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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Os principais tipos de sequências de código dos modernos sistemas de comunicação e navegação. Data de referência
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Materiais de referência O artigo descreve os principais tipos de sequências de código usadas em sistemas modernos de comunicação e navegação. Os parâmetros indicados são considerados do ponto de vista científico e prático, com referências à investigação moderna nesta área. A escolha de uma sequência de código pseudo-aleatória em um sistema de transmissão de informações de engenharia de rádio é muito importante, uma vez que o aprimoramento do processamento do sistema, sua imunidade a ruídos e sensibilidade dependem de seus parâmetros. Com o mesmo comprimento de sequência de código, os parâmetros do sistema podem ser diferentes. Sistemas que utilizam sinais complexos semelhantes a ruído estão em uso há mais de 50 anos. As vantagens bem conhecidas dos sinais semelhantes a ruído, como alta imunidade a ruído para interferência de banda estreita de alta potência, capacidade de separar assinantes por código, sigilo de transmissão, alta resistência à propagação de múltiplos caminhos e até mesmo alta resolução em medições de radar e navegação, predeterminadas seu uso em vários sistemas de comunicação e determinação de localização. Devido a quais parâmetros de sinais semelhantes a ruído sua aplicação tem uma série de propriedades maravilhosas e elas podem ser melhoradas? Características de sinais semelhantes a ruído Um parâmetro importante de um sistema que utiliza sinais semelhantes a ruído é o ganho de processamento. O ganho de processamento (PG) mostra o grau de melhoria na relação sinal-ruído ao converter o sinal semelhante a ruído recebido pelo receptor no sinal de informação necessário. Este procedimento é chamado de compactação ou desprendimento. De acordo com a definição clássica, VO é igual a: VO = 10 Lg [Ск /A PARTIR DEи]Onde Ск - taxa de repetição de chips de sequência pseudoaleatória, chip/segundo. Си - velocidade de transmissão da informação, bits/segundo. Por esta definição, um sistema que tem uma taxa de transferência de dados de 1 Mbit/segundo e uma taxa de chip de 11 Mchip/segundo (isto significa que cada bit de informação é codificado com uma sequência pseudo-aleatória de 11 bits) terá um VO igual a 10,41 dB. Este resultado significa que o funcionamento do sistema de transmissão de informação permanecerá no mesmo BER se o sinal de entrada desejado diminuir em 10,41 dB. Em modems de rádio comerciais convencionais propensos a ruído, como Arlan, Wavelan e similares, a maior importância é frequentemente colocada na velocidade de transferência de informações, em vez de na imunidade furtiva ou a ruído. Como as instruções da Comissão Federal de Comunicações dos EUA (FCC) fornecem para tais dispositivos um valor mínimo de VO de 10 dB, e também alocam a largura de banda de frequência mínima permitida de um canal (o que impõe restrições à taxa máxima de repetição de chips Cк), então o comprimento da sequência de código pseudoaleatório deve ser de pelo menos 11 chips por bit. Se aumentarmos o comprimento da sequência de código para 64 chips por bit (este é o comprimento máximo possível para o conhecido processador Zilog Z87200 ShPS), então, com a mesma taxa de repetição de chip de 11 Mchip/segundo, o ganho de processamento será 10Lg (64) = 18,06 dB, a velocidade de transmissão da informação diminuirá em 64/11 = 5,8 vezes. Para serem usadas em um sistema NPS, as sequências de código devem ter certas propriedades matemáticas e outras, sendo as principais propriedades de autocorrelação e correlação cruzada muito boas. Além disso, a sequência de código deve ser bem balanceada, ou seja, o número de uns e zeros nela deve diferir em no máximo um caractere. O último requisito é importante para eliminar a componente constante do sinal de informação. O receptor DSSS compara a sequência de código recebida com sua cópia exata armazenada na memória. Ao detectar uma correlação entre eles, passa para o modo de recepção de informações, estabelece a sincronização e inicia a operação de decodificação de informações úteis. Quaisquer correlações parciais podem levar a alarmes falsos e mau funcionamento do receptor, razão pela qual a sequência de código deve ter boas propriedades de correlação. Vejamos o conceito de correlação com mais detalhes. Função de autocorrelação e correlação cruzada As propriedades de correlação das sequências de código usadas em sistemas NPS dependem do tipo de sequência de código, do seu comprimento, da frequência dos seus símbolos e da sua estrutura caractere por símbolo.(1). Em geral, a função de autocorrelação (ACF) é determinada pela integral: Y (t ) = ∫f(t)f(t-t )dt e mostra a conexão do sinal com uma cópia dele mesmo, deslocada no tempo pela quantidade τ. O estudo do ACF desempenha um papel importante na seleção de sequências de código do ponto de vista da menor probabilidade de estabelecimento de falsa sincronização. A função de correlação cruzada (ICF), por outro lado, é de grande importância para sistemas de divisão de código como CDMA, e difere da ACF apenas porque o sinal integral contém funções diferentes em vez da mesma: Y (t ) = ∫f(t)g(t-t )dt O FCF mostra assim o grau de correspondência de uma sequência de código com outra. Para simplificar os conceitos de ACF e VCF, podemos representar o valor de uma função específica como a diferença entre o número de correspondências A e incompatibilidades B de símbolos de sequências de código ao compará-los símbolo por símbolo. Para ilustrar este exemplo, considere a função de autocorrelação de uma sequência de código de Barker com comprimento de 11 chips, que tem a seguinte forma: 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 Vamos resumir a comparação caractere por caractere desta sequência com sua cópia em uma tabela.
Uma representação gráfica do ACF desta sequência de Barker é mostrada na figura:
Este ACF pode ser chamado de ideal, pois não possui picos laterais que possam contribuir para a detecção de sinais falsos. Como exemplo negativo, podemos considerar qualquer sequência de código arbitrária, por exemplo: 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 Feitos os cálculos correspondentes ao exemplo anterior, obtemos a seguinte representação gráfica da função de autocorrelação, mostrada na figura:
Picos laterais de 7 e 3 unidades podem levar a uma operação falsa do sistema se tal sequência for usada para distribuir o sinal. Para sistemas de banda larga de alta velocidade destinados à transmissão de informações, mas não à separação de códigos de assinantes, geralmente são utilizados códigos Barker com boas propriedades de autocorrelação. Utilizando modelagem computacional, foram encontrados os chamados códigos de Willard (2), que, com o mesmo comprimento dos códigos de Barker, às vezes apresentam melhores propriedades de correlação. Sequências de código Barker com comprimento superior a 13 símbolos são desconhecidas, portanto, para obter maior VO, maior imunidade a ruído, bem como para separação de código de assinantes, são utilizadas sequências de maior comprimento, uma parte significativa das quais é formada por M -sequências. Sequências M Um dos sinais chaveados por mudança de fase mais famosos são sinais cujas sequências de código são sequências de comprimento máximo ou sequências M. Para construir sequências M, geralmente são usados registros de deslocamento ou elementos de atraso de um determinado comprimento. O comprimento da sequência M é 2N-1, onde N é o número de bits do registrador de deslocamento. Várias opções para conectar saídas de descarga ao circuito de feedback fornecem um determinado conjunto de sequências. O ACF da sequência M é igual a -1 para todos os valores de atraso, exceto para a região 0±1, onde seu valor varia de -1 ao valor 2N-1. Além disso, as sequências M têm outra propriedade interessante: em cada sequência há mais um uns do que zeros. Muita literatura é dedicada aos métodos de formação e características das sequências M, por isso não nos deteremos nisso em detalhes. Para explorar os recursos do novo chipset PRISMTM A Harris Semiconductor conduziu um estudo prático de sequências M curtas e códigos de Barker para encontrar os ideais do ponto de vista da função de autocorrelação (3). Como parte deste estudo, uma sequência M de comprimento 15 e tendo a forma: 111 1000 1001 1010 Acontece que ela tem propriedades de autocorrelação piores do que a sequência de Barker de 13 caracteres no seguinte formato: 1 1111 0011 0101 Uma visão prática do ACF da sequência M é mostrada na figura:
Para comparação, o ACF de uma sequência de código Barker de comprimento 13:
A foto acima mostra o pulso de sincronização do osciloscópio. Como pode ser visto nas fotografias, a sequência M possui vários picos laterais grandes, que podem degradar significativamente as qualidades de recepção do sistema NPS e, às vezes, levar à detecção de sinais falsos. Como se viu no processo de pesquisa adicional, se dois zeros forem adicionados à sequência do código Barker de 13 caracteres, então o ACF da sequência resultante 001 1111 0011 0101 será significativamente melhor que o ACF descrito da sequência M, que também consiste em 15 símbolos. ACF da sequência recém-obtida:
As sequências M curtas são, portanto, significativamente inferiores às sequências de Barker em termos de propriedades de autocorrelação, apesar de um melhor equilíbrio de zeros e uns. Os sistemas mais conhecidos que utilizam sequências M incluem o sistema de comunicações móveis CDMA e o sistema de navegação global GPS. O sistema CDMA usa três sequências de código. O primeiro deles, utilizado para sincronizar o funcionamento de todos os equipamentos, possui comprimento variável N ≈ (32÷131)103 personagens. A segunda sequência M tem um comprimento máximo de N=242-1 e é usado para identificar estações de assinantes da estação base. A terceira sequência é usada para transmitir informações úteis entre as estações base e de assinante e é uma das sequências de Walsh. As sequências de Walsh (estas são as linhas ou colunas da matriz de Hadamard) têm a propriedade de serem ortogonais entre si. Do ponto de vista matemático, a ortogonalidade significa que, na ausência de uma mudança de tempo entre as sequências de Walsh, o seu produto escalar é igual a zero. Do ponto de vista da engenharia de rádio, isto permite eliminar a interferência mútua na transmissão de informações de uma estação base para várias estações assinantes e, assim, aumentar drasticamente o rendimento do sistema de comunicação (5). Esta vantagem da ortogonalidade ocorre apenas no caso de sincronização precisa da transmissão das sequências para todos os assinantes. A sincronização precisa de estações base CDMA e estações de assinantes é realizada principalmente por meio do sistema de navegação global GPS. Além das sequências de Walsh, outras sequências ortogonais são utilizadas em sistemas de comunicação: sequências Digiloc e Stiffler. Além das sequências M como tais, as sequências de código composto, que são combinações de sequências M e possuem algumas propriedades específicas, encontraram aplicação em sistemas de comunicação. As mais famosas e utilizadas são as sequências de Gould. As sequências de código Gould são geradas usando um gerador de sequência simples baseado em dois registradores de deslocamento da mesma largura e apresentam duas vantagens em relação às sequências M. Em primeiro lugar, um gerador de sequência de código, construído com base em dois registradores de deslocamento de comprimento N cada, pode gerar, além das duas sequências M iniciais, outras N sequências de comprimento 2.N-1, ou seja, o número de sequências de código geradas é significativamente ampliado. Em segundo lugar, os códigos Gould podem ser escolhidos de modo que o CCF para todas as sequências de código recebidas de um gerador seja o mesmo e a magnitude dos seus picos laterais seja limitada. Para sequências M, não pode ser garantido que os picos laterais do TCF não excedam um determinado valor especificado. As sequências de código Gould são usadas em sistemas de navegação global, como o GPS. O chamado código "grosso" (C/A - clear/acquisition) utiliza uma sequência Gould de 1023 caracteres, transmitida a uma frequência de clock de 1,023 MHz. Exatamente o mesmo código (P - precisão), ao qual os serviços militares e especiais têm acesso, utiliza uma sequência composta ultralonga com período de repetição de 267 dias e frequência de clock de 10,23 MHz. Além das sequências compostas de Gould, as sequências de Kasami são usadas com mais frequência. Novas tecnologias As sequências M, sequências de Gould e Kasami mencionadas neste artigo referem-se a sequências que possuem um algoritmo de formação linear. A principal desvantagem de tais sequências é a sua previsibilidade e a falta de sigilo de transmissão associada. Sequências não lineares são mais imprevisíveis. Recentemente, surgiram várias publicações sobre a geração de sinais semelhantes a ruído utilizando o fenômeno do caos dinâmico (4). O fenômeno do caos dinâmico reside no fato de que o movimento de um sistema dinâmico determinístico, sob certas condições, possui todas as propriedades de um processo caótico de banda larga. Ao mesmo tempo, a característica fundamental dos algoritmos que descrevem este fenômeno é a sua não linearidade, e a característica do processo temporal gerado é a sua não periodicidade. Isso abre a possibilidade de busca por uma nova classe de sequências aleatórias para uso em sistemas de engenharia de rádio para diversos fins: sinais ShHS caóticos de banda larga, que melhor atendem aos requisitos para sequências pseudo-aleatórias. Conclusão Os sistemas móveis de terceira geração, já em desenvolvimento no âmbito de programas europeus internacionais, utilizarão sinais de banda larga gerados por sequências pseudo-aleatórias. Em particular, o WCDMA ou CDMA de banda larga, desenvolvido pela Ericsson, foi escolhido como padrão base do UMTS - Sistema Universal de Telecomunicações Móveis. São mais de vinte projetos que unem, de uma forma ou de outra, todas as empresas de telecomunicações desenvolvidas e as principais universidades do mundo, que tentam abordar o problema das comunicações mundiais globais do futuro sob diferentes ângulos (6). Num futuro distante, obviamente, cada habitante do nosso planeta terá o seu próprio terminal, de pequena dimensão e que proporciona ao seu proprietário todos os tipos de comunicações disponíveis - desde um videofone ao acesso ao sistema global de informação mundial. E há uma grande probabilidade de que em tais sistemas seja usada a separação de código dos assinantes usando sequências pseudo-aleatórias. Literatura
Autor: Malygin Ivan Vladimirovich; Publicação: library.espec.ws
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