Dr. Moshe Ran- Spread Spectrum 1 מבוא לתקשורת רחבת סרט (Introduction to Spread Spectrum) ד"ר משה רן מצגת זו תכלול כנראה דיון של הקהל, אשר יביא ליצירת פריטי פעולה. השתמש ב- PowerPoint כדי לעקוב אחר פריטי פעולה אלה במהלך המצגת. בהצגת שקופיות, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני. בחר באפשרות “מפקח הישיבות”. בחר בכרטיסיה “פריטי פעולה”. הקלד את פריטי הפעולה כאשר הם מופיעים. לחץ על אישור כדי להסיר תיבה זו. פעולה זו תיצור אוטומטית שקופיות לפריטי פעולה בסוף המצגת, והנקודות שהעלית יוזנו בתוכה. כל הזכויות שמורות לחברת MostlyTek Ltd. אין לצלם, לשכפל או להעתיק בכל צורה שהיא ללא קבלת אישור בכתב מד"ר משה רן Chapter 1b

Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum 2 נושאי לימוד פרק 1מבוא הסטורי לטכניקות Spread Spectrum הרחבת ספקטרום – לשם מה? חזרה- מושגי יסוד ועקרונות של מערכות תקשורת ספרתיות; רעשים והפרעות במערכות תקשורת, דרישות מערכתיות על התקשורת, השוואת שיטות אפנון ספרתיות, יעילות ספקטרלית. פרק 2 מבוא למערכות מרחיבות סרט (Spread Spectrum) - : קונספט ומודלים למערכות מרחיבות סרט; שיטות הרחבת סרט המבוססות על הרחבה ישירה DS)) דילוגים בזמן TH) ) דילוגים בתדר (FH) פרק 3 סדרות קוד למערכות מרחיבות סרט - LFSR, Gold Sequence, Walsh פרק 4* ביצועים של מערכות עם הרחבת סרט ישירה (DS); ביצועים של מערכות עם דילוגי תדר (FH) ; שיטות גילוי, עקיבה וסנכרון של אותות Spread Spectrum פרק 5* קודים לתיקון שגיאות, ביצועים של מערכות Spread Spectrum עם קודים לתיקון שגיאות, אלגוריתם Viterbi פרק 6 עקרונות CDMA בתקשורת תאית פרק 7 שימושים ואפליקציות של מערכות Spread Spectrum : מערכות UWB 8 שו"ת

Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum דרישות מערכתיות על התקשורת הספק משודר P t, הספק נקלט P r קצב המידע [bps] r b רוחב סרט [Hz] B הסתברויות שגיאה BER, PER יחס אות לרעש SNR יחס אות לרעש מנורמל (לביט) במערכת עם קידוד ערוץ ו R=k/n, יחס אות לרעש לביט מידע מוגדר ע"י: קצב המידע בו ניתן לתמוך, והסתברויות שגיאה – נקבעים ע " י : הספק ממוצע של אות משודר, רוחב סרט, סטטיסטיקה של הערוץ

Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum 4 דרישות מערכתיות על התקשורת 1. נרצה להביא r b למקסימום 2. להביא BER למינימום 3. להקטין למינימום את P r לחליפין להקטין את E b /N 0 למינימום 4. להקטין למינימום את הדרישות לרוחב סרט B 5. להביא לניצול מקסימלי של משאבי המערכת : לספק תקשורת אמינה לכמה שיותר משתמשים עם " חסינות להפרעות " 6. להקטין את סיבוכיות מימוש המערכת ובזה את " המחיר הכולל " שלה

Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum 5 אילוצים מערכתיים ותאורטיים 1. רוחב סרט Nyquist : לשלוח r s פולסים לשניה ללא ISI צריך רוחב סרט מינימלי בפס בסיס של Hz r s /2 2. משפט קיבול ערוץ של Shannon 3. אילוצים של תקינה Regulation של שימוש בספקטרום 4. מגבלות טכנולוגיות של מימוש : מימוש המקלט ושיטות הגילוי ( קוהרנטי / לא קוהרנטי / דפרנציאלי, פענוח עם החלטה קשה / רכה, פענוח sequential מול פענוח symbol-by-symbol) 5. דרישות מערכתיות נוספות

Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum 6 הספק אות משודר, הספק אות נקלט הספק ממוצע של אות משודר - [W] P t הספק אות נקלט [W] P r הספק ואנרגיה של אות x(t) - הגדרות מתמטיות: G t, G r Antenna Gain of Tx, Rx, L TOT Path Loss and other losses in the system X(t) נקרא אות הספק ; אות אנרגיה אם בהתאמה P;E סופיים ואינם 0

Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum 7 קצב מידע r b אנרגיה לביט מידע E b T b bit duration [sec] r b = 1/ T b information rate [bps] E b = P T b Energy per bit [Joule] בתקשורת ספרתית – הגודל חשוב לקביעת ביצועים הוא היחס /N 0 E b בתקשורת אנלוגית מתענינים ב P/N אותו נסמן גם S/N

Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum 8 רוחב סרט - Bandwidth 1.הגדרה "מתמטית" : רוחב סרט אבסולוטי של אות הוא תחום התדרים בו ספקטרום האות אינו מתאפס. הגדרות הנדסיות לרוחב סרט אותות RF 2. רוחב סרט עם נחות של D db :

Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum 9 ) רוחב סרט - Bandwidth המשך ( 3. רוחב סרט המכיל p% מהספק האות 4. רוחב סרט שקול לרעש

Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum 10 הסתברות שגיאה P b, BER = average Bit Error Rate, P m PER = average Packet Error Rate or message error rate, For Fading Channels – Outage Probability is the preferred criteria: Pr (BER > T) Probability that the BER will exceed a specified threshold, OR Pr (PER > T) Probability that the PER will exceed a specified threshold אם הודעה מכילה k ביטים, וכן 1 >>kP b

Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum 11 יחס אות לרעש SNR הערה : הספק ממוצע של אות נקלט ירשם בד " כ ע " י האות P=P r אולם גם לפעמים נרשום S בעיקר בחישובי יחס אות לרעש. קצב ביטים של מידע מקורי r b קשר בסיסי בין SNR ליחס אות לרעש מנורמל יחס אות לרעש מנורמל בקליטה – תלוי אך ורק בקצב הביטים - r b וביחס בין הספק נקלט P לצפיפות ספקטרלית של הרעש. גודל זה אינו תלוי – במודולוציה, או בשיטת הקידוד לתיקון שגיאות.

Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum 12 המשך נוסחאות היחס  = r b /B נקרא Bandwidth Efficiency ( או גם Spectral Efficiency ) של סכמת האפנון - [bps/Hz]. עבור אפנון M-ary כאשר וקוד לתיקון שגיאות עם קצב R

Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum יעילות ספקטרלית מול יעילות הספק קידוד ערוץ עם רעש – ערוץ AWGN נניח שולחים אות עם הספק ממוצע P דרך ערוץ רציף ברוחב סרט B (Hz) ורעש מתחבר לבן AWGN עם הספק ממוצע N מתווסף לאות. אזי – C קיבול הערוץ (=קצב מקסימלי של העברת אינפורמציה בערוץ) ) Shannon – משפט 17( משפט קידוד ערוץ במקרה של ערוץ רציף AWGN ואילוץ רעש ממוצע בערוץ N =N 0 B N 0 noise PSD (one sided)

Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum 14 דוגמא : חשב את יחס אות לרעש לביט מידע E b /N 0 המינימלי הנדרש למערכת תקשורת המעבירה מידע בערוץ גאוסי רציף, בהנחה שמתקיים B>>r b. קשר בין יחס אות לרעש ובין רוחב סרט ערוץ וקצב האינפורמציה r b כאשר r b מגיע למקסימום האפשרי C. שנון- קיבול ערוץ יחס אות לרעש מינימלי הנידרש לתקשורת ללא שגיאות בגבול, כאשר

Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum 15 Bandwidth – Efficiency Plane

Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum 16 Bandwidth Efficiency Plane הציר האנכי מתאר הנצילות הספקטרלית (Bandwidth Efficiency) הציר האופקי הוא יחס E b /N 0 ב dB גבול קיבול ערוץ הוא הערך בו מתקיימת המשוואה מיפוי שיטות האפנון השונות בנקודת עבודה של – BPSK, QPSK אותו E b /N 0 אך ל QPSK נצילות ספקטרלית 2 בעוד של BPSK נצילות 1 –לשיטת M-PSK נצילות ספקטרלית גדלה מונוטונית עם M – M-QAM שיטה הכי יעילה מבחינת נצילות ספקטרלית –לאורך קוו 1 (אופקי-ימין) מגדילים E b /N 0 ומקטינים BER - r b /B קבוע –לאורך קוו 2 (אנכי-יורד) מקטינים נצילות ספקטרלית לשיפור BER - E b /N 0 קבוע –לאורך קוו 3 (אלכסון עולה) - משפרים נצילות ספקטרלית ע"ח הגדלת E b /N 0 BER נשמר קבוע. מערכות מעשיות רחוקות ב כ 10dB מהגבול של קיבול ערוץ...!

Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum 17 Bandwidth Efficiency Plane שני המשאבים – P הספק משודר, רוחב סרט B יכולים להיות משמעותיים במערכות תקשורת. מערכת מוגבלת הספק : נרצה להקטין למינימום את ההספק המשודר ( דוגמא : ערוץ לווין ). תנועה במישור נצילות ספקטרלית : אנכי למטה ( קוו 2) אוו אלכסון יורד ( קוו 3). הגרף תלול – לכן הקטנה מזערית ב E b /N 0 מחייבת הקטנה דרסטית ב r b /B מערכת מוגבלת רוחב סרט : נרצה להגביל למינימום את רוחב הסרט המוקצה לשידור. הדרך : להשתמש במודולציות עם M רמות המעבירות log 2 M סיביות מידע במשך T שניות ככל ש BT קטן יותר הנצילות הספקטרלית גדלה

Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum 18