Metode de Sincronizare și Modulație

1.1. Prezentare generală

De la începuturile comunicaţiei pe unde radio, în special în domeniul comunicaţiilor militare s-a urmărit realizarea unor sisteme de transmisiuni cât mai putin sensibile la orice tip de perturbaţii fie ele naturale sau artificiale.

Astfel, în anii 80 în SUA (atunci au apărut şi primele lucrări în domeniu) s-a conceput o primă generaţie de sisteme de transmisiuni cu spectru împrăştiat (SSI). În cadrul acestor cercetări s - a dezvoltat tehnologia semnalelor cu spectru împrăştiat pentru comunicaţii digitale, folosite în scopuri militare, atât pentru a da rezistenţa împotriva interceptarilor inamice cât şi pentru a ascunde semnalul transmiţându-l la puteri mici, astfel făcându-l dificil pentru un ascultator neavizat să detecteze prezenţa sa în zgomot, sau să facă posibil pentru mai multe terminale să comunice pe acelaşi canal.

Pornind din acest punct multe alte ţări şi firme au finanţat numeroase programe de cercetare ceea ce a dus la generaţia de sisteme de comunicaţie cu spectru împrăştiat ce există pe piaţă şi se dezvoltă astăzi.

Spre deosebire de SSI cercetarea în domeniul sistemelor de comunicaţii pe purtătoare haotică a luat amploare abia în ultimul deceniu.

Acest tip de sistem poate apărea ca o soluţie la creşterea explozivă a pieţei în domeniul comunicaţiilor personale (mai ales în domeniul civil), al cărei scop este posibilitatea transmiterii semnalelor vocale sau a datelor între staţii mobile. Pentru a asigura acest tip de servicii, sunt necesare legături radio pentru un număr mare de terminale în zone dens populate folosind acelaşi canal de comunicaţii. Utilizarea de catre mai multe sisteme de comunicaţie a aceluiaşi canal fizic a fost denumită acces multiplu.

1.2. Generalităţi cu privire la accesul multiplu

Astfel, dacă diverşi utilizatori transmit semnale informaţionale pe acelaşi canal fizic, atunci fiecare receptor corespondent trebuie să fie capabil să-şi separe semnalul care îi este destinat din amestecul cu celelalte semnale informaţionale şi a perturbaţiilor introduse de canal.

Separarea căilor este realizată prin intermediul semnalelor ortogonale. Două semnale xi(t) şi xj(t) sunt ortogonale dacă:

(1.1)

unde prin Xi() şi Xj() s-au notat transformatele Fourier ale semnalelor xi(t) şi xj(t).

Astfel se observă că ortogonalitatea poate fi îndeplinită în mai multe feluri:

a) În domeniul timp, dacă semnalele xi(t) şi xj(t) sunt diferite de zero doar în intervale de timp disjuncte, atunci integrala din domeniul timp din relaţia de mai sus se anulează. Această proprietate permite realizarea accesului multiplu cu diviziune în timp (Time Division Multiple Access - TDMA).

b) În domeniul frecvenţă, dacă spectrele Xi() şi Xj(), corespunzătoare celor două semnale xi(t) şi xj(t), nu se suprapun în domeniul frecvenţă, adică, spectrele sunt diferite de zero doar pe suporturi diferite de frecvenţă. Această proprietate permite realizarea accesului multiplu cu diviziune în frecvenţă (Frequency Division Multiple Access - FDMA).

c) Diviziunea în cod.

În acest caz, semnalele xi(t) şi xj(t) se pot suprapune în timp şi/sau în frecvenţă, însă, integralele lor de convoluţie sunt nule. Adică, la recepţie, utilizatorul avizat va compara prin corelaţie semnalul recepţionat cu cheia sau codul folosit şi de corespondent la emisie. În acest caz, integrala de convoluţie are o valoare mult mai mare decât în cazul altor utilizatori (pentru care, în mod ideal corelaţia este nulă).

Utilizatorii sunt separaţi (la emisie şi la recepţie) prin asignarea lor (distinctă) la un set de coduri ortogonale, care sunt alese pentru a utiliza eficient resursele canalului. Acest mod de abordare este cunoscut ca tehnica accesului multiplu cu diviziune în cod (Code Division Multiple Access - CDMA).

O caracteristică a sistemelor ce utilizează tehnica CDMA este faptul că ocupă o bandă de frecvenţe care este mult mai largă decât ar fi cea necesară pentru semnalele informaţionale, acest lucru fiind compensat de accesul multiplu.

Datorită numărului mare de utilizatori, apare mai importantă problema limitarii interferenţelor între terminale decât a zgomotelor naturale din canal. Cea mai bună strategie în acest caz, unde fiecare utilizator apare ca o interferenţă pentru orice alt utilizator, este de a transforma fiecare semnal transmis pe linie să arate ca un zgomot Gaussian.

Sunt două posibilităţi prin care un semnal poate fi transformat pentru a arăta ca un zgomot de bandă largă şi anume: prin “împrăştierea” fiecărui simbol folosind o secvenţă pseudoaleatoare (principiul de bază al sistemelor SSI) pentru a mări lărgimea benzii semnalului transmis, sau prin a reprezenta fiecare simbol pritr-o formă de undă de “zgomot”.

Dar la aceste tipuri de sisteme apar limitări datorită caracterului periodic al secvenţelor PN, de numărul limitat al secvenţelor ortogonale, şi de natura periodică a purtătoarei. O altă problemă o reprezintă faptul că ortogonalitatea secvenţelor PN necesită sincronizarea tuturor secvenţelor de împrăştiere ce se folosesc în aceeaşi bandă de frecvenţă, adică întregul sistem ar trebui sincronizat.

În practică însă aşa ceva ar fi imposibil de realizat aşa încât la demodulare se foloseşte o funcţie de corelaţie ce face produsul între semnalul emis pentru un anume utilizator cu secvenţa PN proprie a receptorului destinaţie. Această operaţie este numită adunarea (spectrului), ţinând cont că multiplicarea cu semanlul PN la receptor are ca efect opusul operaţiei de împrăştiere de la emiţător.

A doua metodă expusă mai sus, ca o alternativă la semnalele cu spectru împrăştiat apare posibilitatea transmiterii unor secvenţe de tip zgomot, nu ca o sumă de funcţii periodice de bază, dar ca o sumă de funcţii haotice.

Sistemele dinamice deterministe sunt acele sisteme ale căror stări se schimbă în timp într-o formă deterministă. Ele pot fi descrise matematic prin ecuaţii diferenţiale sau ecuaţii cu diferenţe, depinzând dacă ele evolueză în timp continuu sau în timp discret.

Sistemele haotice au însă o evoluţie ulterioară care depinde foarte mult de condiţiile iniţiale, o eventuală perturbaţie în sistem determinând o schimbare foarte mare a parametrilor sistemului.

O proprietate a semnalelor haotice este faptul ca funcţia lor de autocorelaţie are un vârf în zero şi apoi scade foarte rapid. Astfel, semnalele haotice având o structură deterministă face posibilă generarea semnalelor haotice de tip zgomot şi utilizarea lor în comunicaţii, cel puţin teoretic.

Însă o problemă importantă o punea sincronizarea generatoarelor haotice, cel de la emiţător şi respectiv cel de la receptor. În lucrarea lui Pecora şi Carroll problema sincronizării celor două sisteme haotice fiind rezolvată, au apărut propuneri de sisteme bazate pe haos folosind diferite tipuri de modulaţii şi sincronizări.