8. TECHNIKI ROZPRASZANIA WIDMA


  W przeciwieństwie do normalnej praktyki stosowanej w radiokomunikacji, polegającej na ograniczeniu szerokości pasma przenoszenia do minimalnej wartości niezbędnej dla danego rodzaju modulacji, w technice rozpraszania widma mamy do czynienia ze świadomym poszerzaniem pasma do wartości przekraczających pasmo oryginalne o wiele rzędów wielkości. Na pierwszy rzut oka poszerzanie widma sygnału powyżej niebędnego minimum może się wydać dziwne. Normalnie dąży się przecież do ograniczenia wpływu szumów i zakłóceń przez zawężanie pasma przenoszenia odbiorników. Można jednak wykazać matematycznie, że poszerzanie widma sygnału daje zwiększenie marginesu odporności na zakłócenia w stosunku odpowiadającym w przybliżeniu stopniowi poszerzenia pasma (jest to tzw. zysk przetwarzania). Widać stąd, że stosunki te muszą być bardzo duże dla uzyskania rezultatów liczących się w praktyce. Np. dla poprawy odporności sygnału na zakłócenia o około 40 dB konieczne jest rozproszenie pasma 10000 razy. Sygnał o szerokości pasma 5 kHz zajmowałby w takim przypadku pasmo 50 MHz. Jak widać z powyższego przykładu, techniki rozpraszania widma mogą być stosowane zasadniczo w zakresach UKF i mikrofalowych. W związku z mniejszą szerokością pasm krótkofalowych uzyskiwany zysk przetwarzania jest znacznie niższy.
    Dalszymi zaletami tego typu modulacji są: znaczne utrudnienie wykrycia stacji nadawczej dzięki zmniejszeniu spektralnej gęstości mocy, możliwość pomiaru odległości między odbiornikem i stacją nadawczą, zmniejszenie wpływu zaników selektywnych i niemożliwość odczytania informacji przez stacje dostosowane do odbioru klasycznych systemów modulacji, a także nie upoważnione stacje pracujące z modulacją rozpraszającą.
    Koncepcja rozpraszania widma powstała w USA jeszcze w czasie drugiej wojny światowej, ówczesny stan techniki nie pozwolił jednak na jej praktyczne zastosowanie. W chwili obecnej metoda ta stosowana jest nie tylko w dziedzinie wojskowej, ale i w takich dziedzinach cywilnych, jak łączność kosmiczna, a w przyszłości znajdzie zastosowanie w sieciach radiokomunikacji ruchomej. Na rynku pojawia się coraz częściej wyposażenie dla lokalnych sieci komputerowych pracujące na zasadzie rozpraszania widma i to przeważnie w paśmie przemysłowym 2,3 GHz. Urządzenia te mają niewielki zasięg np. kilkudziesięciu m. W USA przeprowadzane były także eksperymentalne łączności krótkofalarskie w zakresach KF (80 m) i UKF (50, 144, 220 i 440 MHz). Wymagało to jednak wydania specjalnych zezwoleń. O szerzej zakrojonych eksperymentach krótkofalowców europejskich nic narazie nie słychać. Osobiście znane mi są próby przeprowadzone przez jednego z krótkofalowców austriackich, w których wykorzystał on standardowe kontrolery sieciowe pracujące z rozpraszaniem widma i po dołączeniu do nich anten zewnętrznych uzyskał zasięg kilkunastu km w paśmie 2,3 GHz.

8.1. PODSTAWY TEORETYCZNE

    Teoretyczne podstawy techniki rozpraszania widma opracował Shannona w wyniku analizy przepustowości kanału w obecności zakłóceń. Wyniki analizy można przedstawić w najprostszy sposób za pomocą następujących zależności. Oznaczmy moc nadajnika użytecznego wyrażoną w watach przez S, moc nadajnika zakłócającego, również wyrażoną w watach - przez J, szerokość pasma kanału wyrażoną w Hz - przez W i szybkość transmisji danych w Hz - przez R. Dla powiązania z powszechnie stosowaną jednostką szybkości bit/s należy pamiętać, że 1 Hz odpowiada szybkości transmisji 2 bit/s (w przypadku transmisji informacji składającej się naprzemian z zer i jedynek dwa kolejne bity składają się na jeden okres fali prostokątnej). Korzystając z powyższych oznaczeń otrzymujemy:
gęstość energii sygnału zakłócającego 
No = J / W [W/Hz]
energię sygnału użytecznego/bit 
Eb = S / R [Ws]
Stosunek sygnału do zakłóceń wyrażony jest więc przez: 
Eb   S W
-- = -----
No   J R
Shannon wykazał również, że stopa błędów transmisji jest odwrotnie proporcjonalna do stosunku poziomu sygnału do zakłóceń.Po przekształceniu równania otrzymujemy wzór wyrażający margines odporności na zakłócenia: 
J     W/R
-- = -----
S     Eb/No
    W systemach konwencjonalnych szerokość pasma kanału (W) jest równa R w transmisji SSB lub jej wielokrotności dla innych metod modulacji, np. dla modulacji AM - wynosi 2R. Stosunek W/R jest więc stała zależną od przyjętego sposobu modulacji. Uzyskanie pożądanego marginesu odporności na zakłócenia wymaga więc zapewnienia dostatecznego stosunku sygnału do zakłóceń. W technice rozpraszania widma przyjęto odwrotny sposób postępowania. Wzrost marginesu odporności na zakłócenia uzyskiwany jest przez odpowiednie zwiększenie występującego w liczniku wzoru stosunku W/R, czyli w praktyce przez wzrost szerokości pasma przenoszenia. Przy założonym stosunku Eb/No (a więc i ustalonej stopie błędu) zysk przetwarzania wyraża się wzorem: 
Gp = W/R
Może on być także wyrażony w decybelach: 
Gp'= 10 log W/R [dB]
    W rzeczywistych systemach należy od tej wartości teoretycznej odjąć straty w układach i pożądany stosunek sygnału do zakłóceń na wejściu demodulatora (zależny od jego konstrukcji i rodzaju demodulacji). Powracając do zacytowanego na wstępie przykładu sygnału modulującego o szerokości pasma 5 kHz i rozproszonego widma o szerokości 50 MHz otrzymujemy zysk przetwarzania równy 40 dB. Przy założeniu strat wynoszących 3 dB i pożądanego stosunku sygnału do zakłóceń na wejściu detektora 1 dB otrzymujemy efektywny margines wynoszący 36 dB. Oznacza to, że sygnał zakłócający na wejściu odbiornika może być o 36 dB silniejszy od sygnału użytecznego (ok. 5000 razy). Przykład ten obrazuje z jednej strony możliwości systemu, z drugiej rzędy wielkości potrzebnych w tym celu szerokości pasma.
    Widmo rozproszone uzyskiwane jest przez dodatkową modulację zmodulowanej wąskopasmowo nośnej. W praktycznych zastosowaniach radiokomunikacyjnych stosowane są dwa rodzaje modulacji rozpraszającej:
1) modulacja z szybkim kluczowaniem fazy dokonywana w modulatorze zrównoważonym znajdującym się na wyjściu nadajnika (ang. direct sequence, skrót DS). Dwustanowe kluczowanie fazy fazy BPSK jest obecnie najczęściej metodą kluczowania fazy,zasadniczo jednak możliwe jest użycie bardziej złożonych metod kluczowania, np. QPSK.
2) modulacja z szybkim lub powolnym wielowartościowym kluczowaniem częstotliwości - skokiem częstotliwości (ang. frequency hopping, w skrócie FH).
    Odmianą drugiego sposobu jest liniowy przesuw częstotliwości (liniowa modulacja częstotliwości, w skrócie LFM).
    Analogicznie do modulacji rozpraszającej dokonywana jest demodulacja. Generatory sygnałow po obu stronach muszą być ze sobą dokładnie zsynchronizowane. Jest to jeden z najtrudniejszych problemów w systemach rozpraszania widma. Sprawa synchronizacji jest omówiona w dalszej części rozdziału.

Wydanie z dn. 20.03.1999.

© Prawa autorskie Krzysztof Dąbrowski, OE1KDA.