos.
Correlacionando o sinal recebido com um sinal de código de um certo usuário
deve-se então somente decodificar o sinal desse usuário, enquanto os outros
sinais de espectro espalhado, devem manter-se espalhados sobre uma largura de banda
grande. Assim, dentro da largura de banda da informação a potência do usuário
desejado deverá ser maior que a potência da interferência, providenciando que
não haja muita interferência, e o sinal desejado possa ser extraído;
·
Proteção
contra Interferência Multicanais - Em um canal de rádio não há exatamente
uma trajetória entre um transmissor e um receptor. Devido a reflexões (e
refrações) um sinal será recebido em um número de trajetórias diferentes. Os
sinais em diferentes trajetórias são todos cópias do mesmo sinal transmitido mas com diferentes amplitudes, fases, atrasos, e ângulos de
chegada. As somas desses sinais no receptor serão construtivas em algumas das
freqüências e destrutivas em outras. No domínio do tempo, isso resulta em um
sinal dispersado. A modulação em espectro espalhado pode combater essas
interferências multitrajetórias; contudo, o modo como isso é conseguido depende
bastante do tipo de modulação usado;
·
Privacidade - o sinal
transmitido só pode ser demodulado e os dados recuperados se o código é
conhecido pelo receptor;
·
Rejeição de
Interferência - Fazendo correlação cruzada entre o sinal de código e com o
sinal de banda estreita a potência do sinal de banda estreita é espalhada, de
modo a reduzir a potência de interferência na largura de banda do sinal de
informação. O sinal de espectro espalhado recebe uma interferência de banda
estreita. Na recepção, o sinal de espectro espalhado é "estreitado"
enquanto que o sinal de interferência é espalhado, fazendo aparecer um pequeno
ruído de fundo comparado com o sinal recuperado;
·
Capacidade de
antijamming (jamming (rádio) - Interferência causada, sinal sabotado), especialmente
de interferência de banda estreita - Isso é mais ou menos o mesmo que a
rejeição de interferência, exceto que a interferência é intencionalmente
implantada no sinal. Esta é a propriedade, juntamente com a próxima a ser
citada, que faz a modulação por espalhamento de espectro
atrativa para aplicações militares;
·
Baixa
Probabilidade de Interceptação - Devido à sua baixa densidade de
potência, o sinal espalhado no espectro é difícil de ser detectado e
interceptado por um receptor que seja hostil [4].
2. O CDMA
2.1. Sobre o Sistema CDMA
O CDMA é uma forma de
espalhamento de espectro, uma família de técnicas de comunicação digital, que
vinha sendo utilizada em aplicações militares. O princípio básico do
espalhamento de espectro está em utilizar portadoras semelhantes a ruído, e
como o próprio nome diz, uma faixa de freqüência bem mais extensa para a mesma
taxa de dados. O uso do CDMA em aplicações de rádio móveis no meio civil é
novo. Algumas propostas surgiram no final da década de 40, mas somente na
década de 80, aplicações se tornaram viáveis devido à evolução dos circuitos
integrados (tamanho reduzido e baixo custo) e à possibilidade da regulagem da
potência emitida pelo transmissor [3].
O CDMA se tornou um padrão
quando a TIA (Telecommunicatios Industry Association) em 1993 adotou o IS-95. Existem várias razões para se adotar o IS-95 para
aplicações móveis:
· É compatível com o sistema AMPS (Advanced Mobile Phone Service);
· Requer poucas células;
· Inovações tecnológicas para superar a capacidade de problemas com
sistemas analógicos.
No CDMA todos os assinantes
transmitem e recebem informações usando o mesmo canal, ao mesmo tempo. A cada
assinante é atribuído um código exclusivo. Para receber as informações de um
assinante específico, é necessário conhecer seu código. Seria como se todas as
emissoras de TV fossem transmitidas no mesmo canal, ao mesmo tempo. A imagem recebida
ficaria uma bagunça completa. Contudo, se antes da transmissão fosse associado
um código a cada emissora, bastaria informar ao aparelho de TV o código
desejado, e a imagem da TV ficaria nítida.
Imagine duas pessoas conversando numa
sala. É mais ou menos assim que o sistema analógico AMPS funciona. Imagine
agora que em numa sala muitas pessoas estão falando ao mesmo tempo, mas você
consegue entender uma pessoa por vez. Isto é porque seu cérebro pode separar as
características de uma voz e diferenciá-la das outras que estão falando. À medida que a festa fica
maior, cada pessoa tem que falar mais alto, e o tamanho da
sua zona da conversa fica menor. Isto ficaria ainda mais dramático se
cada conversa fosse num idioma diferente.
Com o CDMA é semelhante, mas o
reconhecimento baseia-se no código. A interferência é a soma de todos os demais
usuários da mesma freqüência CDMA, tanto dentro como fora das células
domiciliares e com as versões retardadas destes sinais. Ainda é preciso incluir
o ruído térmico habitual e os distúrbios atmosféricos. É mais ou menos assim
que o CDMA funciona.
O receptor, conhecendo as
seqüências de código do usuário, decodifica o sinal recebido e recupera os
dados originais. Portanto, se aparecer o código, recupera-se o bit zero, se aparecer o
inverso do código, recupera-se o bit 1. Isso é possível desde que a correlação entre o
código do usuário desejado e os códigos dos outros usuários seja pequena. Desde
que a largura de banda do sinal de código é escolhido de forma a ser mais largo
que a largura de banda do sinal portador de informação, o processo de
codificação aumenta (espalha) o espectro do sinal e é
portanto é também conhecido como modulação de espalhamento de espectro.
O sinal resultante é também chamado sinal de espectro espalhado,
e CDMA é às vezes como acesso múltiplo por espectro espalhado (SSMA).
A seqüência resultante do sinal
codificado modula uma portadora “fo” produzindo o sinal que é transmitido. No
meio de transmissão, este sinal se junta a outros sinais modulados na mesma
freqüência, mas que utilizam seqüências pseudo-aleatória que
foi utilizada na transmissão. Não haverá então, mistura de canais
recebidos, desde que as seqüências de transmissão utilizadas sejam não
correlatas.
O ser humano também consegue identificar
códigos extensos mais facilmente. Por exemplo, é mais fácil notar a diferença
entre as palavras “consubstanciação” e “telecomunicações”, quando gritadas por
alguém, do que distinguir as palavras “pé“ e “do”. Daí por que é mais fácil recuperar uma informação de muitos
bits que de um único bit.
No meio da transmissão, o canal
desejado fica mergulhado sob os canais que compartilham da mesma faixa
espectral. Após a correlação com a seqüência local correta, o canal desejado
agrega-se tornando-se estreito e fica muito mais
intenso. Com isso ele emerge acima do nível do conjunto de canais
compartilhantes, que continuam espalhados. Em seguida, este canal desejado
estreito passa por um filtro adequado à sua largura de faixa estreita e a
seguir é demodulado. A porção de canais compartilhantes que passa por aquele
filtro se comporta como ruído de fundo.
A capacidade de
múltiplo acesso é ilustrada na figura seguinte. Na figura 1(a), dois usuários
geram uma sinal de espectro espalhado a partir de seus
sinais de dados de banda estreita. Na figura 1(b) ambos os usuários transmitem
seus sinais de espectro espalhado ao mesmo tempo. No receptor 1 apenas o sinal do usuário 1 é "estreitado" e os
dados recuperados [4].
Figura 1 – Capacidade de Múltiplo Acesso
Quando existe um sinal interferente
estreito no meio de transmissão, o correlator espalha esta interferência
diluindo a sua energia ao longo da faixa espalhada. Portanto, a interferência
se torna ineficaz, com isto, basta ir decodificando os zeros e uns originais,
descomprimi-los e, a partir do sinal PCM, recuperar o sinal analógico. Os
outros códigos, que não interessam, são simplesmente ignorados. A figura abaixo
pode-se verificar que a interferência torna-se apenas
um ruído de fundo quando comparada ao sinal que contém a informação[4].
Figura 2 – Espalhamento da Interferência
Todas as células (ERB’s) trabalham com as mesmas freqüências portadoras, inclusive as adjacentes. Dentro da célula, as portadoras devem estar transmitindo com a mesma potência, para que não possam ser diferenciadas pela intensidade do sinal.
A recepção do sinal original e dos
sinais refletidos (fenômeno de propagação por vários caminhos) é algo muito
sério nos sistemas AMPS, GSM e TDMA. O sinal original e suas réplicas
refletidas têm fase, atenuação e atraso distintos: pode acontecer que um sinal
cancele o outro.
Os telefones celulares CDMA podem
receber estes vários sinais ao mesmo tempo, compará-los e aproveitar o melhor
sinal de cada um deles. Isto se faz usando receptores conhecidos como Rake.
Três receptores trabalham cada um com uma réplica do sinal. Por meio da
comparação entre estas três réplicas, a degradação do sinal é corrigida,
resultando num único sinal mais robusto e saudável.
Todo o controle de potência do sistema
CDMA faz com que tanto telefones quanto ERBs
transmitam sempre na menor potência possível, economizando energia. Também o
controle de potência de transmissão das ERBs e muito
mais acurado. Isto porque todos os telefones celulares que estão dentro da
célula medem as mesmas freqüências. E todos eles transmitem sua
medidas para a ERB, que tem um panorama completo do sinal na sua região.
Soft handoff ocorre quando o móvel inicia comunicação com uma nova ERB sem
interromper a comunicação com a ERB anterior. Este tipo de handoff só pode
ocorrer entre canais CDMA que utilizam a mesma freqüência, ou seja , o Soft handoff só ocorre entre canais CDMA de mesma
portadora. Durante a conversação, o
terminal procura continuamente
por outras ERBs. Se for encontrada alguma com potência
suficiente, o móvel solicitará o soft handoff. Durante algum tempo manterá contato com as
duas ERBs. O enlace com a primeira ERB só será
interrompido quando o nível do sinal cair de um certo limiar.
Durante o Soft handoff o móvel estabelece comunicação com duas ou mais ERBs (ou setores se for o caso) simultaneamente. Ou seja, ele utiliza canais de tráfego direto e reverso para trocar dados (voz e sinais de controle) com todas as ERBs participantes. As ERBs envolvidas enviam seus frames para a CCC (Central de Comutação e Controle), que escolhe o melhor deles. Da mesma forma, o móvel recebe o sinal das ERBs envolvidas (canal direto) e efetua uma correção coerente no seu rake receiver. Isto proporciona um ganho de capacidade nos canais direto e reverso, aumentando a qualidade do sinal recebido nos dois extremos (telefone e CCC). Tipicamente o soft handoff ocorre na região de fronteira entre as células, onde o enlace está mais fragilizado. Uma vez que não há interrupção no enlace, o soft handoff é imperceptível ao usuário.
Nos sistemas AMPS e TDMA, há troca de
canais (ou de freqüências portadoras) quando o usuário sai de uma célula e
entra em outra, o que pode ocasionar um pequeno clique. Também pode ocorrer que
a ERB de destino não possua canais disponíveis, resultando em queda brusca de
qualidade ou na queda da ligação.
Violar o sigilo de uma conversa CDMA
não é fácil, ao menos por enquanto, pois o sistema é muito complexo.
2.2. Método de Transmissão
O sistema CDMA
é digital, isto é, a voz dos assinantes é digitalizada (convertida em bits)
antes de qualquer coisa. Pelo processo mais comum de conversão PCM (Pulse Code
Modulation), a digitalização de 1 segundo de conversa resulta em 64.000 bits ou
64kbps.
Por que digitalizar? Porque o CDMA é
um equipamento computadorizado; como todo computador, trabalha apenas com zeros
e uns. E, além disso, é mais fácil fazer cálculos complexos usando bits do que
sinais analógicos.
No CDMA, cada tempo de bit é
distribuído em m pequenos intervalos
chamados chips. Tipicamente, existem 64 ou 128 chips por bit. A cada estação é
atribuído um único código m-bit ou seqüência de chips (seqüência binária
bipolar). Estas seqüências são ditas ortogonais entre si, o que significa que o
produto interno entre duas seqüências ortogonais é sempre zero se as seqüências
forem diferentes. Para transmitir um bit 1, uma
estação envia sua seqüência de chips. Para transmitir um bit 0,
a estação envia o complemento a um da seqüência de chips. Outros padrões não
são permitidos. Isto aumenta a quantidade de informação necessária para ser
enviada de b
bits/s para mb bits/s, o que só é possível se a banda disponível crescer por um
fator de m, daí a classificação de comunicação por espalhamento de espectro.
Se estivesse disponível 1MHz de banda
para 100 estações, com FDMA cada estação teria 10kHz e poderia transmitir a
10kbps (supondo 1 bit por Hz). Com CDMA, cada estação
utiliza a banda inteira de 1MHz, sendo a taxa de chips de 1Mchips/s. Com menos
de 100 chips por bit, a banda efetiva por estação é maior para o CDMA, e o
problema de alocação de canal está resolvido.
No padrão CDMA IS-95 (International
Standard), o sinal PCM de 64 kbps é comprimido para um sinal de velocidade
menor. Esta compressão é realizada pelo vocoder ou codificador de voz. Há
vários tipos de vocoders, que produzem velocidades diferentes, sendo mais
utilizado o 8kbps EVCR (de ótima qualidade de voz). Vocoders são importantes
para aproveitar melhor o espectro de freqüências: onde caberia só um sinal de
64kbps cabem vários sinais de 8kbps.
A
seqüência digital na saída do vocoder é transformada em outra seqüência de taxa
maior. Isso se consegue somando-se o sinal digital de voz através de um
circuito “OU_EXCLUSIVO” com uma seqüência pseudo-aleatória gerada por meio de
um código específico de 128 bits (no caso do IS-95),
ou seja, cada bit de informação será substituído por este código. Ao bit zero
atribui-se um código (entre trilhões de combinações) e ao bit 1 atribui-se o código inverso ao do bit zero.
2.3. Ganho de Processamento
A razão da largura de banda
transmitida pela largura de banda da informação é chamada de ganho de
processamento, Gp, do sistema de espectro espalhado,
em que Bt é a
largura de banda de transmissão e Bi é a largura de banda do sinal portador da
informação.
O receptor correlaciona o sinal
recebido com uma réplica gerada sincronizadamente do código de espalhamento
para recuperar o sinal portador de informação original. Isso implica que o
receptor deve conhecer o código usado para modular os dados.
Por causa da codificação e do
resultante alargamento da largura de banda, sinais de espectro espalhado tem
uma quantidade de propriedades diferentes das propriedades de sinais de banda
estreita [4].
É
a melhoria da relação sinal/ruído que um sistema que utiliza a técnica de
espalhamento espectral é capaz de obter em relação a um sistema que não utiliza
esta mesma técnica. Para sistemas que empregam espalhamento espectral em
seqüência direta esse ganho está diretamente relacionado à taxa na qual o
código de espalhamento é gerado. Para sistemas por saltos em freqüência, o
ganho de processamento é uma função direta do número de canais de salto nos
quais está sendo espalhada a informação transmitida [2].
2.4. Benefícios do CDMA
·
Aumento de capacidade de 8 a 10 vezes
mais do que a tecnologia AMPS, e 4 a 5 vezes mais do
que o GSM;
·
Provê qualidade na chamada, com som
melhor e mais consistente se comparado com o Sistema AMPS;
·
O sistema é planejado e todos usuários
usam a mesma freqüência em todo setor de todas células;
·
Privacidade herdada;
·
Bandwidth ou demanda.
Portanto, conclui-se que existem diversas vantagens na utilização do CDMA como técnica de múltiplo acesso, entre elas a eliminação do mecanismo de alocação de canal e o aumento da eficiência da banda.
2.5. Desvantagem do CDMA
Um dos problemas enfrentados por
sistemas utilizando o CDMA é o chamado problema "perto-longe", que
ocorre devido a estações localizadas perto e longe da estação-base, pois o
sistema CDMA supõe que os sinais são enviados com a mesma potência. Isto pode
ser solucionado através de um tipo de controle sobre a potência de transmissão,
como por exemplo, a estação-base pode enviar comandos de acréscimo e decréscimo
da potência de transmissão.
3. Técnicas de modulação
figura
3 – Classificação geral do CDMA
A classificação geral do CDMA está ilustrada na figura 3.
Existem várias técnicas de modulação que geram sinais de espectro espalhado. As mais importantes são:
·
Seqüenciamento Direto de Espectro
Espalhado: o sinal portador de informação é multiplicado diretamente por um
sinal de código de alta taxa de variação;
·
Espalhamento de Espectro por
Deslocamento de Freqüência: a freqüência do sinal modulado no qual o sinal de
informação é transmitido é rapidamente trocada de acordo com o sinal de código;
·
Espalhamento de Espectro por
Deslocamento de Tempo: o sinal portador de informação não é transmitido
continuamente. Ao invés disso o sinal é transmitido em pequenos lotes em que o
intervalo de tempo desses lotes é decidido pelo sinal de código;
·
Modulação híbrida: duas ou mais das
técnicas de modulação por espalhamento de espectro podem ser usadas
conjuntamente para combinar as vantagens e, como desejado, para combater suas
desvantagens. Além disso, é possível combinar CDMA com outros métodos de
múltiplo acesso: TDMA, modulação de múltiplas seqüências (Multicarrier, MC) ou
modulação multitom (MT). No caso do MC-CDMA, ocorre espalhamento ao longo do
eixo de freqüências, enquanto que o MT-CDMA corre espalhamento ao longo do eixo
do tempo. Observe que MC-CDMA e MT-CDMA são baseados na multiplexação ortogonal
por divisão de freqüência (OFDM).
3.1. A Seqüência de Pseudo Ruídos
É uma seqüência de dados binários que
tem na sua formação algumas características de seqüência aleatória mas também tem algumas características que não são
aleatórias [2].
Possui forma de onda semelhante a um
ruído, que geralmente é gerada por um registrador de deslocamento realimentado.
Um registrador de deslocamento realimentado consiste de um simples registrador
de deslocamento feito de n flip-flops e um circuito lógico que é interconectado
para formar um circuito de realimentação multi-loop. Os flip-flops são
sincronizados por um clock único. A cada pulso de clock, o estado de um
flip-flop é enviado ao próximo linearmente. Com cada pulso de clock, o circuito
lógico associa uma função booleana ao estado dos flip-flops. O resultado,
então, é realimentado ao primeiro flip-flop evitando que o registrador se
esvazie. A seqüência PN gerada é determinada, portanto, pelo comprimento n do
registrador de deslocamento, do seu estado inicial e da lógica de
realimentação.
Uma seqüência de códigos de
espalhamento tem baixa (ou nenhuma) correlação cruzada e uma mínima
interferência ocorre entre usuários. Isto possibilita a um receptor ajustado
com um determinado código ser alcançado somente pelo sinal proveniente do
transmissor que estiver enviando aquele mesmo código.
Correlação cruzada é a medida de concordância entre dois
diferentes códigos.
A parte mais complicada num sistema
Spread Spectrum consiste em assegurar uma rápida e confiável sincronização no
receptor. O receptor precisa correlacionar o sinal entrante e demodulá-lo. O
correlacionador remove o código e o demodulador recupera a informação na banda
base. Ambos precisam ser síncronos com o sinal transmitido.
3.2. DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum
Os sistemas em seqüência
direta combinam a informação do sinal, que normalmente é digital, com uma
seqüência binária de maior velocidade. Esta combinação é então usada para
modular a portadora de radiofreqüência. O código
binário domina a função de modulação e é a causa direta do espalhamento largo
do sinal transmitido. Este código é uma seqüência de bits pseudoaleatória de
comprimento fixo. O sistema continuamente recicla o mesmo código binário [2]. O
DSSS é uma técnica de espalhamento no espectro aonde um sinal de portadora é
primeiramente modulado com um sinal digital de dados e depois novamente
modulado com um sinal de espalhamento de alta velocidade (banda larga).
No DS-CDMA o sinal de dados é
diretamente modulado por um sinal de código digital, discretizado no tempo e de
valor discretizado. O sinal de dados pode ser tanto digital quanto analógico;
na maioria dos casos é digital. No caso do sinal digital a modulação dos dados
é omitida e o sinal de dados é diretamente multiplicado pelo sinal de código e
o sinal resultante é uma modulação de banda larga.
Na figura 4 é mostrado um diagrama de
bloco de um transmissor DS-CDMA.
Figura 4 - Diagrama de
Blocos do Modulador do DS-CDMA
O sinal de dados binário modula um
sinal de radiofreqüência. Este sinal é então modulado por um sinal de código,
que consiste de uma quantia de bits de código chamados "chips" que
podem assumir os valores +1 ou -1. Para obter o espalhamento do sinal desejado,
a taxa de bits do sinal de código deve ser muito maior que a taxa de bits do
sinal de informação. Para a modulação de código várias técnicas de modulação
podem ser usadas, como PSK, BPSK, D-BPSK, QPSK e MSK (figura 5).
Figura 5(a) – Diagrama de
Blocos usando Modulação BPSK
Figura 5(b) – Sinal BPSK modulado
Após a transmissão do
sinal, o receptor (exibido na figura 6) realiza demodulação, usando um gerador
de seqüência de código local. Para poder realizar a demodulação do sinal, o
receptor não só deve conhecer a seqüência de código utilizada na modulação do
sinal como a seqüência de código do sinal recebido e a
seqüência de código gerada localmente devem ser sincronizados. A
sincronização deve ser obtida no começo da recepção e mantida enquanto todo o
sinal for recebido. O bloco de sincronização de código realiza essa operação.
Após a demodulação do sinal de espectro espalhado é obtido um sinal de dados
modulado, e após a demodulação desse sinal, a seqüência de dados original é
recuperada [4].
Figura 6 – Diagrama em
Blocos do Demodulador do DS-CDMA
3.2.1. Vantagens do Direct-Sequence
·
Melhor performance contra ruídos;
·
Mais difícil de interceptar;
·
Melhor performance contra reflexões;
·
A geração do sinal codificado é simples.
É resultante de uma simples multiplicação;
·
Desde que apenas uma freqüência
portadora tenha de ser gerada, o sintetizador de freqüência (gerador de
seqüência) é simples;
·
A demodulação coerente do sinal DS é
possível;
·
Nenhuma sincronização entre os usuários
é necessária.
3.2.2. Desvantagens do Direct-Sequence
·
Largura de banda muito grande;
·
Canal requer baixa distorção de fase;
Figura 7 – Desvantagem do DS-CDMA: efeito Near-Far
·
Maior efeito Near-Far que é quando um transmissor mais perto
e indesejável pode destruir o sinal que se
deseja receber. A potência recebida por usuários próximos à estação base é
muito maior que a recebida por usuários mais afastados. Se um usuário transmite
continuamente acima da largura de banda inteira, um usuário próximo à base irá
constantemente criar muita interferência para usuários situados longe da
estação base, tornando a recepção deles impossível. Esse efeito pode ser
contornado com a aplicação de algoritmos de controle de potência tais que todos
os usuários recebam o sinal da estação base com a mesma potência média.
Infelizmente este controle mostrou-se ser um pouco difícil;
·
É difícil obter e manter a
sincronização do gerador local de seqüência de código com a seqüência de código
do sinal recebido. A sincronização deve ser obtida numa fração do tempo de
tempo de um chip;
·
Para a correta recepção o erro de
sincronização entre o gerador local de sinal de código com a seqüência de
código do sinal recebido deve ser bem pequena, uma fração do intervalo de tempo
de um chip. Isso combinado com a impossibilidade de usar-se grandes bandas de freqüência contíguas limita
na prática a largura de banda a 10 ou 20 MHz [4].
3.3.
Espalhamento Espectral por Saltos de Freqüência FHSS (Frequency Hopping)
Nos sistemas
de Frequency Hopping (Salto de Freqüência), a freqüência da portadora do sinal
transmitido é variada (ou saltada) de acordo com a seqüência de pseudo-ruídos.
A ordem das freqüências selecionadas pelo transmissor é pré-determinada pela
seqüência de códigos, e o receptor rastreia essas variações de freqüência e
produz um sinal de FI freqüência intermediária constante. A interferência não é
rastreada entretanto pode ocasionalmente estar
incluída no sinal de FI. Podem ser do tipo rápido (Fast Frequency Hopping) ou
lento (Slow Frequency Hopping).
Os sistemas com saltos em freqüência espalham
sua energia mudando a freqüência central de transmissão várias vezes por
segundo de acordo com uma seqüência de canais gerada de forma pseudoaleatória.
Essa mesma seqüência de canais é usada repetidamente, de forma que o
transmissor recicla continuamente a mesma série de mudança de canais.
A freqüência de conversão f do
transmissor portanto, muda seu valor de acordo com uma
certa seqüência codificada, aos saltos. A freqüência de transmissão também
sofre os mesmos deslocamentos. Para que este sinal seja recebido, é necessário
que o receptor tenha a freqüência de seu oscilador local seguindo a mesma série
de deslocamentos de valores.
No CDMA por deslocamento de freqüência
(FH-CDMA), a portadora do sinal de informação não é constante, mas muda
periodicamente. Durante o intervalo de tempo T a freqüência da portadora
permanece a mesma, mas após cada intervalo de tempo a
portadora desloca-se para outra (ou possivelmente para a mesma) freqüência. O
padrão de deslocamento é definido pelo sinal de código. O conjunto de possíveis
freqüências que a portadora pode assumir é chamado de 'hop-set'.
O diagrama de blocos de um sistema
FH-CDMA é mostrado na figura 8.
Figura 8 – Modulador e demodulador FH-CDMA
O sinal de dados é modulado na banda
base. Usando um sintetizador de freqüência rápido que é controlado pelo sinal
de código, a freqüência da portadora é convertida para a freqüência de
transmissão.
O processo inverso é feito no
receptor. Usando um gerador local de seqüência de código, o sinal recebido é
convertido para a banda de freqüência base. Os dados são recuperados após a
demodulação para banda base. O circuito de sincronização assegura que o
deslocamento do gerador local esteja sincronizado com o padrão de deslocamento
da portadora recebida, para que a demodulação do sinal seja possível [4].
3.3.1. Vantagens
do Frequency-Hopping
·
A sincronização do sinal FH-CDMA é
mais fácil que a do DS-CDMA. A sincronização do FH-CDMA deve ocorrer numa fração
do intervalo de tempo do intervalo de tempo de deslocamento. Como o
espalhamento de espectro não é obtido pela utilização de uma grande variação de
freqüência mas pela utilização de um largo
"hop-set", o intervalo de tempo de deslocamento é mais longo que o
intervalo de tempo de chip de um sistema DS-CDMA. Com isso, um sistema FH-CDMA
admite um maior erro de sincronização;
·
As diferentes
bandas de freqüência que um sinal FH pode ocupar não podem ser contíguos porque fazemos o sintetizador de freqüências facilmente pular por cima
de certas partes do espectro. Combinado com a sincronização mais fácil, isso
permite a utilização de larguras de banda maiores;
·
A probabilidade de vários usuários
transmitirem na mesma freqüência é pequena. Um usuário transmitindo longe da
estação base receberá sinal até mesmo se usuários próximos à estação base estiverem transmitindo, desde que aqueles
usuários estejam provavelmente transmitindo em diferentes freqüências.
Portanto, a performance do efeito longe-perto é melhor que aquele do sinal DS;
·
Como um sistema FH pode empregar uma
maior largura de banda, ele pode oferecer uma maior possibilidade de redução de
interferência de sinal de banda estreita que sistemas DS.
3.3.2. Desvantagens do Frequency-Hopping
·
Complexo sintetizador de freqüências;
·
Correção de erro;
·
É necessário um sintetizador de
freqüências altamente sofisticado;
·
Uma abrupta mudança do sinal ocorrida
na hora em que as bandas de freqüência são trocadas leva ao incremento da banda
de freqüência ocupada. Para evitar isso, o sinal já deve estar no estado on ou off quando a freqüência é mudada;
·
A modulação coerente é difícil devido
a problemas na manutenção da relação entre fases durante o deslocamento da
freqüência.
3.4. Deslocamento no Tempo (Time Hopping)
No CDMA por deslocamento no tempo (TH-CDMA) o sinal de dados é
transmitido em rápidas emissões determinadas pelo sinal de código associado ao
usuário. O eixo do tempo é dividido em 'frames', e cada frame é dividido em M
pequenos intervalos de tempo (time slots). Durante cada frame o usuário
transmite em um dos M slots. Qual dos M slots é definido pelo sinal de código
associado ao usuário. Como o usuário transmite tudo em M pequenos intervalos de
tempo, a freqüência necessária para a transmissão sofre um aumento de fator M.
O diagrama de blocos de um sistema TH-CDMA encontra-se na figura 9.
Figura 9 –
Modulador e demodulador do Time Hopping
3.4.1. Vantagens do TH-CDMA
·
A implementação é mais simples que a
do sistema FH-CDMA;
·
É um método bastante usado quando o
transmissor tem limitação de potência média mas não de
pico de potência desde que os dados sejam transmitidos em rápidas emissões a
grandes potências;
·
Como no FH-CDMA, o problema do
perto-longe é muito menor.
3.4.2. Desvantagens do TH-CDMA
·
O sistema demora um certo tempo para
conseguir sincronizar o sinal, e o tempo no qual o receptor deve conseguir a
sincronização é pequeno;
·
Se ocorrerem múltiplas transmissões,
uma certa quantidade de bits de dados é perdida, então um código de correção de
erro e de interpolação de dados é necessário.
3.5. Sistemas híbridos
Os sistemas híbridos CDMA incluem o emprego de duas ou mais
técnicas de modulação de espalhamento de espectro acima mencionadas ou a
combinação do CDMA com alguns outros sistemas de acesso múltiplo. A idéia é
combinar as vantagens específicas de cada técnica de modulação. A figura 10
ilustra o diagrama de blocos para um sistema híbrido [4].
Figura 10 –
Diagrama de Blocos de um Sistema Híbrido
4. IS-95 CDMA
4.1. Controle de Potência
IS-95 tem três diferentes mecanismos de controle de potência. No uplink, tanto o
ciclo aberto como o ciclo rápido fechado de controle de
potência são empregados. No downlink, um ciclo controle de potência
relativamente lento controla a potência de transmissão.
4.1.1. Ciclo Aberto de Controle de Potência
O
ciclo aberto de controle de potência tem duas funções principais: ajusta a
potência de acesso inicial do canal de transmissão da estação móvel e compensa
grandes variações abruptas na atenuação por perdas do meio. A estação móvel
determina uma estimativa do perdas do meio entre a
estação base e estação móvel medindo a potência do sinal recebido usando o
circuito de controle de ganho automático (AGC) que dá uma estimativa tosca da
perda de propagação para cada usuário. A menor potência recebida, a maior perda
de propagação, e vice-versa. O potência transmitida da
estação móvel é determinado pela equação:
Potência de Saída (dBm) = – Potência de entrada (dBm) + Potência de compensação + parâmetros
O controle aberto de
potência é descrito na figura 11. A distância (d1) da estação 1 móvel para a estação base (BTS) é menor que a distância da
estação 2 móvel (d2) à BTS, o sinal recebido pela estação móvel 1 tem uma perda
de propagação menor. Assuma que a potência de entrada da estação móvel 1 é –70 dBm (100 pW) e a potência de entrada da estação
móvel 2 é –90 dBm (1 pW). Para classe de banda móvel 0
sem parâmetros de correção, as potências de transmissão das estações móveis
para alcançar potências iguais recebidas na estação base podem ser calculado
usando a fórmula acima, sendo então 17 dBm (50 mW) e –7 dBm (200 mW),
respectivamente.
Figura 11 – Ciclo aberto de controle de
potência
4.1.2. Ciclo Fechado de Controle de
Potência
Desde
que o IS-95 uplink e downlink têm uma separação de
freqüência de 20 MHz, os processos de perda deles não estão fortemente
relacionados. Embora o potência média seja
aproximadamente a mesma, a potência em um curto período é diferente, e então, o
ciclo aberto de controle de potência não pode compensar a perda do uplink .
Para responder pela independência do Rayleigh na perda no uplink e downlink, a
estação base controla também o potência de transmissão
de estação móvel. Fig. 12 ilustra o ciclo fechado de controle de potência. A
estação base mede o SIR recebido em cima de um de período 1.25 ms, equivalente
a seis símbolos de modulação, compara isso para o SIR designado, e decide se o potência de transmissão da estação móvel precisa de ser
aumentada ou diminuída. A estação móvel extrai os bits de comando do controle
de potência e ajusta seu potência de transmissão
adequadamente.
Figura 12 – Ciclo fechado de controle de
potência
4.1.3. Controle Lento de Potência do Downlink
A
estação base controla sua potência de transmissão para uma determinada estação
móvel de acordo com as perdas do meio e com a interferência. O propósito
principal do controle lento de potência de downlink é melhorar o desempenho de
estações móveis de uma extremidade da célula onde o sinal é fraco e as
interferências no sinal
da estação base são fortes. O mecanismo de controle de potência do downlink é
dado a seguir. A estação base reduz a potência transmitida periodicamente para
a estação móvel. A estação móvel mede a relação de erro de frame (FER). Quando
o FER excede um limite de predefinido, tipicamente 1%, a estação móvel pede uma
potência adicional para a estação base. Este ajuste acontece a cada 15 - 20 ms.
O alcance dinâmico do controle de potência de downlink é só ±6 dB.
5.
WCDMA
O banda larga CDMA tem uma largura de banda de 5MHz ou mais.
A largura de banda nominal para todas as propostas da terceira-geração é de
5MHz. Há várias razões para escolher esta largura de banda. Primeiro, taxa de
dados de 144 e 384 kb/s, o objetivo principal dos sistemas de terceira-geração,
é realizável dentro de uma largura de banda de 5 MHz
com uma capacidade razoável. Até mesmo uma taxa 2Mb/s de pico pode ser provida
debaixo dessas condições. Segundo, falta de chamadas de
espectro para distribuição de espectro mínima razoavelmente pequena,
especialmente se o sistema tem que ser desdobrado dentro das faixas de
freqüência existentes já ocupadas através de sistemas da segunda-geração.
Terceiro, a largura de banda de 5MHz pode definir (separar) mais multipaths que
largura de bandas mais estreitas, crescendo a diversidade e melhorando assim o
desempenho. Largura de bandas de 10, 15, e 20MHz foram propostas para suportar
altas taxas de dados mais eficientemente.
Várias
propostas de banda larga CDMA foram feitas para a terceira-geração de sistemas
wireless. Elas podem ser caracterizadas pelas seguintes novas propriedades avançadas:
·
Provisão de serviços de multitaxa;
·
Pacote de dados;
·
Espalhamento complexo;
·
Um uplink coerente sendo empregado uma guia dedicada;
·
Um canal guia adicional no downlink
para sinalização;
·
Sem sobreposição entre freqüências;
·
Controle rápido de potência no
downlink;
·
Detecção opcional de multiusuário.
A padronização da interface
com ar na terceira-geração para os esquemas baseados em CDMA parece
enfocar dois tipos principais de banda larga CDMA: cadeia assíncrona e
síncrona. Em esquemas de cadeias assíncronas as estações bases não são
sincronizadas, enquanto que em esquemas de cadeias síncronas as estações bases
são sincronizadas uma a outra dentro de alguns microsegundos. Como discutido,
há três propostas de cadeias assíncronas CDMA: WCDMA em ETSI e em ARIB, e TTA
II na Coréia tendo parâmetros semelhantes.
Os principais parâmetros do
WCDMA estão listados na tabela 1.
Tabela 1 –
Principais parâmetros do WCDMA
As
diferenças principais entre os sistemas WCDMA e cdma2000 são taxa de bit,
estrutura de canal de downlink, e sincronização da rede. O esquema cdma2000 usa
uma taxa de amostragem de 3.6864 Mc/s para uma faixa de distribuição de 5MHz
com espalhamento direto de downlink e uma taxa de amostragem de 1.2288Mc/s para
o downlink de multicarrier .
WCDMA
usa espalhamento direto com uma taxa de amostragem de 4.096Mc/s. A aproximação
de multicarrier é motivada por um sobreposição de espectro de cdma2000 com os
portadores existentes IS-95
. Semelhante para IS-95B, são gerados códigos de
espalhamento de cdma2000 usando diferentes fases de uma mesma seqüência M. Isto
é possível por causa da operação em cadeia síncrona. Desde que WCDMA tem uma
cadeia assíncrona, códigos longos diferentes em lugar de trocas de diferentes
fases do mesmo código são usados para a separação da célula e do usuário. A
estrutura de código adicional bate como código de sincronização, aquisição de
célula, e sincronização de sobreposição.
5.1 Espalhamento
O
esquema WCDMA emprega espalhamento longo de códigos. Diferentes códigos de
espalhamentos são usados para separação de célula no downlink e separação de
usuário no uplink. No downlink, códigos ouro de duração 2 18 são
usados, mas eles são truncados para formar um ciclo de 10 ms de frame. O número
total de códigos disponíveis é 512, divididos em 32 grupos de código com 16
códigos em cada grupo para facilitar um procedimento rápido de procura de
célula. No uplink, espalhamento pequeno ou longo (misturando códigos) é usado.
Os códigos pequenos são usados para aliviar o implementação
de técnicas de recepção de multiusuários avançadas; caso contrário códigos de
espalhamento longo podem ser usados. Códigos pequenos são códigos de VL-Kasami
de duração 256 e códigos longos são sucessões de Ouro de duração 2 41,
mas o posterior é truncado para formar um ciclo de 10ms por frame [4].
6. Vantagens e Desvantagens do
Spread Spectrum
Quando um receptor B recebe um sinal
vindo de dois ou mais transmissores, no caso abaixo A, B e C, ele é capaz de
decodificar apenas o primeiro sinal de chegada.
Os receptores B e D podem receber simultaneamente os sinais dos transmissores A e C como mostra a figura abaixo:
A técnica Spread Spectrum é praticamente
imune a sinais refletidos.
Um sinal de banda estreita não interfere em um sinal Spread Spectrum e vice-versa sendo que ele vai ocupar apenas uma pequena banda do sinal Spread Spectrum e tem densidade de potência muito maior.
A probabilidade de alguém não autorizado interceptar o sinal Spread Spectrum é muito baixa. (LPI)
Através dos códigos PN os dados
transmitidos podem ser endereçados.
A principal característica da
transmissão Spread Spectrum é a altíssima segurança.
7. Aplicações do espalhamento de espectro
Intellon
Diferente das aplicações citadas até o
momento, os módulos INTELLON proporcionam a comunicação entre periféricos,
formando uma pequena rede, a baixíssimo custo, utilizando a mesma tecnologia
SPREAD SPECTRUM citada anteriormente.
A principal aplicação destes módulos
está na automação residencial, através de controle de ativação de periféricos.
Neste caso, utiliza-se comunicação via rede elétrica convencional, a chamada
"POWER LINE COMMUNICATIONS". Pode ser utilizada também em rede
elétrica DC. A freqüência do sinal trafegando pela rede elétrica está entre 100
e 400KHz. A grande largura de banda se dá automaticamente pela tecnologia
SPREAD SPECTRUM utilizada.
Para outras aplicações são utilizados
também módulos RF, onde se utiliza freqüência em torno de 910MHz, ainda com a
tecnologia SPREAD SPECTRUM. Neste caso, geralmente perde-se a concepção de
rede, partindo-se então para a comunicação ponto a ponto, via RF com baixíssimo
custo. Ainda que raro, a aplicação via RF formando pequenas redes também pode
ser utilizada.
Tais módulos são utilizados da mesma
forma (via RF ou rede elétrica) para telemetria, controle de acesso, controle
de processos, controle de dispositivos em geral e como já dito, em qualquer
sistema de rede a baixo custo.
O módulo Intellon necessariamente deve
ser conectado a um microcontrolador, que estabelecerá todo o controle dos dados
transmitidos e recebidos, através de linhas de clock (SCLK) fornecido do
microcontrolador, reset (RST) ativo em 0, geração de interrupção do módulo
Intellon ao microcontrolador (INT) também ativo em nível 0,
chip select (CS) habilitando ou não a saída dos dados, e linhas de dados
especificas de entrada (SDI) e saída (SDO). Os dados são transmitidos do
microcontrolador externo ao microcontrolador interno do P300. O
microcontrolador interno do Intellon fará todo o controle de protocolo, geração
de portadora, inserção dos bits de endereçamento e dados e emite estes dados ao
circuito de saída, responsável pela transmissão e recepção de pacotes.
No caso de conexão à rede elétrica
deve haver uma interface composta de filtros e amplificadores operacionais. No
Intellon há sinais de entrada (SI), saída (SO) e ainda um sinal de select (TS),
que deverá ser conectado a um buffer tri-state. Este sinal select setará este
sistema de acoplamento para entrada ou saída. Existe ainda um módulo Intellon
de interface à rede, já contendo todo este sistema de filtros de amplificadores
operacionais. Em países com sistemas de rede elétrica utilizando poucos
transformadores locais, o alcance pode chegar a alguns quilômetros. No Brasil,
pelo fato de termos muitos transformadores espalhados por toda a rede, o
alcance fica comprometido, um vez que o transformador
funcionará com um filtro para freqüências mais altas. Mas como este sistema foi
concebido para utilização em pequenas redes internas, este fato não representa
problema.
Em uso via RF, o módulo Intellon é
também específico, mas a interface com o microcontrolador é
a mesma. Obviamente não há a conexão a um módulo de interface com rede
elétrica, sendo este substituído por um módulo de interface RF, composto também
por filtros e no último estágio, uma antena com impedância devidamente casada.
Os módulos utilizados em rede elétrica
são: SSC P300 e P200. O módulo SSC P111 é utilizado na interface com a rede
elétrica, interligando com dito anteriormente, um dos módulos de controle de
protocolo (P300 ou P200) e a rede elétrica em si. O módulo RF citado é o SSC
RFCEDW.
Exemplificando uma aplicação com os
módulos SSC P300 e SSC P111, vemos que o P300 gera internamente uma forma de
onda transmitida pelo pino de saída (SO). Este sinal AC é acoplado através de
um filtro RC e a um buffer amplificador. A distorção do ruído do sinal de saída
é menor que 1mVrms. O circuito buffer amplificador também é responsável pelo
casamento de impedâncias. No acoplamento à rede, devem
existir ainda um circuito de proteção contra surtos de tensão e diodos
regulando a tensão aplicada à rede. No circuito de entrada, o P300 requer um
filtro para atenuar freqüências fora da faixa. É recomendado filtro LC com 6 pólos. Há ainda um amplificador com ganho de 20dB. Este
valor acarreta na sensibilidade do circuito de 1mVpp. Se o ganho for maior a
sensibilidade aumenta, mas obviamente diminui a imunidade a ruído.
O protocolo utilizado pelos módulos
Intellon é completo, contendo vários sinais de controle pré-estabelecidos, mas
que não serão abordados neste trabalho. Melhores informações podem ser obtidas
através de datasheets disponíveis no site do fabricante: www.intellon.com.
8. Demonstração Prática usando o
programa Matlab
%--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
%OS COMANDOS A SEGUIR GERAM
UM SINAL COM TRÊS COMPONENTES DE FREQÜÊNCIA. O SINAL É AMOSTRADO A
UMA TAXA DE 30000 AMOSTRAS POR SEGUNDO DURANTE 0.010 SEGUNDOS.
%--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
T=0.1; %Período de amostragem
fs=10000; %Taxa de amostragem
n=[1:(T*fs)]; %Número de amostras do período amostrado
f0=500;f1=750;f2=1000;
%Componentes
de um sinal qualquer a ser amostrado
x=sin(2*pi*f0/fs*n)+sin(2*pi*f1/fs*n)+sin(2*pi*f2/fs*n);
%Sinal
x amostrado
X=fft(x); %Transformada
do sinal x
%--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
%AS ROTINAS ABAIXO GERAM
UMA SEQÜÊNCIA DE NÚMEROS ALEATÓRIOS COM VALORES -1 OU 1
%--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
a=[1:T*fs]; %Cria um vetor de T*fs pontos
a=rand(size(a)); %Cria
o vetor com T*fs valores aleatórios entre 0 e 1
for i=1:T*fs, %Gera um vetor com valores aleatórios 1 ou -1 somente
if
a(i)>0.5
a(i)=1;
else
a(i)=-1;
end
end
b=[1:T*fs]; %Cria um vetor de T*fs pontos
b=rand(size(b)); %Cria
o vetor com T*fs valores aleatórios entre 0 e 1
for i=1:T*fs, %Gera um vetor com valores aleatórios 1 ou -1 somente
if
b(i)>0.5
b(i)=1;
else
b(i)=-1;
end
end
%--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
%OS COMANDOS ABAIXO
ESPALHAM O ESPECTRO EM FREQÜÊNCIA DO SINAL AMOSTRADO
%--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
x_aleat1=x.*a; %Multiplica
ponto a ponto o vetor aleatório com o sinal
X_aleat1=fft(x_aleat1);
%--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
%OS COMANDOS ABAIXO
DEVOLVEM O SINAL ORIGINAL
%--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
x_rec1=x_aleat1.*a;
X_rec1=fft(x_rec1);
%--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
%Tentativa de recuperar o
sinal sem que o código de espalhamento seja conhecido
%--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
x_rec2=x_aleat1.*b;
X_rec2=fft(x_rec2);
%--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
%GRÁFICOS A SEREM GERADOS
%--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
figure(1); %Plota o sinal amostrado x
plot(x);
title('Sinal
Amostrado em função do tempo');
figure(2); %Plota o espectro em freqüência do sinal x
plot(abs(X));
title('Resposta em
freqüência do sinal amostrado');
figure(3); %Plota a seqüência de números aleatórios
stem(a);
title('Seqüência de
números aleatórios');
figure(4); %Plota o sinal espalhado
plot(x_aleat1);
title('Sinal
espalhado em função do tempo');
figure(5); %Plota o espectro em freqüência do sinal espalhado
plot(abs(X_aleat1));
title('Resposta em
freqüência do sinal espalhado');
figure(6); %Plota o sinal recuperado
plot(x_rec1);
title('Sinal
recuperado em função do tempo');
figure(7); %Plota o espectro em freqüência do sinal recuperado
plot(abs(X_rec1));
title('Resposta em
freqüência do sinal recuperado');
figure(8); %Plota o sinal não recuperado
plot(x_rec2);
title('Tentativa de
recuperação do sinal em função do tempo');
figure(9); %Plota o espectro do sinal não recuperado
plot(abs(X_rec2));
title('Resposta em
freqüência do sinal a ser recuperado');
%--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
%TOCA O SOM DO SINAL
ORIGINAL, DO SINAL RECUPERADO E DO SINAL NÃO-RECUPERADO
%--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
pause(5);
sound(x);
pause(5);
sound(x_rec1);
pause(5);
sound(x_rec2);
8.1.
Figuras da Simulação
Figura 1
Figura 2
Figura 3
Figura 4
Figura 5
Figura 6
Figura 7
Figura 8
Figura 9
9. conclusÃo
O CDMA é uma forma de espalhamento de espectro. Ele funciona como
um “embaralhador”. Como as vozes são codificadas em bits, cada conversa recebe
um código “embaralhador” e é misturada com outras conversas,
cada uma com seu código “embaralhador”. Na outra extremidade da conversa,
o mesmo código é “desembaralhado”, sendo convertido novamente em voz. Para o
usuário praticamente não existem diferenças. A comunicação é praticamente sem
ruído em ambos os sistemas e os serviços adicionais são os mesmos.
Existem várias técnicas de modulação
que geram um sinal de espectro espalhado, as principais são: Seqüenciamento Direto de Espectro Espalhado;
Espalhamento de Espectro por Deslocamento de Freqüência; Espalhamento de
Espectro por Deslocamento de Tempo e Modulação híbrida.
10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]
www.spreadspectrum.cjb.net;
[2]
www.qsl.net/py6tl/speed_spectrum.htm;
[3]
www.gta.ufrj.br/~flavio/commovel/CDMA.htm;
[4] www.comsoc.org/pubs/surveys - An Overview of
CDMA Evolution Toward Wideband CDMA;
[5] www.li.facens.br/eletronica;
[6] www.eee.ufg.br/~1guedes/cm/cm1-3.htm;
[7]
http://www.gta.ufrj.br/~flavio/commovel/CDMA.htm;
[8]
http://www.geekbrasil.com.br/apostilas/link.asp?DownID=324;
[9]
http://www.inf.unisinos.br/~roesler/disciplinas/comunicdados/aula15/spreadspectrum.pdf.