Universidad Nacional de Ingeniera

Espectro EnsanchadoEs una tcnica de modulacin empleada en telecomunicaciones para la transmisin de datos digitales y por radiofrecuencia. En este tipo de modulacin se pueden alcanzar consideraciones de calidad de comunicacin como la inmunidad frente a interferencias o confidencialidad de las comunicaciones.Este tipo de modulacin tambin se denomina de Espectro esparcido o DSSS (Direct Sequence Spectrum Signal). Donde, la seal modulada consiste en el producto de una modulacin convencional de tipo QAM por una seal formada a partir de una secuencia seudoaleatoria. De este modo, la seal resultante ocupa un ancho de banda mucho mayor que la seal original.En el demodulador debe generarse la misma secuencia seudoaleatoria que en el modulador para poder detectar los smbolos. De ah que una interpretacin de este tipo de modulacin es que la secuencia seudoaleatoria acta como una seal portadora.El fundamento bsico es el "ensanchamiento" de la seal a transmitir a lo largo de una banda muy ancha de frecuencias. No se puede decir que las comunicaciones mediante espectro ensanchado son medios eficientes de utilizacin del ancho de banda. Pero estas, rinden al mximo cuando se los combina con sistemas existentes que hacen uso de la frecuencia. La seal de espectro ensanchado, una vez ensanchada puede coexistir con seales en banda estrecha, ya que slo les aportan un pequeo incremento en el ruido. En lo que se refiere al receptor de espectro ensanchado, l no ve las seales de banda estrecha, ya que est escuchando un ancho de banda mucho ms amplio gracias a una secuencia de cdigo preestablecido.

Las principales caractersticas de esta tcnica son las siguientes: La modulacin de espectro ensanchado ocupa un ancho de banda mucho mayor que el mnimo requerido para que los datos sean transmitidos. El ensanchamiento de la seal transmitida se consigue con la suma binaria de esta, con otra seal seudoaleatoria (cdigo de Gold) que es independiente de la seal a transmitir.

Cdigo Gold conocido como secuencia de oro, es un tipo de secuencia binaria, utilizados en las telecomunicaciones (CDMA) y de navegacin por satlite (GPS). Este cdigo tiene pequeas correlaciones cruzadas acotadas dentro de un conjunto, que es til cuando hay varios dispositivos que estn transmitiendo en el mismo rango de frecuencia. Un conjunto de secuencias de cdigo de Oro consta de 2n - 1 secuencias de cada uno de ellos con un perodo de 2n - 1.

La recepcin se realiza mediante el proceso de desensanche, el cual consiste en la suma binaria de la seal recibida con una seal local que es la rplica de la seal (cdigo PN ) empleada en la transmisin.

Las ventajas ms importantes de los sistemas de modulacin de espectro ensanchado son: Baja probabilidad de ser interceptada (LPI) debido al ensanchamiento del espectro, hace dificultosa la captacin de las seales transmitidas por parte de un receptor ajeno a la comunicacin. Alta inmunidad frente a interferencia intencionada. Alta inmunidad frente a interferencia de seales multitrayecto y uso de un mismo canal por dos o ms usuarios. Posibilidad de acceso mltiple aleatorio (CDMA), con lo cual es posible tener varios usuarios cursando comunicaciones independientes en el mismo canal. Privacidad de comunicaciones.

Existen varias tcnicas de modulacin de espectro ensanchado, las que se diferencian en el modo de ensanchamiento del espectro y el tipo de modulacin que emplean, entre ellas tenemos: Secuencia directa (direct sequence-DS).- En esta modulacin la fase de una seal portadora es variada de acuerdo a una seal seudoaleatoria resultado de la multiplicacin de la seal de datos a transmitir x(t) con una seal denominada cdigo PN, g(t).

Saltos de frecuencia (frecuency hopping -FH)- Es este modo la seal resultante es una portadora que da saltos de frecuencia, cuya frecuencia instantnea vara en conformidad con una seal obtenida de la multiplicacin de la seal de datos x(t) y una seudo aleatoria (cdigo PN). En una aplicacin tpica de FH, se emplea una modulacin MFSK.

Saltos de tiempo (time Hopping -TH)- En esta tcnica a cada pulso de informacin x(t) se le asigna un intervalo de tiempo dentro del intervalo de operacin denominado hopping intervalo. El proceso de seleccin de la ubicacin del pulso de informacin corresponde a una modulacin de posicin de pulso PPM.- Pulsos FM (Pulse-FM o chip) - En este tipo de modulacin la frecuencia instantnea de cada pulso es una funcin lineal del tiempo, usualmente es utilizada en aplicaciones de radar.

Los sistemas de espectro ensanchado satisfacen dos criterios: El ancho de banda de la seal que se va a transmitir es mucho mayor que el ancho de banda de la seal original. El ancho de banda transmitido se determina mediante alguna funcin independiente del mensaje y conocida por el receptor.

Propiedades del Espectro EnsanchadoDos propiedades importantes de este proceso son el direccionamiento selectivo y la multiplexacin por divisin de cdigo. Al asignar una secuencia seudoaleatoria dada a un receptor particular, la informacin se le debe direccionar de forma distinta con respecto a los otros receptores a los que se les ha asignado una secuencia diferente. Las secuencias tambin pueden escogerse para minimizar la interferencia entre grupos de receptores al elegir los que tengan una correlacin cruzada baja. De esta forma, se puede transmitir a la misma vez ms de una seal en la misma frecuencia. Como vemos, el direccionamiento selectivo y el acceso mltiple por divisin de cdigo (CDMA) se implementan gracias a las secuencias seudoaleatorias.Otras dos de estas propiedades son la baja probabilidad de interceptacin y el anti-jamming (la capacidad para evitar las interferencias intencionadas). Cuando a una seal se la expande sobre varios megahercios del espectro, su potencia espectral tambin se ensancha. Esto hace que la potencia transmitida tambin se ensanche sobre un extenso ancho de banda y dificulta la deteccin de forma normal (sin la utilizacin de ninguna secuencia seudoaleatoria). Este hecho tambin implica una reduccin de las interferencias. De esta forma, el espectro ensanchado puede sobrevivir en un medio adverso y coexistir con otros servicios en la misma banda de frecuencia. La propiedad anti-jamming es un resultado del gran ancho de banda usado para transmitir la seal.

Si recordamos el teorema de Shannon:

; donde:C = capacidad de transmisin, en bits por segundoW = ancho de bandaS = potencia de la sealN = potencia del ruido

Vemos que la capacidad del canal es proporcional a su ancho de banda y a la relacin seal-ruido del canal.De la ecuacin anterior se deduce que al expandir el ancho de banda en varios megahercios hay ms del ancho de banda suficiente para transportar la tasa de datos requerida, permitiendo contrarrestar los efectos del ruido.A los sistemas de espectro ensanchado se les reconocen al menos cinco cualidades importantes en su funcionamiento, debidas a la naturaleza de su seal:Con una ganancia de procesado alta (el cociente entre el ancho de banda de la seal transmitida y el ancho de banda se la seal original) y seales portadoras impredecibles (generadas con las secuencias seudoaleatorias) se puede conseguir una baja probabilidad de interceptacin, siempre que la potencia de la seal se expanda uniformemente por todo el dominio de frecuencias.Las seales portadoras impredecibles aseguran una buena capacidad contra jamming. El jammer (aquella persona que se dedica a interferir en las seales) no puede usar observaciones de la seal para mejorar su funcionamiento en este caso, y debe confiar en tcnicas que sean independientes de la seal que se quiere interceptar.Mediante la deteccin por correlacin de seales de banda ancha se consigue una gran resolucin temporal. Las diferencias en el tiempo de llegada de la seal de banda ancha son detectables. Esta propiedad puede usarse para eliminar el efecto multisenda e, igualmente, hacer ineficaces los repetidores de los jammers.Los pares transmisor-receptor que usan portadoras seudoaleatorias independientes pueden operar en el mismo ancho de banda con una interferencia entre canales mnima. A estos sistemas se les llama de acceso mltiple por divisin de cdigo (del ingls code division multiple access o CDMA).Se obtienen propiedades criptogrficas al no poder distinguir la modulacin de los datos de la modulacin de la portadora. La modulacin de la portadora es efectivamente aleatoria para un observador no deseado. En este caso, la modulacin de la portadora en espectro ensanchado adquiere el papel de llave en un sistema de cifrado. Un sistema que usa datos indistinguibles y una modulacin de portadora en espectro ensanchado forman un sistema confidencial.

Las seales de espectro ensanchado se demodula en dos pasos:La seal se demodula.Al proceso de desensanchado de una seal se le conoce como correlacin. Este proceso se consigue mediante la sincronizacin adecuada de la secuencia seudoaleatoria ensanchadora entre el transmisor y receptor. La sincronizacin es el aspecto ms difcil que tiene que resolver el receptor. Precisamente, se ha empleado ms tiempo, investigacin, esfuerzo y dinero en el desarrollo y mejora de las tcnicas de sincronizacin que en cualquier otra rea del espectro ensanchado. se descompone en dos partes: primero se requiere una adquisicin inicial de la seal y luego su rastreo posterior, dos tareas complicadas de implementar.Hay tres configuraciones bsicas que se usan para la recuperacin de la portadora en espectro ensanchado: Sistemas de referencia transmitida: permiten la deteccin transmitiendo dos versiones de la portadora, una modulada con datos y otra no modulada. Estas dos seales entran en un detector de correlacin de donde se extrae el mensaje. Sistemas de referencia almacenada: tanto el receptor como el transmisor guardan una "copia" de la misma secuencia seudoaleatoria. El generador de portadora en el receptor de ajusta automticamente para sincronizar su salida con la portadora entrante. La deteccin entonces es similar a la de un sistema de referencia transmitida. Tambin se pueden usar filtros acoplados para la recepcin de seales en espectro ensanchado. Los sistemas de filtrado producen una respuesta al impulso seudoaleatoria y de banda ancha. Un filtro con esta respuesta se usa en el receptor para recuperar la seal transmitida. Las caractersticas seudoaleatorias de la respuesta al impulso aseguran la seguridad de la seal transmitida.

MODELO DE MODULACIN DE ESPECTRO ENSANCHADOUn sistema bsico de modulacin de espectro ensanchado puede realizarse mediante el empleo de un modulador de secuencia directa (DS), el cual podra implementarse con un modulador BPSK en el que la fase de la seal portadora varia en concordancia con la seal de datos a transmitir x(t) y una seal seudo aleatoria denominada cdigo PN, g(t).

Se observa que en la fase se tiene dos componentes, una de la seal de informacin x(t) y otra de g(t). Debido a que se tiene una modulacin BPSK.

En el receptor la demodulacin de la seal DS/BPSK se realiza mediante la correlacin de la seal recibida con una rplica exacta sincronizada de la seal cdigo, g(t-Td'), siendo Td' la estimacin del receptor del retraso de propagacin Td desde el transmisor al receptor.La seal a la salida del correlador es:

Donde A es un parmetro de ganancia del sistema. Td el retardo de la seal y es una fase aleatoria comprendida en el intervalo (0, Tc).Como la seal g(t) toma valores 1 -1, el producto g(t-Td) H g(t-Td') ser la unidad si Td=Td', esto sucede nicamente si la seal cdigo en el receptor est perfectamente sincronizada con la seal cdigo del transmisor. Cuando esto ocurre la salida del correlador es la seal desensanchada, la cual entrar a un demodulador BPSK que permitir que se recupere la informacin x(t).El diagrama de bloques del receptor se muestra a continuacin

Los procesos de ensanchado de seal y modulacin BPSK y los de desensanche y demodulacin pueden ser intercambiados de orden, es decir en el transmisor primero podemos ensanchar la seal y luego modular o viceversa, y en el receptor primero podremos demodular la seal BPSK y luego desensanchar o en sentido inverso.