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Praktikum 7: Spread Spectrum - Technik

1. Ziele Aus ursprünglich militärischen Zielen zur Tarnung von Signalen hat sich unter dem Namen Spread Spectrum Technique (SST) eine erfolgreiche Modulationsform entwickelt. Die Idee dahinter ist so einfach wie das Streichen eines Butterbrotes: Verteilt man die Signalenergie nach einem bekannten Muster über eine sehr grosse Bandbreite, viel grösser als für die Kommunikation selber notwendig wäre, so verschwindet dessen Spektrum im Rauschen. Nur derjenige der Kenntnis hat über die Art des Verschmierens ist in der Lage alle Komponenten wieder richtig zusammenzufügen und die Nachricht aus dem Rauschen zu empfangen. Als Schlüssel dienen so genannte Pseudo Random Noise Codes (PRN, PN) welche eine hohe Bitrate aufweisen, Chiprate genannt, und zum Nutzsignal Modulo-2 addiert (EXOR Verknüpft) werden. Dadurch wird das Nutzsignalspektrum auf dasjenige des PN-Codes aufgeweitet. Man nennt diese Modulation Direct Sequence (DS). Die so codierten Bits werden dann auf einen Träger moduliert, meist BPSK, DPSK. Im Empfänger wird ein Matched Filter bzw. Korrelator eingesetzt, der diese Aufweitung (Spreizung, englisch Spread) wieder eliminiert. Beim Korrelator wird das Empfangssignal mit einer synchronisierten Version der PN-Sequenz multipliziert und so die Spreizung aufgehoben (despreading). Die Grundlagen und Eigenschaften der DS SST sollen in diesem Praktikum erfahren werden. Bekannte Anwendungen findet man bei GPS, beim amerikanischen Mobilfunksystem CDMA und bei Wideband UMTS. Das GPS Signal ist ohne Kenntnis des Codes und präziser Korrelation mit keinem Messinstrument im Rauschen zu finden. DS-SST hat bemerkenswert gute Eigenschaften im Mehrwegkanal, es lassen sich Ausbreitungswege mit unterschiedlichen Laufzeiten trennen und einzeln empfangen.

2. Lektüre vor dem Praktikum Wer sich für die Geschichte und Details der Spread Spectrum Technik interessiert, findet hier eine gute Quelle: http://sss-mag.com/shistory.html

3. Warm-up Lesen sie die Abschnitte LFSR Generator Implementation und M-Sequence Properties und Tables of M-Sequencies in [3] oder von der NTM1 Webseite und finden sie folgende Angaben heraus:

• Welche funktionellen Logikbausteine brauchen sie für die Nachbildung eines R7 PN-Generators nach Fibonacci?

• Wieviele Maximallängen Sequenzen zu R7 gibt es? Welche benutzen nur 2 Taps? • Wie lang ist die Chipfolge bis sie sich wiederholt? • Wie lang ist der längste „1“ Lauf innerhalb der Sequenz?

Skizzieren sie die Autokorrelationsfunktion mit den wesentlichen Grössen angeschrieben.

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4. Praktischer Teil

4.1. Bau eines PN-Generators mit optimalen AKF-Eigenschaften

Überlegen sie sich den Aufbau eines Maximallängen R7 Generator nach Fibonacci. Wahl Taps [7, 4] oder [7, 6]. Logik für Modulo-2 Additionen mit EXOR oder EXNOR, je nach Schieberegister Typ. Z.B. für 4015 passend zur Reset Funktion mit EXNOR. Benutzen sie dafür CMOS Bausteine. Für einen Aufbau beachten sie, dass zwingend alle nicht genutzten Eingänge auf Masse liegen müssen. Um den Generator funktionstüchtig zu machen muss mindestens 1 Schieberegister mit einer 1 gefüllt werden. Dazu dient ein im Falle von EXNOR der Impulsschalter gemäss Schema, der die Schieberegister zurücksetzt. Es.stehen für den Versuch vorbestückte Boards mit 3 Sequenzen zur Verfügung nämlich R7 mit umschaltbarer Rückkopplung [7/6] oder [7/4] sowie R8 mit [8/4/3/2].

Fig. Schema als Beispiel für einen 28-1 Chip PN Generator R8 Speisespannung ist nominell 10 V. Lassen sie den Generator mit 1 MHz Clock (Chiprate) laufen und beobachten sie die Sequenz mit dem Oszilloskop. Versuchen sie die längste „1“ Sequenz zu finden und bestimmen sie die Anzahl Chips bis zur Wiederholung. Bestücken sie den Ausgang der Treiber Inverter 4049 mit einem Widerstandsteiler und Koppelkondensator gemäss Schema um auch mit dem 50 Ω Lasten (z.B. Spektrumanalyzer) messen zu können. Es sollte sich ca. 150 mVp ( -6 dBm) an 50 Ω und DC frei einstellen um als IF-Signalpegel im Mischer keine zu grossen Intermodulation zu erzeugen. Bei CMOS kann die Speisespannung und der Clock Pegel von 5 V bis auf 15 V verändert werden, falls zu wenig oder zuviel Pegel anliegt.

1 Vp (10 dBm)

150 mVp (-6 dBm)

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Fig. Messanordnung zur Untersuchung PN-Sequenzen R7 und R8 Nun mischen wir das gespreizte Signal auf einen RF Träger (BPSK Modulation). Verbinden sie den PN-Generator mit dem niedrigen Driver Ausgangssignal mit dem Mischer IF- Eingang. Als LO wählen sie am RF-Generator 20 MHz mit +7…+ 10 dBm Pegel je nach Mischertyp. Betrachten sie das Spektrum für R7 und R8 mit den folgenden Einstellungen: a) fcenter = 20.0 MHz, Span 10 MHz und Span 3 MHz Bestimmen sie die Null zu Null Bandbreite des Signals und bringen es in Beziehung zu Chiprate. b) fcenter = 20.0 MHz, Span = 100 kHz Bestimmen sie den Abstand der einzeln aufgelösten Linien und bringen es in Beziehung der Wiederholfrequenz der Sequenz. Ev. muss dazu am Spektrumanalyzer die Bandbreite manuell verringert werden.

4.2 Spread Spectrum Modulation und Demodulation

Nun da der Spread Spectrum Generator läuft soll eine einfache Spread Spectrum Verbindung aufgebaut werden. Arbeiten sie mit der m-Sequenz der Länge 255 chip. In der Praxis wird oft BPSK als Modulation des RF-Trägers genutzt und die Daten mit der PN-Sequenz EXNOR verknüpft. Dies bewirkt, dass einfach die PN-Sequenz für eine logische „0“ bei den Daten invertiert auf den Mischer schaltet. Anders ausgedrückt entspricht dies einer Modulo-2 Addition der PN-Sequenz mit den Datenbits. Die Datenbits werden synchron mit der PN-Sequenz erzeugt und zwar genau 1 Bit pro Sequenzlänge. Der Einfachheit halber nehmen wir an, es werde nur immer eine logische „1“ übertragen, was also ohne Spreizung einem kontinuierlichen Cosinus-Trägersignal ohne Modulation durch Daten entspricht. Einstellung Spektrumanalyzer wieder auf 2…10 MHz Span. Bandwidth setzen auf 3 kHz (< Repetitionsrate Codesequenz). Marker auf Peak setzen.

1 MHz 10 V

20 MHz 7…10 dBm

150 mVp

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Fig. Aufbau und Messanordnung DS-SST Übertragung für Abschnitte 4.2 und 4.3 Verbinden sie den Mischerausgang, das zu übertragende RF Signal also, mit dem Empfängermischer. Als LO benutzen sie die PN- Sequenz selber, wie in obiger Fig. dargestellt. Benutzen sie dazu den zweiten CMOS Driver Ausgang für den LO mit dem Pegel von 7… 10 dBm. Je nach verfügbarem Mischer muss meist das IF- Port als LO- Port benutzt werden, da es als einziges den Frequenzbereich bis DC abdeckt. Den Mischerdioden ist das in erster Näherung egal. Da nur immer eine „1“ übertragen wird, also die Sequenz nie invertiert empfangen wird, müsste nach erfolgreichem Despreading mit derselben Sequenz und vollständig synchronisiert ein unmoduliertes Trägersignal mit der Frequenz 20.0 MHz am Mischer Ausgang anliegen. Wäre im Sender mit Daten moduliert worden, so könnte jetzt eine ganz normale BPSK Demodulation stattfinden.

4.3 Schmalbandstörer

Nun wollen wir mal die Verbindung zusätzlich mit einem schmalbandigen Störsignal mit gleichem Pegel wie das Nutzsignal belegen. Über einen Splitter addieren wir ein Sinussignal mit Frequenz 19.8 MHz mit Pegel -13 dBm (-6 dBm + Mischer Loss). Beobachten sie das Summensignal auf dem Kanal mit dem Spektrumanalyzer. Span 2…10 MHz. Bandwidth 3 kHz! Beobachten sie nun das despreaded Signal mit dem Spektrumanalyzer mit der gleichen Einstellung. Was ist mit dem Störer passiert ? (Für eine Beobachtung mit dem KO brauchen sie noch einen 20 MHz Tiefpass). Ein- und Ausschalten der beiden Signale am Splitter hilft bei der Identifikation. Versuchen sie das Processing Gain zu messen und mit 10 log (255) = 23 dB zu vergleichen.

Coax

Coax

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Fig. Spreizung eines Schmalbandstörer in DS- SST Link

4.4 Code Division Multiple Access

2 Gruppen zusammen durchführen: Ist die Übertragung gelungen, so benutzen sie den Code Generator einer andern Gruppe eingestellt mit anderer m-Sequenz derselben Länge für den Empfänger. Sie spielen also einen Empfänger eines anderen Benutzers. Wie sieht das Ausgangssignal im Spektrum nun aus? Addieren sie ihre beiden auf den Träger modulierten PN-Sequenzen mit einem Power Splitter im Kanal und despreaden das Summensignal mit einem der beiden Codes. Beobachte sie wiederum das Spektrum. Genau so werden bei SST mehrere Benutzter im selben, sonst doch sehr verschwenderisch genutzten Frequenzband untergebracht. Man nennt diese Zugriffsart CDMA = Code Division Multiple Access.

Fig. Aufbau und Messanordnung DS-SST Übertragung für Abschnitte 4.4

Filter

Coax

Coax

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4.5 Weiterführende Themen:

GPS-Mode: Signal im Rauschen begraben mit Hilfe von Attenuator und ev. zusätzlich einer Rauschquelle, so dass mit dem Spektrumanalyzer gerade nichts mehr zu sehen ist von der PN-Sequenz. Im Empfänger nach dem Despreading sollte das Signal wieder auftauchen, etwa 20 dB über dem Rauschpegel

Fig. Nutzsignal vergraben im Empfangsrauschen

AKF: Baue einen gleichen zweiten PN-Generator auf, der mit leicht versetzter Taktfrequenz arbeitet. Die Versetzung sollte so gewählt sein, dass max. 0.5 Chip Verschiebung pro PN-Länge resultiert. Mit einem Integrator realisiere man nun einen so genannten Sliding Correlator und betrachte das Resultat am Oszilloskop. Alternativ beobachte man ohne Integrator die AKF (streng genommen KKF) am Spektrumanalyzer an Hand des Pegels des Trägersignals. ∆f = 10 Hz ca. alle 20 s für 100 ms Synchronität für die 255 Sequenz.

5. Literatur:

[1] R.C. Dixon, Spread Spectrum Systems, John-Wiley & Sons, 1984 [2] http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/an_pk/1890/ [3] http://www.newwaveinstruments.com/resources/articles/m_sequence_linear_feedback_shift_register_lfsr.htm

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Anhang A DS- SST Prinzip

Block Diagram Direct-Sequence Spread Spectrum Modem

Bandwidth Spreading Process in Transmitter and Processing Gain G = Ts/Tc

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Anhang B Datenblatt Auszug

HEX Inverter Driver CD4049