Usuari:Mcapdevila/Espectre eixamplat
L’espectre dispers, espectre escampat, espectre eixamplat, spread spectrum o SS, és una tècnica de modulació emprada en telecomunicacions per a la transmissió de dades, normalment digitals i per radiofreqüència. El fonament bàsic és el "eixamplament" del senyal a transmetre al llarg d'una banda molt ampla de freqüències, molt més àmplia, de fet, que l'ample de banda mínim requerit per a transmetre la informació que es vol enviar. No es pot dir que les comunicacions mitjançant espectre dispers són mitjans eficients d'utilització de l'ample de banda. No obstant això, rendeixen al màxim quan se'ls combina amb sistemes existents que fan ús de la freqüència. El senyal d'espectre dispers, un cop eixamplada pot coexistir amb senyals de banda estreta, ja que només els aporten un petit increment en el soroll. Pel que fa al receptor d'espectre dispers, ell no veu els senyals de banda estreta, ja que està escoltant un ample de banda molt més ampli gràcies a una seqüència de codi preestablert.
La traducció de l'anglès spread spectrum es fa amb diferents adjectius segons les fonts; poden utilitzar indistintament espectre dispers, expandit, difús o eixamplat per referir-se en tots els casos al mateix concepte. Tots els sistemes d'espectre dispers satisfan dos criteris:
- L'ample de banda del senyal que es transmet és molt més gran que l'ample de banda del senyal original.
- L'ample de banda transmès es determina mitjançant alguna funció independent del missatge i és conegut pel receptor.
Els dissenyadors de sistemes de comunicació s'interessen sovint en la eficiència energètica d'aquests sistemes i l'ample de banda del senyal. En molts sistemes de comunicació aquests són els assumptes més importants. No obstant això, en alguns casos hi ha situacions en què cal que el sistema resisteixi a les interferències externes, operi amb baixa densitat espectral d'energia, proporcioni capacitat de accés múltiple sense control extern i un canal segur i inaccessible per a oients no autoritzats. Per tot això, a vegades és necessari i convenient sacrificar una mica de l'eficiència del sistema. Les tècniques de modulació d'espectre dispers permeten complir aquests objectius.
Els aspectes teòrics de la utilització de l'espectre dispers en un medi amb fortes interferències es coneixien des de fa ja quaranta anys. El que sí que ha estat molt recent és la seva implementació pràctica. Inicialment, les tècniques d'espectre dispers es van desenvolupar per a propòsits militars i els seus implementacions eren extremadament cares. Només els nous avenços tecnològics com ara el VLSI (very large-scale integration, és a dir, el procés de posar milers, o centenars de milers de components electrònics en un sol circuit integrat) i les tècniques de processat de senyal avançades van fer possible desenvolupar un equipament d'espectre dispers menys car per a ús civil. Les aplicacions d'aquesta tecnologia inclouen telèfons mòbils, transmissió de dades sense cable i comunicacions per satèl·lit.
Història modifica
No hi ha dubte que la tecnologia basada en l'espectre dispers evolucionar de les necessitats del exèrcit. Va ser un resultat natural de la Segona Guerra Mundial (1939-1945), on la tecnologia va tenir un paper molt important. Durant aquest període, les tàctiques d'intercepció de senyals estaven a l'ordre del dia, i els esforços en la investigació i desenvolupament se centraven a facilitar contramesures de radar és i balises de navegació. Tant el front aliat com les potències de l'Eix experimentar amb sistemes simples d'espectre dispers.
No és d'estranyar que la primera patent pública disponible d'un sistema basat en espectre dispers sigui d'aquella època. Data del 11 d'agost de 1942, en plena guerra i en contra del que es pogués pensar, no ve signada per un científic o investigador, sinó per una actriu de Hollywood de l'època, Hedy Lamarr i el pianista que l'acompanyava, George Antheil. En gairebé tota la bibliografia consultada, a aquesta mitificada actriu se la considera com la inventora del concepte de transmissió en espectre dispers.
Lamarr,[1] que tenia amplis coneixements de guerra i armes, o almenys d'oïda, ja que el seu marit havia conegut Adolf Hitler i Benito Mussolini, va idear un sistema de guiat de míssils per mitjà de radiofreqüència es que permetria destruir els submarins alemanys. La idea ja existia i mai funcionava ja que es podia interferir en la freqüència i inutilitzar el dispositiu. Però a Hedy se li va ocórrer que la freqüència es podia canviar constantment (com es fa en tocar un piano, que va ser el que la va inspirar) i d'aquesta manera es podria controlar un torpede per ràdio sense que pogués ser interferit. És a dir, canviant constantment la freqüència del transmissor, a la mateixa vegada que es canvia en el receptor, resultaria impossible interferir en el control del torpede. Tècnicament, l'actriu nord-americana se li va ocórrer una mena de sistema que actualment es coneix amb el nom de salt de freqüència. Després de diversos mesos de treball i disseny del sistema, i amb l'ajuda del govern nord-americà, se li va atorgar la patent (signada amb el seu nom de soltera Hedy Kiesler Markey).
No obstant això, se li van detectar problemes en el seu mecanisme, que no era molt adequat per usar-se en un torpede i la Marina va declarar que el sistema era massa vulnerable, arxivant així la idea, i fent que Lamarr abandonés el projecte.
el 1957, enginyers de l'empresa nord-americana Silvania Electronics Systems Division van utilitzar transistor és per a desenvolupar el sistema inventat per Lamarr i el 1962, el concepte va ser adoptat pel govern dels EUA per les comunicacions militars, tres anys després que la patent caducar. Hedy Lamarr mai va guanyar diners pel seu invent. En l'actualitat, molts sistemes orientats a veu i dada s, tant civils com militars fan servir sistemes d'espectre dispers, i cada vegada es troben més aplicacions. Una prova d'això és que entre 1995 i 1997 es patentar més de 1200 idees relacionades amb l'espectre dispers.
Explicació estesa: Espectre dispers modifica
Spread Spectrum ('espectre dispers') és una tècnica de comunicació que pels alts costos que comporta, es va aplicar gairebé exclusivament per a objectius militars, fins a començaments dels anys noranta. No obstant això, comença a sorgir lentament un mercat comercial. Segurament molta gent ha escoltat alguna vegada nomenar LAN (Local Area Networks: Àrea de xarxes locals). Aquestes són xarxes que comuniquen ordinadors entre si a través de cables, el que fa possible que per ordinador es pugui enviar correu dins d'un edifici determinat, per exemple. Actualment es venen també 'Ràdio LAN' (RLAN), que constitueixen una comunicació sense fils entre una quantitat determinada d'ordinadors.
Per poder captar un programa radial cal sintonitzar amb un emissor que està en una determinada freqüència. Emissors diferents estan en diferents freqüències. Cada emissor ocupa un petit tros de la banda emissora dins de la qual es concentra la potència d'emissió irradiada. Aquest trosset, també anomenat amplitud de banda, ha de ser prou gran com perquè els emissors propers no siguin interferits. A mesura que l'amplitud de banda és més estreta, poden funcionar més emissors en una banda de freqüència.
Un exemple: la banda emissora FM cobreix la zona de freqüència de 88-108 MHz. Si l'amplitud de banda d'un emissor és 1 MHz, llavors poden cabre (108-88)/1 = 20 emissors a la banda emissora FM. Si l'amplitud de banda d'un emissor és 0,2 MHz (= 200 kHz), llavors poden cabre (108-88)/0,2 = 100 emissors a la banda emissora FM.
Si ara, per exemple, voldríem posar 200 emissors a la banda emissora FM, això només es podria si l'amplitud de banda de cada emissor disminuís. Tanmateix, això ocasiona problemes perquè a l'emissora FM es maneja una amplitud de banda de 200 kHz. Una amplitud de banda més petita produeix una menor transmissió d'informació per la qual cosa és impossible obtenir una qualitat Hifi. Aquest principi no és només vàlid per a la banda emissora FM, sinó també per a altres bandes de freqüència com la banda emissora AM, bandes de radioaficionats, bandes de la policia, etc.
La ràdio-receptora es pot sintonitzar sempre en una freqüència. Aquesta freqüència és retransmesa per l'emissor amb una amplitud de banda el més petita possible, però prou gran com per transmetre la informació desitjada. Aquest tipus de receptors s'anomena receptors de banda estreta (estreta).
Per contra, a Spread Spectrum no es tria per una amplitud de banda el més petita possible, sinó justament per una el més gran possible. L'amplitud de banda és més gran del que es necessita estrictament per la transmissió de la informació. Aquesta major amplitud de banda pot obtenir de dues maneres. La primera és codificar la informació amb un senyal pseudo-fortuït (aleatori) (1). La informació codificada es transmet en la freqüència en què funciona l'emissor per a això s'utilitza una amplitud de banda molt més gran que la que s'usa sense codificació (seqüència directa). La segona possibilitat és codificar la freqüència de treball amb un senyal pseudo-fortuït (aleatori), de manera que la freqüència de treball canvia permanentment. A cada freqüència s'envia un trosset d'informació (Freqüència hopping).
Aquesta difusió a través de l'Spread Spectrum pot ser tan gran que un receptor-ràdio només capta un brunzit. Un receptor-ràdio 'sent', doncs, només una petita part de la banda de freqüència. Per poder captar el senyal dispersa es necessita receptors amb amplitud de banda especial que transformin el brunzit rebut en informació. Aquest receptor de banda ampla ha de disposar del descodificador apropiat per transformar el senyal de l'emissor en informació.
De l'anterior es pot deduir en forma senzilla perquè els militars estan tan interessats en aquesta tècnica. A això s'afegeix que és difícil interferir un emissor d'aquest tipus. Si interfereix tota la banda de freqüència, es torna impossible qualsevol radiocomunicació ! determinats emissors d'escoltes fan ús també del principi Spread Spectrum. Les ones de ràdio estan submergides en el brunzit (soroll de fons), al Spread Spectrum, per la qual cosa l'emissor no és fàcil de descobrir amb l'ajuda dels aparells de detecció corrents (vegeu a més l'element 'Escoltes de recintes').
L'expectativa general és que comercialment es vagi a anar fent cada vegada més ús de Spread Spectrum per a la transmissió de dades. A causa que la potència d'emissió es difon sobre una banda ampla, pot ser usada per sobre de bandes de freqüència existents, sense interferir la recepció de banda estreta. Per això és possible admetre més usuaris en una banda de freqüència. Un altre avantatge és la seguretat de la comunicació. Al cap ia la fi, la informació s'envia xifrada. En un sistema RLAN amb 100 usuaris que utilitzen Spread Spectrum n'hi ha prou amb 1 freqüència emissora i 100 senyals-codificadors diferents. La informació es codifica, llavors, directament.
La tècnica Spread Spectrum es pot usar sobre bandes de freqüència diferents. Walkie-talkies a la feina o telèfons sense fil a casa són aplicacions que des del punt de vista tècnic s'esperen en el futur. No obstant això, aquest tipus d'aparells no estan encara comercialitzats o són només adquiribles (o estan a la venda en forma reduïda).
L'aplicació d'aquesta tècnica podria caure fora del sistema de permisos d'emissió, ja que per a un receptor de banda estreta sembla com si hagués brunzit i les emissores radials normals en el seu conjunt, no pateixen interferències per la tècnica Spread Spectrum. Als Estats Units es va admetre sense permís oficial un sistema RLAN del fabricant NCR (2). S'espera que a finals de 1994 l'Institut europeu per a telecomunicacions estàndard (ETSE) fixarà l'estàndard en relació amb RLAN per a una banda de freqüència (2,4-2,4835 Ghz) després de les quals probablement el govern holandès legislarà sobre això. A llarg termini el consumidor hauria de poder tenir accés sense més embuts als aparells Spread Spectrum aprovats per les autoritats.
Com influirà la revisió de la llei de Telecomunicacions i l'amenaçant prohibició dels aparells criptogràfics i/o el lliurar claus codificades sobre l'ús dels aparells Spread Spectrum no està encara totalment clar. La HDTP (Direcció General de Telecomunicacions i Correus) va declarar a petició que no esperava que els propòsits polítics fossin a influir sobre les RLAN, que es fan servir dins de casa. La reglamentació de la criptografia hauria de veure sobretot, segons la HDTP, amb l'ús de la xarxa digital de telèfons de cotxes. Dins del recentment conegut projecte de llei en relació amb la criptografia no van ser nomenades categories d'excepció, però. Sobre aquest projecte ha caigut, però, tanta crítica que segurament no serà aprovat en la seva forma actual.
Notes 1) senyal 'gairebé arbitrari'. Això significa que el senyal pot adquirir dins d'un determinat espai de temps valors arbitraris. Després d'aquest període el senyal es repeteix. L'espai de temps pot ser p.ex.: 1 segon però també 4,5 dies. 2) 'Tecnologia Digital analògica ", octubre 1992, pàg. 24.
Tècniques de dispersió d'espectre modifica
A continuació, es presenten cinc tècniques d'espectre dispers:
Sistemes de seqüència directa modifica
La seqüència directa és potser un dels sistemes d'espectre dispers més àmpliament conegut, utilitzat i relativament senzill d'implementar. Una portadora en banda estreta es modula mitjançant una seqüència pseudoaleatòria (és a dir, un senyal periòdic que sembla soroll però que no ho és). Per a la seqüència directa, l'increment de dispers depèn de la taxa de bits de la seqüència pseudoaleatòria per bit d'informació. En el receptor, la informació es recupera de multiplicar el senyal amb una rèplica generada localment de la seqüència de codi.
Sistemes de salt de freqüència modifica
En els sistemes de salt de freqüència , la freqüència portadora del transmissor canvia (o salta) abruptament d'acord amb una seqüència pseudoaleatòria. L'ordre de les freqüències seleccionades pel transmissor ve dictat per la seqüència de codi. El receptor rastreja aquests canvis i produeix un senyal de freqüència intermèdia constant.
Sistemes de salt temporal modifica
Un sistema de salt temporal és un sistema d'espectre dispers en què el període i el cicle de treball d'una portadora es varien de manera pseudoaleatoria sota el control d'una seqüència pseudoaleatoria. El salt temporal s'utilitza sovint juntament amb el salt en freqüència per formar un sistema híbrid d'espectre dispers mitjançant accés múltiple per divisió de temps (TDMA).
Sistemes de freqüència modulada polsada (o Chirping) modifica
Es tracta d'una tècnica de modulació en espectre dispers menys comú que les anteriors, en què s'empra un pols que escombra totes les freqüències, anomenat chirp, per expandir el senyal espectral. El chirping, com també és conegut, sol usar-se més en aplicacions amb radars que en la comunicació de dades ..
Sistemes híbrids modifica
Els sistemes híbrids utilitzen una combinació de mètodes d'espectre dispers per beneficiar-se de les propietats més avantatjoses dels sistemes utilitzats. Dues combinacions comuns són seqüència directa i salt de freqüència . L'avantatge de combinar aquests dos mètodes és que adopta les característiques que no estan disponibles a cada mètode per separat.
Avantatges i desavantatges modifica
L'espectre dispers té moltes propietats úniques i diferents que no es poden trobar en cap altra tècnica de modulació. Per veure-ho millor, es llisten sota alguns avantatges i desavantatges que existeixen en els sistemes típics d'espectre dispers:
Avantatges modifica
- Resisteix tot tipus d'interferències, tant les no intencionades com les malintencionades (més conegudes amb el nom de jamming), i més efectiu amb les de banda estreta.
- Té l'habilitat d'eliminar o alleujar l'efecte de les interferències multisenda.
- Es pot compartir la mateixa banda de freqüència amb altres usuaris.
- Confidencialitat de la informació transmesa gràcies als codis pseudoaleatoris (multiplexació per divisió de codi).
Desavantatges modifica
- Ineficiència de l'ample de banda.
- La implementació dels circuits és en alguns casos molt complexa.
Propietats modifica
Hi ha diverses propietats úniques que sorgeixen com a resultat de les seqüències pseudoaleatoris i el gran ample de banda del senyal que aquestes generen. Dues d'aquestes propietats són el direccionament selectiu i la multiplexació per divisió de codi. En assignar una seqüència pseudoaleatòria donada a un receptor particular, la informació se li ha de adreçar de manera diferent pel que fa als altres receptors als quals se'ls ha assignat una seqüència diferent. Les seqüències també poden escollir per minimitzar la interferència entre grups de receptors a triar els que tinguin una correlació creuada baixa. D'aquesta manera, es pot transmetre a la mateixa vegada més d'un senyal en la mateixa freqüència. Com veiem, el direccionament selectiu i el accés múltiple per divisió de codi (CDMA) s'implementen gràcies a les seqüències pseudoaleatoris.
Dues d'aquestes propietats són la baixa probabilitat d'intercepció i l'anti-jamming (la capacitat per evitar les interferències intencionades). Quan a un senyal es la s'expandeix sobre diversos megahertzs de l'espectre, la seva potència espectral també s'eixampla. Això fa que la potència transmesa també es eixample sobre un extens ample de banda i dificulta la detecció de forma normal (és a dir, sense la utilització de cap seqüència pseudoaleatòria). Aquest fet també implica una reducció de les interferències. D'aquesta manera, l'espectre dispers pot sobreviure en un mitjà advers i coexistir amb altres serveis en la mateixa banda de freqüència. La propietat anti-jamming és un resultat del gran ample de banda utilitzat per transmetre el senyal.
Segons el teorema de Shannon:
; on:
C = capacitat de transmissió, en bits per segon
W = ample de banda
S = potència del senyal
N = potència del soroll
veiem que la capacitat del canal és proporcional al seu ample de banda ia la relació senyal-soroll del canal.
De l'equació anterior es dedueix que l'expandir l'ample de banda en diversos megahertzs hi ha més de l'ample de banda suficient per transportar la taxa de dades requerida, permetent contrarestar els efectes del soroll.
Als sistemes d'espectre dispers se'ls reconeixen almenys cinc qualitats importants en el seu funcionament, degudes a la naturalesa del seu senyal:
- Amb una guany de processament alta (el quocient entre l'ample de banda del senyal transmès i l'ample de banda del senyal original) i senyals portadors impredictibles (generats amb les seqüències pseudoaleatòries) es pot aconseguir una baixa probabilitat d'intercepció, sempre que la potència del senyal s'expandeixi uniformement per tot el domini de freqüències.
- Els senyals portadors impredictibles asseguren una bona capacitat contra jamming. El jammer (aquella persona que es dedica a interferir en els senyals) no es poden emprar observacions del senyal per millorar el seu funcionament en aquest cas, i ha de confiar en tècniques que siguin independents del senyal que es vol interceptar.
- Mitjançant la detecció per correlació de senyals de banda ampla s'aconsegueix una gran resolució temporal. Les diferències en el temps d'arribada del senyal de banda ampla són detectables. Aquesta propietat es pot utilitzar per eliminar l'efecte multisenda i, igualment, fer ineficaços els repetidors dels Jammers.
- Els parells transmissor-receptor que usen portadores pseudoaleatoris independents poden operar en el mateix ample de banda amb una interferència entre canals mínima. A aquests sistemes se'ls anomena d'accés múltiple per divisió de codi (de l'anglès code division multiple access o CDMA).
- S'obtenen propietats criptogràfiques en no poder distingir la modulació de les dades de la modulació de la portadora. La modulació de la portadora és de fet aleatòria per a un observador no desitjat. En aquest cas, la modulació de la portadora en espectre dispers adquireix el paper de clau en un sistema de xifrat. Un sistema que utilitza dades indistingibles i una modulació de portadora en espectre dispers formen un sistema confidencial.
Recepció i sincronització del senyal modifica
Els senyals d'espectre dispers es desmodula en dos passos:
- S'elimina la modulació en espectre dispers (per seqüència directa i salt de freqüència)
- El senyal es desmodula.
Al procés de desensanchado d'un senyal és conegut com a correlació. Aquest procés s'aconsegueix mitjançant la sincronització adequada de la seqüència pseudoaleatòria eixamplador entre el transmissor i receptor. La sincronització és l'aspecte més difícil que ha de resoldre el receptor. Precisament, s'ha emprat més temps, investigació, esforç i diners en el desenvolupament i millora de les tècniques de sincronització que en qualsevol altra àrea de l'espectre dispers. Per fer-nos una idea de la seva complexitat, podem dir que la sincronització es descompon en dues parts: primer es requereix una adquisició inicial del senyal i després el seu rastreig posterior, dues tasques complicades d'implementar.
Hi ha diversos mètodes per a resoldre aquests problemes, molts d'ells requereixen una gran quantitat de complements discrets per poder-se dur a terme. Però això s'ha pogut solucionar gràcies a les tècniques de processat de senyals digitals (DSP) i als circuits integrats en aplicacions específiques (ASIC). El DSP proporciona funcions matemàtiques que poden esmicolar el senyal en petites parts, analitzar-la per a la seva sincronització i decorrelació a gran velocitat. Pel que fa als xips ASIC, es recorren a ells per disminuir el cost dels sistemes, ja que es basen en la tecnologia VLSI i s'utilitzen per a crear blocs que es puguin implementar en qualsevol tipus d'aplicació que desitgi el dissenyador.
Hi ha tres configuracions bàsiques que s'usen per a la recuperació de la portadora en espectre dispers:
- Sistemes de referència transmesa: permeten la detecció transmetent dues versions del portador, una modulada amb dades i una altra no modulada. Aquests dos senyals entren en un detector de correlació d'on s'extreu el missatge.
- Sistemes de referència emmagatzemada: tant el receptor com el transmissor guarden una "còpia" de la mateixa seqüència pseudoaleatòria. El generador de portadora en el receptor de ajusta automàticament per sincronitzar la seva sortida amb la portadora entrant. La detecció llavors és similar a la d'un sistema de referència transmesa.
- També es poden fer servir filtres acoblats per a la recepció de senyals en espectre dispers. Els sistemes de filtratge produeixen una resposta a l'impuls pseudoaleatòria i de banda ampla. Un filtre amb aquesta resposta es fa servir en el receptor per recuperar el senyal transmès. Les característiques pseudoaleatòries de la resposta a l'impuls asseguren la seguretat del senyal transmès.
Vegeu també modifica
Referències modifica
- ↑ Negra, Diane; Holmes, Su. In the Limelight and Under the Microscope: Forms and Functions of Female Celebrity (en anglès). Continuum International Publishing Group, 2011, p.86. ISBN 0826438555.