Étaler le spectre

Terme élargir le spectre a été utilisé par de nombreux systèmes de communication militaires et commerciaux. Dans les systèmes à spectre étalé, chaque porteuse de message nécessite une bande passante radiofréquence beaucoup plus large qu'un signal modulé classique. La bande passante plus large permet

propriétés et caractéristiques difficiles à obtenir par d'autres moyens.

Le spectre étalé est une méthode de génération d'un signal à spectre étalé à l'aide d'un étage de modulation supplémentaire qui non seulement étale le spectre du signal, mais atténue également son effet sur d'autres signaux. La modulation supplémentaire n'a rien à voir avec le message transmis. Par conséquent, une telle extension de la bande passante ne nous permet pas d'affaiblir l'effet du bruit blanc gaussien additif (AWGN), comme cela se produit avec la modulation de fréquence à large bande.

Avantages des systèmes à spectre étalé

densité spectrale 4) Haute résolution dans les mesures de distance 5) Sécurité des communications 6) Capacité à résister aux interférences intentionnelles

8) Une diminution progressive de la qualité de la communication avec une augmentation du nombre d'utilisateurs occupant simultanément le même canal HF

9) Faible coût de mise en œuvre

10) Disponibilité d'éléments de base modernes (circuits intégrés).

Les principaux groupes de systèmes à spectre étalé

En fonction de l'architecture et des types de modulation utilisés,

Les systèmes à spectre étalé peuvent être divisés en les groupes principaux suivants :

Systèmes à étalement de spectre direct basés sur des séquences pseudo-aléatoires (PRS), y compris les systèmes CDMA.

Systèmes de saut de fréquence (saut de fréquence), y compris les systèmes CDMA avec saut de fréquence lent et rapide.

Systèmes d'accès multiple à détection de porteuse (CSMA).

Systèmes avec restructuration de la position temporelle des signaux (temps "sautant").

Systèmes de modulation de puce. Systèmes à spectre étalé mixte.

Dans les systèmes de communication radio mobiles et sans fil réseaux locaux les méthodes d'étalement direct du spectre, d'accord de fréquence et d'étalement de détection de porteuse ont trouvé une large application.

Spectre à étalement direct utilisant des séquences pseudo-aléatoires

Figure. 1. Schéma fonctionnel

systèmes avec direct

élargir le spectre

signaux à travers

pseudo-aléatoire

séquences : a -

émetteur de signaux avec

PSK et au-delà

élargir le spectre; b - circuit équivalent de l'émetteur, dans lequel

élargir le spectre

réalisée en bande de base ; c - récepteur.

Le processus de génération de signaux à spectre étalé se déroule en deux étapes : modulation et spectre étalé (ou modulation secondaire au moyen d'une séquence pseudo-aléatoire). Secondaire

la modulation est effectuée en utilisant l'opération de multiplication idéale g (t) s (t) (Fig. 1).Dans cette multiplication, les formes

Signal porteur double bande modulé en amplitude.

Le signal PSK est défini par l'expression suivante :

où d (t) est un signal à deux niveaux non filtré ayant deux états : +1 et -1 ; ωpc - fréquence intermédiaire, Ps - puissance du signal.

En tant que signal d'étalement g(t), un signal de séquence pseudo-aléatoire (PRS) avec un taux de répétition de symboles f = 1/Tc est utilisé. À la suite de la remodulation, un signal PSK à spectre étalé est généré :

Ce signal FI est ensuite traduit jusqu'à la fréquence souhaitée à l'aide d'un synthétiseur de radiofréquence (RF). Ici, ω0 désigne soit l'intermédiaire ω IF soit la fréquence radio ω RF.

Ainsi, l'entrée du récepteur reçoit la somme de M signaux à spectre étalé indépendants occupant la même bande RF :

où M est le nombre d'utilisateurs (actifs) transmettant simultanément ; g i (t) -PSP i-ième paireémetteur-récepteur; s i (t) signal modulé; I (t) - interférence (intentionnelle ou intrinsèque); n (t) - ABGSH.

Dans le récepteur de l'utilisateur auquel le message est destiné, il existe un signal synchronisé dans le temps g i (t) qui fournit une compression

spectre et représentant une copie exacte du signal PRS de l'émetteur correspondant. Le signal PSK à bande étroite obtenu après compression du spectre est démodulé. L'exemple illustré utilise une modulation/démodulation de phase binaire. Cependant, la mise en œuvre d'autres types est possible.

modulation, tels que MSK, GMSK, GFS ^ FBPSK et FQFSK.

Si un ensemble de signaux PRS non corrélés est sélectionné, alors après l'opération de compression de spectre, seul le signal utile modulé est retenu. Tous les autres signaux, étant non corrélés, conservent leur large bande et ont une largeur spectrale qui dépasse la bande passante de coupure du filtre démodulateur.

les parties réceptrices du système sont illustrées à la Fig. 4. Ici, le générateur binaire PRS contrôle le synthétiseur de fréquence, à l'aide duquel s'effectue la transition ("saut") d'une fréquence à une autre à partir de l'ensemble des fréquences disponibles. Voici donc l'effet d'expansion

le spectre est obtenu grâce à un accord pseudo-aléatoire de la fréquence porteuse dont la valeur est choisie parmi les fréquences disponibles f j,. ... ... , fN,

où N peut atteindre des valeurs de plusieurs milliers ou plus.

Si le taux de restructuration des messages (taux de changement de fréquences)

dépasse le taux de transmission des messages, alors nous avons un système avec rapide accord de fréquence. Si la vitesse de syntonisation est inférieure à la vitesse

transmission de messages, de sorte que dans l'intervalle de réglage plusieurs bits sont transmis, alors nous avons un système avec accord de fréquence lent.

1.1. Brève caractéristique de l'étalement du spectre des signaux par la méthode des sauts de fréquence

1.1.1. Principes de base et méthodes d'étalement du signal

Dans le cas où les chercheurs et les développeurs de systèmes de radiocommunication (RLS) sont confrontés au problème d'assurer une communication fiable dans des conditions d'interférences organisées et non intentionnelles, de propagation par trajets multiples d'ondes radio, ainsi que la mise en œuvre d'accès multiples lorsqu'ils travaillent dans des réseaux de communication radio par paquets , les meilleurs résultats peuvent être obtenus lorsqu'ils sont utilisés dans des signaux à spectre étalé RLS. Les principes de base des méthodes connues pour étendre le spectre des signaux, qui reflètent de manière adéquate leur essence physique, sont donnés dans : ... l'élargissement du spectre du signal est une méthode de transmission dans laquelle le signal occupe une bande passante plus large que la bande passante minimale requis pour la transmission d'informations; l'élargissement de la bande passante du signal est assuré par un code spécial qui ne dépend pas des informations transmises ; pour la compression ultérieure de la bande de fréquence du signal et la récupération des données dans le dispositif de réception, un code spécial est également utilisé, similaire au code de l'émetteur CPC et synchronisé avec celui-ci ... Ainsi, la méthode de transmission d'informations à spectre étalé consiste : côté émission - dans la modulation simultanée et indépendante du signal de paramètres avec un code spécial (fonction d'étalement) et du message transmis; côté réception, en démodulation synchrone du signal conformément à la fonction d'étalement et restitution du message transmis.

Malgré le fait que les principes d'élargissement du spectre des signaux sous forme générale étaient déjà connus dans les années 1920 et 1930, la base théorique du développement du CPC avec de tels signaux était la formule fondamentale de K.E. Shannon

qui, caractérisant les capacités limitantes d'un canal gaussien, élargit radicalement la compréhension de la possibilité de transmettre des informations sur des canaux de communication radio avec un bruit blanc gaussien additif à bande limitée (AWGN).

Ainsi, de (1.1) il résulte que le débit (bit/s) du canal de communication radio, après qu'il a été fixé, sous l'action d'une interférence gaussienne additive (bruit) avec une puissance moyenne (W) limitée soit en utilisant une bande de fréquence large ( Hz) avec un faible rapport signal sur bruit, soit - une bande de fréquence étroite (Hz) avec un rapport signal sur bruit plus élevé, où est la puissance moyenne du signal. Par conséquent, un échange est possible entre la bande passante du canal et le rapport signal sur bruit dans ce canal. Dans ce cas, conformément à la dépendance (1.1), le plus avantageux est l'échange de la puissance du signal contre la largeur de bande du canal. Par exemple, vous souhaitez fournir une bande passante bit/s avec un rapport signal sur bruit =. Sur la base de (1.1), le canal radio devrait avoir une bande passante en MHz. Avec un rapport signal sur bruit plus élevé, par exemple, la bande passante d'un canal de communication radio, bit/s, peut être réalisée avec une bande de fréquence kHz suffisamment étroite. La formule (1.1) indique également que pour un rapport signal/bruit donné dans un canal de communication radio avec un AWGN, le débit peut être augmenté par une extension correspondante du spectre du signal.

Pour les petits rapports signal sur bruit, l'expression (1.1) prend la forme :

où 1,44 est le module de transition du binaire au logarithme népérien ; dans le cas de grands rapports, il résulte de (1.1) avec une bonne approximation que

La bande passante pour un canal de communication radio gaussien a une valeur limite à

où est la densité spectrale de puissance unilatérale du bruit blanc.

L'expression (1.2c) indique que dans un canal bruité, même dans le cas limite, lorsque le rapport signal sur bruit doit dépasser une certaine valeur seuil. Donc, pour transmettre un peu d'information, l'énergie de signal requise (ou).

Si le débit est égal au débit de transmission d'informations requis, alors à partir de (1.1) et (1.2), on peut voir qu'à, le canal de communication radio peut fonctionner avec un excès significatif de la puissance d'interférence par rapport à la puissance du signal utile. Par conséquent, les méthodes d'élargissement du spectre des signaux sont largement utilisées dans les CDS spéciaux, qui doivent assurer une communication fiable dans des conditions de suppression électronique (REB).

Les techniques d'étalement peuvent être basées sur le changement (modulation) de l'amplitude, de la phase, de la fréquence et de la position temporelle (retard) du signal conformément à un code spécial généré sur la base d'une séquence pseudo-aléatoire.

Cependant, la modulation d'amplitude n'est généralement pas utilisée pour générer un signal à spectre étalé, car cela produit un signal avec une valeur de puissance de crête (instantanée) élevée, qui est assez facilement détectée par de simples récepteurs de stations de renseignement électronique (RTR).

En raison d'une immunité insuffisante au bruit, la méthode d'étalement du spectre due à la modulation de la position temporelle (retard) du signal, dite méthode de modulation pseudo-aléatoire en temps d'impulsion (PSTM), ne trouve pas sa propre application dans le CPC. Avec la méthode PIMM, l'élargissement du spectre est obtenu en compressant le signal d'information dans le domaine temporel. Réduire le temps de transmission de chaque signal d'information dans le temps conduit à l'étalement du spectre du signal dans le temps et réduit au temps de transmission total. Les informations ne sont transmises qu'à des intervalles de temps spécifiés, qui se succèdent en fonction du code sélectionné. Lors de l'utilisation de la méthode PMIM, ainsi que de la méthode d'étalement du spectre due à la modulation d'amplitude, il existe un facteur de crête important, ce qui conduit à une consommation irrationnelle de la puissance de l'émetteur CPC.

Les principales méthodes de base pour étendre le spectre des signaux, largement utilisées dans les CDS modernes, les systèmes de contrôle et la distribution d'informations, sont les suivantes :

Méthode de modulation directe d'une porteuse avec une séquence pseudo-aléatoire (PSP) ;

Méthode d'accord pseudo-aléatoire de la fréquence de fonctionnement (PFC);

Méthode d'utilisation conjointe (complexe) différentes méthodes; par exemple, modulation directe de la bande passante de la porteuse et saut de fréquence ; Méthode PPRCH et méthode PVIM et autres combinaisons.

Dans la première méthode, l'étalement du spectre du signal est réalisé par modulation directe de la fréquence porteuse PSP, dont les chips sont générées à un débit dépassant largement le débit de la séquence d'informations, puis superposées à chaque symbole d'information. Un exemple typique de tels signaux est constitué par les signaux à large bande à déphasage (PSMS). Avec une forme rectangulaire des éléments de la séquence d'informations et lors de l'utilisation du PSP, qui assure l'étalement du spectre du signal, le PSMN binaire peut être décrit par l'expression

La figure 1.4, a, b sous une forme idéalisée montre les densités de puissance spectrale du signal et les interférences à bande étroite aux points caractéristiques des diagrammes structurels de l'émetteur et du récepteur d'un SRS avec PMNPS.

En figue. 1.4 montre comment le spectre du signal utile est converti et le spectre des interférences à bande étroite est étendu dans les dispositifs d'émission et de réception du SRS avec FMSHPS.

Département de l'informatique, des systèmes de contrôle et des télécommunications

Cours sur le sujet :
Modulation à spectre étalé. Expansion directe spectre "

Complété
étudiant du groupe Р-312
Aminov A.R.

Vérifié
Préobrajenski A.V.

N.Novgorod
2009

Modulation à spectre étalé.
Omniprésent réseaux sans fil, le développement de l'infrastructure hotspot, l'émergence des technologies mobiles avec une solution sans fil intégrée (Intel Centrino) a conduit au fait que les utilisateurs finaux (sans parler clientèle) a commencé à accorder de plus en plus d'attention aux solutions sans fil. De telles solutions sont envisagées avant tout comme un moyen de déployer des réseaux locaux sans fil mobiles et fixes et un moyen d'accès en ligne à Internet. Cependant, l'utilisateur final qui n'est pas un administrateur réseau n'est généralement pas bien familiarisé avec technologies de réseau il lui est donc difficile de faire un choix lors de l'achat d'une solution sans fil, surtout compte tenu de la variété des produits proposés aujourd'hui.
Le développement rapide de la technologie sans fil a conduit au fait que les utilisateurs, n'ayant pas le temps de s'habituer à une norme, sont obligés de passer à une autre, offrant des débits de transmission encore plus élevés. Nous parlons bien sûr d'une famille de protocoles de communication sans fil connue sous le nom d'IEEE 802.11, qui comprend les protocoles suivants : 802.11, 802.11b, 802.11b+, 802.11a, 802.11g. Récemment, ils ont commencé à parler de l'expansion du protocole 802.11g.
Les différents types de réseaux sans fil diffèrent les uns des autres en termes de portée, de vitesses de connexion prises en charge et de technologie de codage des données. Ainsi, la norme IEEE 802.11b prévoit une vitesse de connexion maximale de 11 Mbit/s, la norme IEEE 802.11b+ - 22 Mbit/s, les normes IEEE 802.11g et 802.11a - 54 Mbit/s.
L'avenir de la norme 802.11a est plutôt flou. Il est certain qu'en Russie et en Europe, cette norme ne sera pas largement utilisée, et aux États-Unis, où elle est maintenant utilisée, il est probable que dans un proche avenir, il y aura une transition vers des normes alternatives. Mais la nouvelle norme 802.11g a de grandes chances d'être reconnue dans le monde entier. Un autre avantage de la nouvelle norme 802.11g est qu'elle est entièrement compatible avec les normes 802.11b et 802.11b +, c'est-à-dire que tout appareil prenant en charge la norme 802.11g fonctionnera (bien qu'à des vitesses de connexion inférieures) en 802.11b / b + réseaux. , et un appareil prenant en charge la norme 802.11b / b + fonctionne sur les réseaux 802.11g, bien qu'à une vitesse de connexion plus lente.
La compatibilité des normes 802.11g et 802.11b/b+ est due, d'une part, au fait qu'elles supposent l'utilisation de la même gamme de fréquences, et d'autre part, que tous les modes prévus dans les protocoles 802.11b/b+ sont implémentés en la norme 802.11g. Par conséquent, la norme 802.11b/b+ peut être considérée comme un sous-ensemble de la norme 802.11g.
Couche physique du protocole 802.11
Il est conseillé de commencer la revue des protocoles de la famille 802.11b/g par le protocole 802.11, qui, bien qu'on ne le retrouve plus sous sa forme pure, est en même temps l'ancêtre de tous les autres protocoles. La norme 802.11, comme toutes les autres normes de cette famille, prévoit l'utilisation de la gamme de fréquences de 2400 à 2483,5 MHz, c'est-à-dire la gamme de fréquences de 83,5 MHz, qui, comme on le verra ci-dessous, est divisée en plusieurs sous-canaux de fréquences. .
Technologie à spectre étalé
Tous les protocoles sans fil 802.11 sont basés sur la technologie Spread Spectrum (SS). Cette technologie implique que le signal d'information utile initialement à bande étroite (en termes de largeur de spectre) pendant la transmission est converti de manière à ce que son spectre soit beaucoup plus large que le spectre du signal d'origine. C'est-à-dire que le spectre du signal est "étalé" sur la gamme de fréquences, pour ainsi dire. Simultanément à l'élargissement du spectre du signal, une redistribution de la densité d'énergie spectrale du signal se produit - l'énergie du signal est également "étalée" sur le spectre. En conséquence, la puissance maximale du signal converti est nettement inférieure à la puissance du signal d'origine. Dans ce cas, le niveau du signal d'information utile peut être littéralement comparé au niveau de bruit naturel. En conséquence, le signal devient, en un sens, "invisible" - il est simplement perdu au niveau du bruit naturel.
En fait, c'est précisément dans la variation de la densité d'énergie spectrale du signal que réside l'idée d'élargissement du spectre. Le fait est que si nous abordons le problème de la transmission de données de manière traditionnelle, c'est-à-dire comme c'est le cas dans la radiodiffusion, où chaque station de radio se voit attribuer sa propre portée de diffusion, nous nous heurterons inévitablement au problème que dans les limites portée radio destinée à un usage commun, il est impossible de "Fit" tout le monde. Par conséquent, il est nécessaire de trouver un moyen de transmettre des informations dans lequel les utilisateurs pourraient coexister dans la même gamme de fréquences et ne pas interférer les uns avec les autres. C'est exactement ce que résout la technologie d'élargissement du spectre.
Avantages des systèmes à spectre étalé
- Immunité élevée au bruit. Avec une bande passante limitée de la densité spectrale d'interférence, le rapport signal sur bruit augmente de G p = Pw / P fois, où P est la bande passante du signal d'origine, Pw est la bande passante du signal après étalement du spectre, G p est le spectre facteur d'étalement. Si le spectre d'interférence est uniforme (bruit blanc), le rapport signal sur bruit ne s'améliore pas.
- Confidentialité des communications. Le message ne peut pas être lu sans connaître l'algorithme d'étalement de spectre.
- Possibilité de transmission simultanée de plusieurs messages sur une seule fréquence porteuse dans un système de multiplexage par répartition en code ( AMRC (Anglais Code Division Multiple Access) - accès multiple avec division de code.
Les canaux de trafic avec cette méthode de division du support sont créés en attribuant à chaque utilisateur un code numérique distinct qui s'étend sur toute la bande passante. Il n'y a pas de division temporelle, tous les abonnés utilisent constamment toute la bande passante du canal. La bande de fréquence d'une chaîne est très large, la diffusion des abonnés se superpose, mais comme leurs codes sont différents, ils peuvent être différenciés.
La technologie d'accès multiple par division de code est connue depuis longtemps. En URSS, le premier ouvrage sur ce sujet a été publié en 1935 par D.V. Ageev.)
- Capacité de transmission de signaux à faible puissance. L'énergie du signal est maintenue élevée en augmentant la durée du signal. Le secret énergétique de la communication est assuré. Le signal n'est pas détecté, mais est perçu comme du bruit.
- Haute résolution temporelle(plus le spectre est large, plus le front du signal est raide). Le moment du début du signal est déterminé de manière très précise, ce qui est important pour les systèmes de mesure de distance par temps de transit du signal et pour la synchronisation de l'émetteur et du récepteur.
Techniques d'étalement de spectre les plus courantes
- Spectre d'étalement direct(séquençage direct) à l'aide d'une séquence binaire pseudo-aléatoire (PRS) modulant le signal. La largeur du spectre est limitée par la durée minimale techniquement réalisable d'un symbole PSP élémentaire. Le spectre s'étend à des dizaines de mégahertz.
- Saut de transporteur(saut de fréquence).Habituellement, M-ary FSK est utilisé. M symboles correspondent à M fréquences espacées les unes des autres d'un intervalle ré F. La fréquence centrale f 0 de cette plage change de sauts sous le contrôle du PSP dans la bande de saut plusieurs fois au cours de la transmission d'un symbole de message (saut rapide) ou avec un intervalle égal à la durée de plusieurs symboles (saut lent). Les sauts de fréquence rendent difficile le maintien de la cohérence du signal. Par conséquent, la démodulation est généralement incohérente. Pour assurer l'orthogonalité des signaux, la distance entre les fréquences doit satisfaire la condition ré f = m / T s, m est un entier. Le spectre peut s'étendre jusqu'à plusieurs gigahertz : le facteur d'étalement du spectre est plus élevé qu'avec l'étalement direct.
Spectre d'étalement direct
Dans le codage de potentiel, les bits d'information - zéros et uns logiques - sont transmis par des impulsions de tension rectangulaires. Impulsion rectangulaire la durée T a un spectre dont la largeur est inversement proportionnelle à la durée de l'impulsion. Par conséquent, plus la durée du bit d'information est courte, plus le spectre est occupé par un tel signal.
Afin d'élargir délibérément le spectre du signal initialement à bande étroite dans la technologie DSSS, une séquence de ce qu'on appelle des puces est littéralement intégrée dans chaque bit d'information transmis (logique 0 ou 1). Si les bits d'information - zéros ou uns logiques - pendant le codage potentiel des informations peuvent être représentés comme une séquence d'impulsions rectangulaires, alors chaque puce individuelle est également une impulsion rectangulaire, mais sa durée est plusieurs fois inférieure à la durée du bit d'information. La séquence de puces est une séquence d'impulsions rectangulaires, c'est-à-dire des zéros et des uns, mais ces zéros et ces uns ne sont pas informatifs. Etant donné que la durée d'une puce est n fois inférieure à la durée du bit d'information, alors la largeur du spectre du signal converti sera n fois plus grande que la largeur du spectre du signal d'origine. Dans ce cas, l'amplitude du signal transmis diminuera de n fois.
Les séquences de puces intégrées dans les bits d'information sont appelées codes de type bruit (séquences PN), ce qui souligne le fait que le signal résultant devient semblable à du bruit et difficile à distinguer du bruit naturel.
Comment élargir le spectre du signal et le rendre indiscernable du bruit naturel est compréhensible. Pour cela, en principe, vous pouvez utiliser une séquence de puces arbitraire (aléatoire). Cependant, la question se pose : comment recevoir un tel signal ? Après tout, s'il devient semblable à du bruit, il n'est pas si facile, voire impossible, d'en extraire un signal d'information utile. Il s'avère que c'est possible, mais pour cela, il est nécessaire de sélectionner la séquence de puces en conséquence. Les séquences de puces utilisées pour étaler le spectre du signal doivent satisfaire à certaines exigences d'autocorrélation. Le terme autocorrélation en mathématiques désigne le degré de similitude d'une fonction avec elle-même à différents moments. Si nous choisissons une telle séquence de puces pour laquelle la fonction d'autocorrélation aura un pic prononcé pendant un seul instant, alors un tel signal d'information peut être isolé au niveau du bruit. Pour cela, le signal reçu est multiplié par la même séquence de puces dans le récepteur, c'est-à-dire que la fonction d'autocorrélation du signal est calculée. En conséquence, le signal redevient bande étroite, il est donc filtré dans une bande de fréquence étroite et toute interférence qui tombe dans la bande du signal large bande d'origine, après multiplication par la séquence de puces, au contraire, devient large bande et est coupée par des filtres, et seule une partie de l'interférence tombe dans la bande d'information étroite, par la puissance est nettement inférieure à l'interférence agissant à l'entrée du récepteur.
Exigences de base pour la PSP
- L'imprévisibilité de l'apparition des signes 1 et 0, en raison de laquelle le spectre du signal devient uniforme, et la détermination de l'algorithme de formation de la bande passante par sa section de longueur limitée est impossible.
- Disponibilité d'un grand nombre de bandes passantes différentes de la même longueur pour les systèmes de division du code du bâtiment.
- Bonnes propriétés de corrélation de la PSP, décrites par les fonctions d'autocorrélation (ACF) et d'intercorrélation (PCF), périodique et apériodique.
Caractéristiques des séquences pseudo-aléatoires (PSP)
Les caractéristiques de la PSP sont les fonctions d'autocorrélation (ACF) et d'intercorrélation (PCF), périodique et apériodique. FAC et FVK sont calculés en calculant la différence du nombre de bits coïncidents et non coïncidents de la PSP comparée aux décalages de l'un d'entre eux.
FAK et FVK périodiques
etc.................

Techniques de diffusion du spectre

Initialement, les méthodes à spectre étalé (PC ou SS - Spread-Spectrum) ont été utilisées dans le développement de systèmes de contrôle et de communication militaires. Pendant la Seconde Guerre mondiale, le spectre étalé a été utilisé dans les radars pour lutter contre les interférences intentionnelles. Ces dernières années, le développement de cette technologie s'explique par la volonté de créer des systèmes de communication radio efficaces pour assurer une immunité élevée au bruit lors de la transmission de signaux à bande étroite sur des canaux bruités et compliquer leur interception.

Un système de communication est un système à spectre étalé dans les cas suivants :

La bande de fréquence utilisée pour la transmission est beaucoup plus large que le minimum requis pour la transmission des informations courantes. Dans ce cas, l'énergie du signal d'information se dilate sur toute la bande passante avec un faible rapport signal sur bruit, de sorte que le signal est difficile à détecter, intercepter ou empêcher sa transmission en introduisant des interférences. Bien que la puissance totale du signal puisse être importante, le rapport signal sur bruit dans n'importe quelle gamme de fréquences est faible, ce qui rend le signal à spectre étalé difficile à détecter dans les communications radio et, dans le contexte de la dissimulation d'informations stéganographiques, difficile à distinguer par les humains .

L'étalement s'effectue à l'aide d'un signal dit d'étalement (ou code), indépendant de l'information transmise. La présence d'énergie de signal dans toutes les bandes de fréquences rend le signal radio à spectre étalé résistant aux interférences, et les informations intégrées dans le conteneur à l'aide de la méthode à spectre étalé résistent à son élimination ou à son retrait du conteneur. La compression et d'autres types d'attaques sur un système de communication peuvent supprimer l'énergie du signal de certaines parties du spectre, mais comme ce dernier était réparti sur toute la plage, il y a suffisamment de données dans d'autres bandes pour récupérer des informations. En conséquence, si, bien sûr, vous ne divulguez pas la clé qui a été utilisée pour générer le signal de code, la probabilité de récupération d'informations par des personnes non autorisées est considérablement réduite.

La récupération de l'information primaire (c'est-à-dire "la réduction du spectre") est effectuée en comparant le signal reçu et une copie synchronisée du signal de code.

Il existe trois manières principales d'étendre le spectre dans les communications radio :

Avec l'aide de PSP direct (RSPP);

Utilisation des sauts de fréquence ;

Via compression utilisant chirp.

Lors de l'étalement du spectre avec une séquence directe, le signal d'information est modulé par une fonction qui prend des valeurs pseudo-aléatoires dans les limites spécifiées et multiplié par une constante de temps - la fréquence (taux) des puces (puces). Ce signal pseudo-aléatoire contient des composantes à toutes les fréquences qui, lorsqu'elles sont étalées, modulent l'énergie du signal sur une large plage.

Dans l'étalement par sauts de fréquence, l'émetteur change instantanément une fréquence porteuse en une autre. La clé secrète dans ce cas est la loi pseudo-aléatoire de variation de fréquence.

En compression chirp, le signal est modulé par une fonction dont la fréquence change dans le temps.

Il est évident que n'importe laquelle de ces méthodes peut être étendue pour être utilisée dans le domaine spatial lors de la construction de systèmes stéganographiques.

Considérons l'une des variantes de l'implémentation de la méthode RSPP, dont les auteurs sont J.R. Smith et V.O. Comiskey. L'algorithme de modulation est le suivant : chaque bit d'un message est représenté par une fonction de base, la dimension multipliée, selon la valeur du bit (1 ou 0), par +1 ou -1 :

Le message modulé reçu dans ce cas est pixel par pixel ajouté à l'image conteneur, qui est utilisée comme une image en niveaux de gris en taille. Le résultat est une image stegano, avec.

2.4.2. Méthode d'étalement direct du spectre

Une propriété importante de la méthode d'étalement direct du spectre est que la largeur du spectre du signal modulant la fréquence de référence, et donc le signal radio, est principalement déterminée non par le taux de transmission. informations utiles, et les paramètres de la bande passante. Une impulsion PSP élémentaire est appelée puce. Chaque bit d'information après multiplication avec la bande passante mémoire sera affiché par plusieurs puces. (Par exemple, un bit d'information est affiché par 128 puces PSP.) Le débit dans le canal radio est défini comme le produit du débit de transmission à la sortie de l'encodeur de canal et du nombre de puces par intervalle d'un bit. Typiquement, le débit de transmission dans un canal radio est mesuré en mégapuces par seconde (Mchip/s).

Les signaux à spectre étalé sont pseudo-aléatoires, c'est-à-dire qu'ils ont des propriétés similaires à celles d'un processus aléatoire ou d'un bruit, bien qu'ils soient générés selon des algorithmes complètement déterministes. La PSP est le plus souvent binaire avec les éléments 0 et 1 et possède des propriétés similaires à celles d'une séquence binaire aléatoire. Par exemple, si sur n'importe quel intervalle fini le nombre de zéros est approximativement égal au nombre de uns, alors la fonction d'autocorrélation d'une telle séquence est proche de la fonction d'autocorrélation d'une séquence binaire aléatoire, en particulier, elle a de petites valeurs du coefficient de corrélation entre copies d'une même séquence décalées les unes par rapport aux autres, etc... Cette propriété est utilisée pour reconnaître la bande passante mémoire.

Les séquences pseudo-aléatoires sont généralement formées à l'aide de chaînes logiques qui implémentent des algorithmes déterministes. En figue. 2.5 montre un exemple d'un tel circuit, qui contient un registre à décalage d'éléments connectés en série avec deux états stables et certains schéma logique dans la boucle de rétroaction.

La séquence binaire des symboles 0 et 1, stockée dans le registre, est décalée vers la droite dans le registre lorsque la prochaine impulsion d'horloge est appliquée ; le caractère de la dernière cellule du registre est sorti en tant que caractère suivant dans la séquence ; les symboles de tout ou partie des cellules de registre sont introduits dans une boucle de rétroaction logique, dans laquelle un symbole de rétroaction est formé, qui est transmis à la première cellule de registre.

La période d'horloge détermine la durée du symbole élémentaire (puce) de la séquence. Si la boucle de retour logique ne contient que les éléments XOR qui sont le plus souvent utilisés, cet appareil appelé générateur de séquence pseudo-aléatoire linéaire (PRS). Dans ce cas, la valeur du prochain symbole à la sortie de la boucle de rétroaction est déterminée par la relation de récurrence suivante :

où le symbole "+" désigne la sommation modulo 2, et les coefficients et les symboles prennent les valeurs 0 ou 1. La logique de retour dans ce cas est un additionneur modulo 2.

L'état initial des cellules de registre et la structure de la boucle de rétroaction logique déterminent complètement l'état ultérieur des cellules de registre. Si nous prenons un état du registre à décalage comme état initial, alors à travers N cycles, cet état se répétera à nouveau. Si en même temps enregistrer une séquence de caractères à la sortie de la cellule avec le numéro je, alors la longueur de cette séquence sera égale à N. A la suite Nétapes, cette séquence sera répétée à nouveau, et ainsi de suite.

Nombre N est appelée la période de la séquence. Valeur N avec longueur de registre fixe m dépend du nombre de poids non nuls de et l'emplacement des prises correspondantes dans le registre. Par exemple, de l'égalité (2.6), il s'ensuit que si à un moment donné l'état de toutes les cellules du registre s'avère égal à 0, alors tous les éléments suivants de la séquence à la sortie du registre seront nuls. Il existe divers états non nuls du registre à décalage. Par conséquent, la période de la PSP linéaire formée par le registre à décalage avec m cellules, ne peut pas dépasser les caractères. PSP avec une période générée par un registre à décalage linéaire Rétroaction sont appelés séquences longueur maximale ou, plus brièvement, M-séquences. La durée de la période de répétition PSP peut être de dizaines à centaines d'heures.

L'appareil, dont le schéma fonctionnel est illustré à la Fig. 2.5 peut être appelé une machine numérique. Si la suite qu'il forme est décrite par l'équation (2.6), alors ces automates sont généralement spécifiés par le polynôme caractéristique :

où et. La valeur du vecteur détermine complètement la structure de la machine de formation PSP : si le coefficient, alors cela signifie que la sortie de la cellule je non connecté au circuit de retour ; à je-ème sortie est connectée.

On connaît un assez grand nombre de méthodes de formation de séquences pseudo-aléatoires dont les propriétés statistiques sont bien étudiées. Leur fonction d'autocorrélation a un maximum prononcé et la fonction de corrélation croisée a un caractère aléatoire semblable à un bruit avec un faible niveau de valeurs. De nouvelles façons de mettre en œuvre le PSP sont reçues à l'heure actuelle.

Il existe deux manières d'obtenir un signal radio à spectre étalé. Par exemple, multipliez d'abord la séquence de bits d'origine de la sortie du codeur de canal par le signal PRP, étalant ainsi le spectre. Puis, avec le signal reçu, moduler les oscillations de la fréquence porteuse. Avec la deuxième modulation, vous pouvez utiliser les techniques de modulation de phase (BPSK, QPSK) ou d'amplitude-phase (QAM). Un exemple de construction d'un tel procédé pour générer un signal radio avec un spectre étalé est montré dans le schéma fonctionnel de la Fig. 2.6.

Figure. 2.6. Schéma fonctionnel de la formation d'un signal radio à spectre étalé

Le filtre de bande de base dans ce schéma est conçu pour obtenir un signal de bande de base avec la forme requise de la densité spectrale de puissance et la bande de fréquence requise. Cependant, maintenant à l'entrée du filtre, le signal a un spectre beaucoup plus large, de sorte que le signal radio a également un DANS fois un spectre plus large qu'un signal radio à bande étroite conventionnel.

Un résultat similaire sera obtenu si vous modulez d'abord les oscillations de fréquence porteuse avec la séquence de bits en utilisant les méthodes BPSK, QPSK ou QAM, puis modulez le signal radio reçu avec des impulsions PSP.

L'étalement direct du spectre est réalisé en multipliant le signal d'information par le signal PSP , généré à partir d'une séquence pseudo-aléatoire pendant toute la session de communication. En conséquence, le signal modulant peut être écrit :

En figue. 2.7 montre une vue approximative d'une partie de la séquence binaire d'origine, le signal PRS et leurs spectres correspondants.

Figure. 2.7. Une vue approximative du rapport de la séquence de bits et de la bande passante

Les signaux à spectre étalé ont caractéristique intéressante... Lorsque la séquence de bits est multipliée pour la première fois avec le signal PRS (au niveau de l'émetteur), le spectre est étalé sur la bande passante. Au niveau du récepteur, le signal radio à spectre étalé d'entrée est transmis au premier démodulateur, qui est également alimenté avec la même bande passante utilisée dans l'émetteur. En multipliant le signal radio d'entrée par le signal PSP à la sortie du premier démodulateur, on obtient un signal radio dont le spectre est à nouveau rétréci et devient égal en largeur au spectre de la séquence de bits du canal. Il est important de noter que lors de la première multiplication (dans l'émetteur) de la séquence de bits avec le signal PRP, le spectre s'étend, et la deuxième multiplication (dans le démodulateur du récepteur) avec le même PRP, rétrécit à nouveau le spectre à l'original spectre des bits du canal. Cette propriété des signaux à spectre étalé joue un rôle très utile dans la réduction impact négatif ingérence. Supposons qu'il y ait une interférence à bande étroite (intentionnelle ou accidentelle) dans le canal radio, dont le spectre se situe dans le spectre étalé du signal. Lorsque l'interférence, avec le signal à l'entrée du récepteur sur le premier démodulateur, le signal subira une deuxième multiplication par la PSP, son spectre se rétrécira, et l'interférence subira la première multiplication avec la PSP, et son spectre s'étendra et son énergie sera "étalée" sur une large gamme de fréquences (voir Fig. 2.8, mais). Lorsque le spectre du signal utile est sélectionné par un filtre passe-bande (par exemple, à une fréquence intermédiaire), seule une petite fraction de l'énergie d'interférence tombera dans sa bande. Par conséquent, même une interférence à bande étroite relativement forte aura peu d'effet.

a - brouillage à bande étroite; b - interférence large bande

Lorsqu'une interférence large bande frappe l'entrée du récepteur avec un signal utile (Fig. 2.8, b) après multiplication avec le PSP, les spectres du signal et de l'interférence seront proportionnellement rétrécis. S'ils avaient des bandes différentes et des fréquences centrales différentes, alors les interférences et le signal peuvent être séparés par un filtre passe-bande. Cette immunité aux interférences rend attrayant l'utilisation de signaux à spectre étalé dans un environnement d'interférence.

Dans des conditions de propagation du signal par trajets multiples, les copies réfléchies arriveront à l'entrée du récepteur avec un retard par rapport au signal principal. Si le retard des copies est plus long que la durée de la puce, alors elles peuvent être séparées du signal principal. Dans un signal à bande étroite modulé avec des impulsions binaires, la durée de la salve binaire est assez longue et les copies réfléchies du signal ont le temps de se superposer au signal principal. La durée des impulsions de la puce est beaucoup plus courte, de sorte que les signaux réfléchis ne peuvent pas être superposés au signal principal.

Une autre propriété des signaux à spectre étalé doit être notée. Étant donné que la largeur du spectre étalé du signal radio d'un canal est beaucoup plus grande que la largeur du spectre du signal obtenu avec division de fréquence canaux (bande étroite), alors avec la même puissance rayonnée de ces signaux radio, la densité de puissance spectrale du signal à spectre étalé s'avère beaucoup plus faible et peut même ne pas dépasser la densité spectrale de puissance de bruit. Cela offre une bonne furtivité pour les signaux à large bande.

Il est également important pour les systèmes de communication mobile qu'il n'y ait pas besoin de résoudre le problème de la répartition des fréquences entre les différents abonnés, puisque tous les abonnés utilisent la même bande de fréquences. Pour les méthodes de modulation à bande étroite, la résolution du problème de planification des fréquences est obligatoire.

Une caractéristique importante d'un signal à large bande est sa base, dont la signification réside dans l'augmentation relative de la bande de fréquence du signal émis dans le canal radio par rapport à la bande de fréquence du signal binaire (original). Valeur de base du signal :. Habituellement, la base du signal est définie en décibels :. En pratique, il est plus commode de définir la base du signal comme le produit de la largeur spectrale du signal original et de la durée du symbole PSP élémentaire (puce) :. Pour de nombreuses raisons, il est pratique d'utiliser la bande passante de la bande passante de sorte que la base de signal à spectre étalé soit un nombre entier. Côté réception, il est pratique d'utiliser le concept traitement des paiements, dont la valeur est numériquement égale à la valeur de la base du signal et signifie un gain dû au rétrécissement inverse du spectre de l'étendu à l'original :.

Énumérons brièvement quelques-unes des propriétés des signaux directs à étalement de spectre qui sont les plus importantes du point de vue de l'organisation de l'accès multiple dans les systèmes de communication avec des objets mobiles.

· Accès multiple. Si plusieurs abonnés utilisent un canal de transmission en même temps, alors plusieurs signaux DSP sont simultanément présents dans le canal. Chacun de ces signaux occupe toute la bande passante du canal. Dans le récepteur du signal d'un abonné spécifique, l'opération inverse est effectuée - le repliement du signal de cet abonné en utilisant le même signal pseudo-aléatoire qui a été utilisé dans l'émetteur de cet abonné. Cette opération concentre la puissance de le signal large bande reçu à nouveau dans une bande de fréquence étroite égale à la largeur du spectre des symboles d'information. Si la fonction de corrélation croisée entre les signaux pseudo-aléatoires cet abonné et d'autres abonnés est suffisamment petit, alors avec une réception cohérente, seule une petite fraction de la puissance du signal des abonnés restants entrera dans la bande d'informations du récepteur de l'abonné. Le signal d'un abonné spécifique sera reçu correctement.

· Interférence multi-trajets. Si le signal pseudo-aléatoire utilisé pour l'étalement du spectre a une fonction d'autocorrélation idéale, dont les valeurs sont égales à zéro en dehors de l'intervalle, et si le signal reçu et la copie de ce signal dans un autre faisceau sont décalés dans le temps de une plus grande quantité, puis lorsque le signal est déroulé, sa copie peut être considérée comme une interférence gênante ne contribuant qu'à une faible fraction de la puissance de la bande d'information.

· Interférence à bande étroite. En réception cohérente au niveau du récepteur, le signal reçu est multiplié par une copie du signal pseudo-aléatoire utilisé pour étaler le spectre au niveau de l'émetteur. Par conséquent, le récepteur effectuera l'opération d'étalement du spectre des interférences à bande étroite, similaire à celle qui a été effectuée avec le signal d'information dans l'émetteur. Par conséquent, le spectre des interférences à bande étroite dans le récepteur sera étendu à DANS fois où DANS est le facteur d'étalement, de sorte que seule une petite fraction de la puissance d'interférence tombe dans la bande de fréquences d'information, en DANS fois inférieure à la puissance d'interférence d'origine.

· Probabilité d'interception. Etant donné qu'un signal à spectre étalé direct occupe toute la bande passante du système pendant toute la durée de transmission, sa puissance rayonnée pour 1 Hz de bande passante sera très faible. Par conséquent, la détection d'un tel signal est une tâche très difficile.

L'utilisation de signaux à large bande a ses propres avantages et inconvénients, en général, inhérents à toute méthode de leur formation.

Les avantages des signaux large bande :

• la génération des signaux pseudo-aléatoires nécessaires peut être assurée par des dispositifs simples (registres à décalage) ;
• l'opération d'étalement du spectre peut être réalisée multiplication simple ou ajout signaux numériques module 2 ;
• l'oscillateur porteuse est simple car il faut générer une onde porteuse harmonique avec une seule fréquence ;
• peut être mis en œuvre une réception de signal cohérente avec un spectre étalé direct ;
• il n'est pas nécessaire de fournir une synchronisation entre les abonnés du système.

Inconvénients des signaux large bande :

• l'alignement et le maintien de la synchronisation entre les codes pseudo-aléatoires générés au niveau du récepteur et contenus dans le signal reçu est une tâche difficile. La synchronisation doit être maintenue à une petite fraction de la durée d'un symbole élémentaire ;
• La réception correcte des informations n'est assurée qu'avec une grande précision de synchronisation temporelle, lorsque l'erreur est une petite fraction de la durée d'un symbole élémentaire, ce qui limite la possibilité de réduire la durée de ce symbole et, par conséquent, la possibilité d'étendre la bande passante seulement à 10 ... 20 MHz. Ainsi, il existe une limitation à l'augmentation du facteur d'étalement ;
• la puissance de signal reçue des abonnés proches de la BS est beaucoup plus élevée que la puissance de signal des abonnés distants. Par conséquent, l'abonné « proche » crée en permanence une interférence très puissante avec l'abonné « éloigné », rendant souvent impossible la réception de son signal. Ce problème proche peut être résolu en appliquant un système de contrôle de puissance pour la station utilisateur rayonnée et station de base vers la coutume. Le but du contrôle est d'assurer la même force de signal moyenne différents utilisateursà l'entrée du récepteur de la station de base.