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Spread Spectrum Techniques - MyWWW ZHAWkunr/NTM1/folien/Present_lec11...torpedo guidance. • It was...

Date post: 04-Feb-2021
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41
Spread Spectrum Techniques © Roland Küng, 2013
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  • Spread Spectrum Techniques

    © Roland Küng, 2013

  • 2

    Modulation und Bandbreite

    • Bei allen bisher betrachteten Diskussion über Modulationen haben wir uns auf den sparsamen Umgang mit Bandbreite konzentriert

    – Das Ziel war maximale Datenrate bei minimaler Bandbreite

    – Hohe spektrale Effizienz bei geringem Leistungsbedarf

    • Bei der Spread Spectrum Technik ist das Ziel die Bandbreite des Sendesignals massiv zu erhöhen

    – Wir werden sehen, dass dieser neue Denkansatz neue Vorteile bringt

    – Wichtige Anwendungen wie GPS, Bluetooth und CDMA Mobile Phone es nutzen

    Zufall Harmonie

    „Unterschied Bandbreite “

  • 3

    • Jamming radio controlled torpedos by the enemy was a discussed problem during WWII.

    • The reason was clear: It is a narrowband signal

    • In 1942 Hedy Lamarr and pianist George Antheil patented a “Secret Communication System”

    • Their scheme was for a frequency hoppingremote control for torpedo guidance.

    • It was not taken serious by US Navy

    • Instead she raised money for the warby selling kisses for 50’000$ a smack

    Eine schöne Technik Geschichte

    Hedy LamarrActress and co-inventor of frequency hopping spread spectrum

  • 4

    First spread-spectrum patent

    Piano Lochkarte

    Switched C-Bank für VCO

    SenderSender

    EmpfEmpfäängernger

    Synchron laufende Lochkarte

    Antrieb

    LO

    LO

  • 5

    1942 Patent for frequency-hopping “Secret Communications System”

    By changing the transmitter frequencies in a “random” pattern, the torpedo control signal could not be jammed.Lamarr proposed using 88 frequencies sequenced for control.

    Tonfolge zur Steuerung von Torpedos

    2011:Bluetooth 2.4 GHz uses 79 frequencies

  • 6

    • Ein Schmalbandsignal wird auf eine grosse Bandbreite gespreizt.• Sounds stupid…• 1. Grund: Schutz gegen Schmalbandstörer (Militär).• 2. Grund: Schutz gegen frequenz-selektives Fading (Mobilfunk)

    Grundidee Spread Spectrum

    DSDS

    FHFH

    code

    Zwei Verfahren:• Direct Sequence DS• Frequency Hopping FH

  • 7

    Spread Spectrum (DS & FH)

    „das Spektrum spreizen“

    „durchs Spektrum hüpfen“

    Beide benötigen Zufallsfolgen: � Pseudo Noise Sequenzen (PN)

  • 8

    PN- Sequenzen

    • Schieberegister mit Rückkopplung verwenden

    • Durch Vorgabe eines Anfangszustandes (seed value), kann für jedeRückkopplungsfunktion die ganze Sequenz bestimmt werden

    00102

    10011

    11007

    11106

    01115

    10114

    01013

    00102

    10011

    Q2

    Q1

    Q0

    D0

    CLK

    XOR Funktion mit dem Q1

    und Q2

    Inhalt

    Bits werden mit jedemTakt nach rechts geschoben

  • 9

    • Wahl: Ausgang sei das letzte Register

    • Die binären Elemente nennt man Chip, deren Takt die Chiprate

    CLK D0

    Q0

    Q1

    Q2

    1 1 0 0 1

    2 0 1 0 0

    3 1 0 1 0

    4 1 1 0 1

    5 1 1 1 0

    6 0 1 1 1

    7 0 0 1 1

    1 1 0 0 1

    2 0 1 0 0

    PN-Sequenz Ausgang: 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 . . .

    Die Sequence Länge beträgt m =7

    PN- Sequenzen

    Rückführungspolynom: (3,2)

    2

    3

    Code out

  • 10

    Eigenschaften: AKF/Spektrum

    m = 7

    Periodische Autokorrelationsfunktion AKF

    Chipdauer TCChiprate RCSequenzdauer TSSequenzrate RS

    ∫ τ+=τST

    0dt)t(f)t(f)(R

    TS

    TS

    TC = 1/RC

    Zoom in:

    Linienspektrum mit

    df = 1/TS =1/mTC(Praktikum 7)

    Spektrum

    1/TCDC sin(x)/x2/TC

    f

    |S|

  • 11

    m-Sequenzen

    • Einige Rückkopplungen führen zu maximal langen und statistisch best ausgewogenen Folgen mit allen n-Bit Zahlen ausser n Nullen

    • Man nennt diese Sequenzen m-Sequenzen

    Number of Shift

    Registers (n)

    Sequence Length

    XOR inputs

    3 7 2, 3

    4 15 3, 4

    7 127 6, 7

    8 255 4, 5, 6, 8

    10 1,023 7, 10

    16 65,535 4, 13, 15, 16

    32 4,294,967,295 10, 30, 31, 32

    12m n −=

    � Annähernd • DC-frei• ideale AKF:

    1 bei Verschiebung 0-1/m sonst

    � Einfache Erzeugung

    SequenzlSequenzläänge:nge:

  • 12

    Noch mehr Codes

    Gold Codes: Generierung aus zwei m-Sequenzen gleicher Länge aber verschiedene Rückführungs-Polynome und Seed Values. Länge m bleibt bestehen, AKF weniger ideal.

    Wozu? Möglichst viele Sequenzen mit guten KKF Eigenschaften gesuchtDies erlaubt mehreren Usern dieselbe Bandbreite zu benutzen

    KKF = Kreuzkorrelationsfunktionvon User f(t) und User g(t) sollte möglichst kleine Werte ergeben:

    ∫ τ+=τST

    0dt)t(g)t(f)(R

  • 13

    GPS als Beispiel

    Programmierbare Abgriffe: 3 & 8 � PRN31

    Sat 31

    First launch 1978 !

    Gold Codes mit m = 1023, Chiptakt = 1.023 MHz

  • 14

    Despreading = Korrelation

    • Im Empfänger wird die Zufallsfolge neutralisiert, wenn man Takt-synchron korreliert und p(t) = x(t) ist. Dies nennt man Despreading.

    • Dies ist das Matched Filter für das „Symbol“ PN-Code und somit optimal.• Es entsteht eine Dauer Eins am Ausgang (bzw. bei Modulation die Daten).

    Beispiel

    GPSGold Codem =1023 Chip

    x(t) AKF

    AKF: ∫ τ+=τST

    0dt)t(x)t(x)(R

    p(t)=x(t+τ)

  • 15

    Spreading Vorgang mit Daten

    Typisch Wahl:

    1 ganze PN Code Periode pro Bit

    � RS = RBRC

    RB

  • S(f)

    f

    Gp = 10·log(m)

    Spektren:

    Ohne Spread � Mit Spread

    2

    C

    C

    fT

    )fTsin(

    m

    1~

    π

    π

    16

    Spreading Vorgang Spektrum

    Processing Gain:

    mR

    R

    B

    BG

    B

    C

    NARROW

    DSSSP ===

    s(t)

    Null-zu-NullBandbreiten:

    Schaltung:

    B = 2 RS DSSS-Signal für Sequenzlänge m ���� B = m·2·RS = 2RC

    RC

    RS = RB

    BPSK-Signal

    Narrowband

    (Power Density)

    DSSS-Signal

    broadband

  • despread

    MFBit: B = RS

    DSSS Signalmit Rate RC

    BPSK Signalmit Rate RS

    Gp = 10·log(m)

    S(f)

    MFchip: B = m·RS = RC 17

    Despreading Vorgang

    Benötigt präzise Zeit-Synchronisation

    zum Sender !

    Austauschbar

    Option MF: Tiefpass Filter Beq =RS/2z.B. RBW Spec.Analyzer

    s(t)

    DespreadedSymbol

    MF Symbol & Decision

    f

    mR

    R

    B

    BG

    B

    C

    NARROW

    DSSSP ===

  • 18

    Warum kann man das GPS Signalam SA nicht sehen am Navi aber schon?

    Ideal SA: sinx/x Peak Level im Spektrum: -150 dBmResolution Bandwidth SA RBW = 1 kHzNoise kT·F·B: -174 dBm/Hz + 4 + 30 = -140 dBm

    � SNR Receiver Eingang: -10 dB

    Navi: Nach Korrelation: -120 dBm in Bandbreite B ≈ 1 kHz Noise kT·F·B: -174 dBm/Hz + 4 + 30 = -140 dBm

    � SNR Korrelatorausgang: +20 dB

    Anders formuliert im Zeitbereich nach Korrelator:Korrelation addiert die einzelnen Chip Spannungen kohärent� +6 dB pro Verdoppelung der Anzahl Chips

    Korrelation addiert das Rauschen nicht-kohärent, also Leistung �nur +3 dB pro Verdoppelung der Anzahl Chips

    S/N Gewinn von 3 dB pro Verdoppelung der Anzahl Chips

    Note: SA typ. -144 dBm/Hzschmalere Filter nützen nichts

    Typ. GPS RX Power: -120 dBm, Gp =10·log(m) = 30 dB

  • 19

    Warum kann man das GPS Signalvor der Korrelation nicht sehen?

    • Typ. receive level -120 dBm • 1023 chip sequence with 1.023 Mchip/s (2·Beq ≈≈≈≈ 1 MHz)• m-Sequence assumed: 10·log(m) = 30 dB• DSSS spectral peak: -150 dBm• Density floor -174 dBm/Hz • Noise level for 1 MHz bandwidth and NF = 4 dB: -114 dBm• SNR before despread: - 10dB• Despreading and averaging over 1ms (2·Beq = 1 kHz)• Signal spectral peak: -120 dBm• Noise level: -140 dBm• SNR after despread: + 20 dB

    kunr 2014

    Internal Receiver Noise Levels

    -140 dBm/1kHz-150 dBm

    Frequency [Hz]

    Signal Strength {dBm]

    -60

    -80

    -100

    -120

    -140

    GSM-102 dBm

    BT/WiFi-70 dBm

    Gp=10 log mDemodulated Signal

    -110 dBm/1MHz

    GPS Signal

    GPS-130 dBm

    -120 dBm

    (-120 dBm)

    1575.42 MHz ±±±± 1 MHz

  • 20

    Synchronisation DS: Korrelator

    Search Control stellt jede Phasenlage des PN-Codes relative zum Sender ein, auch in Bruchteilen von Chips

    Tacq = i⋅m2⋅h⋅Tc

    i : Inverse der Chip Auflösungh: Anteil der Gesamtkorrelationm: SequenzlängeTc: Chiptakt

    AkquisitionszeitAkquisitionszeit

    ∫chT

    0

    Note: typ. Werte sind h = m, i = 4

  • 21

    Tracking: Delay Locked Loop

    Despreading Correlator Output

    ½ Chip DLL

    + PLL Know-how, analog Regler- Stabilität und Geschwindigkeit bei Mehrweg

  • 22

    DSP Synchronisation DS: Matched Filter

    Tacq = m⋅Tc

    m : Sequenzlänge

    Tc: Chiptakt

    i: Inverse der Chip Auflösung

    Code Hi : bipolare Werte der PN-SequenzAbtastrate: i Sample pro Chip = i/TcFilterlänge: k = i⋅m

    + Schnelle Antwort, keine echten Multiplikationen (Code ±1)- Alle k Empfangssignal Samples sind abzuspeichern

  • 23

    DSP Synchronisation DS: Parallele Korrelation

    • Mehrere Verschiebungen der PN-Sequenz parallel vorhanden (1/i Chip Auflösung)• Receive Signal wird direkt Chip-weise verarbeitet

    Tacq = i·m2⋅h·Tc /L

    Praxis:Teil-parallel

    GPS Empfänger48 Korrelatoren parallel

    ∫chT

    0

    h: Anteil der Gesamtkorrelationm: SequenzlängeTc: Chiptakti: Inverse der ChipauflösungL: Anzahl Korrelatoren

    ∫chT

    0

    ∫chT

    0

    ∫chT

    0

    + Schnelle Antwort, analog (∫&D) realisierbar- Aufwand, alle Korrelationssummen abspeichern

    L = 2Nc= 2mi = 2

  • 24

    Mehr-armiger Korrelator:Acquisition -Tracking - Demodulation

    ……

    AKF liefert die Kanal Impuls Antwort

    Step1 Acquisition: AKF bilden zwecks Synchronisation

    Step2 Tracking/ Demodulation: Arme auf Mehrwegsignale setzen

    Multipath

  • 25

    • Ziel: Optimale Rückgewinnung der Energie aller Pfade anstatt Fading

    Microcellular Direct-Sequence Spread-Spectrum Radio System Using N-Path RAKE ReceiverIEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS NO. 5. JUNE 1990Authors: Kueng, Grob, Zollinger, Welti, Kaufmann, Switzerland

    Also described in Patent EP0361299

    PN Code

    SpreadSpectrumSignal

    NarrowbandTransmitter

    PN Code

    T1

    Demodulator

    Demodulator

    DataSignalProc.andScanner

    T1

    T8

    T8

    T - controli

    The RAKE Receiver

    RAKE RX with L=8 Arms

  • 26

    � Signale der Mehrwegausbreitung werden nach Laufzeit aufgelöst (Korrelation)� Jeder wesentliche Pfad wird einzeln demoduliert (RAKE)� Multipath Changes werden nachgeführt� kaum Fading, die ganze Energie kann genutzt werden!

    � Preis: Bandbreite >> Nutzsignal-Bandbreite: Tc

  • 27

    The RAKE ReceiverAcquisition - Tracking

    window with maximum energysteps of acquisition ����

    Delay [us]

    ......

    Position Estimation for TrackingE

    ne

    rgy

    [dB

    ]

    � Alle L Arme führen Suche über Codelänge einmal durch (Acquisition)� K Arme positioniert im max. Energiebereich demodulieren (Despread)� L-K Arme suchen und positionieren Window laufend neu (Tracking)

  • 28

    Radio Channel Propagation Effects

    I - axis delay [chips]

    Demodulators 1..4 Channel Impulse Response

    Example Multipath Combining (L=8)

    Manuell aus DIGSST Dir starten, Menü M mit Messungen Balzers

  • 29

    MIMO Multiple Input Multiple Output

    Falls stabile Mehrweg Situation mit unabhängigen Pfaden existiert:

    • Mehrere Sendeantennen und Empfangsantennen einsetzen• Datenströme parallel auf gleicher Frequenz zur gleichen Zeit senden• Empfänger misst Stossantworten und kann Signal-Wirrwar zerlegen (NTM2)

    Applikationen: WLAN IEEE 802.11n, WiMax IEEE 802.16

    nTx x nRx räumliche Kanäle

  • 30

    Störfestigkeit von DS

    Der Träger wird beim korrelieren im Empfänger gespreiztProzess analog wie bei den Bits im Sender (DC-Träger)

    Das gespreizte DSSS Signal wird phasen-richtig aufsummiert (Rekonstruktion)

    S/J verbessert sich um den Processing Gain Gp

    Gp = 10·log m = 10·log RC/RB

    Note: S/J = Signal to Jamming

    BCBB

  • 31

    DS Signal aus dem Rauschen

    Noise wird im Korrelator nicht-kohärent addiert, DS Signal kohärent� Gp = 10·log m, Signal erscheint aus dem Rauschen gezaubert.DS hat aber gegen Noise im Kanal keinen Vorteil gegenüber Schmalband

    **

    **

  • 32

    3G: Air Interface W-CDMA

    UMTS: Wideband CDMA, Overview

    • DS-CDMA, 5 MHz Carrier Spacing, QPSK

    • CDMA Gives Frequency Reuse Factor = 1

    • 5 MHz Bandwidth allows Multipath Diversity using Rake Receiver

    • Variable Spreading Factor (VSF) to offer Bandwidth on Demand up to 2Mbit/s

  • 33

    Frequency Hopping

    Parallel Shift Register outputs

    DDS

  • 34

    Frequency Hopping

    Robustheit gegen Mehrweg und Schmalbandstörer

    Erlaubt Multi-User Betrieb, wenn PN- Sequenzen verschieden sind

  • 35

    Frequency Hopping Empfänger

    Wiederum ist dieSynchronisationdas A und O

  • 36

    Frequency Hopping Synchronisation

    • Dwell Time = Verweilzeit auf einer Frequenz

    • Schnelle Synchronisation ist nicht trivial

    • Oft: Synchronisation via Master auf einem Aufrufkanal

    • Tracking mit Hilfe des RSSI Detektors im Empfänger

    Tacq ≤ m⋅TDwell

  • 37

    Frequency Hopping: Fast-Slow

    Militär BluetoothGSM

    FAST SLOW

  • 38

    Frequency Hopping

    MFSK ist sehr beliebt für FH:Beispiel 4-FSK und Fast Hopping mit 4 Kanälen2 hops pro Symbol

    SymbolSymbol

    HopHop ChannelChannel mit Bandbreite mit Bandbreite WWdd

  • 39

    Störfestigkeit FH

    GegenGegenüüber Noise ebenfalls keine Gewinneber Noise ebenfalls keine Gewinne

    GegenGegenüüber Schmalband: Stber Schmalband: Stöörpegel praktisch beliebig (Limite durch Filter)rpegel praktisch beliebig (Limite durch Filter)

    Aber! KollisionsAber! Kollisions-- Wahrscheinlichkeit sinkt um Faktor Wahrscheinlichkeit sinkt um Faktor m m

    �� GGpp = 10= 10··log mlog m

    f0i

  • 40

    FH Applikation: Bluetooth

    BT 1.2:

    Air Data Rate1 MbpsGFSK BT = 0.5BT 2.0/EDR: 3 Mbps 8-DPSK1600 hop/s79 Kanäle à 1 MHz2.4 GHz ISM BandPt = 0….20 dBm

    3 user

    625 symbols

  • 41

    FH Applikation: Bluetooth Smart

    BT 4.0 (LE/Smart)

    Air Data Rate: 1 MbpsGFSK BT = 0.537 Kanäle à 2 MHz3 fixe Aufrufkanäle1600 hop/s Interference adaptive FH2.4 GHz ISM BandPt = -20….10 dBm

    … NTM2


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