ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL TEORIA DE LA COMUNICACIÓN PROYECTO
Tema: SPREAD SPECTRUM Integrantes: Marlon Integrantes: Marlon Apolo Ángel Alcocer Antonio Peña Grupo: GR2 Grupo: GR2
Tema: Spread Spectrum Introducción: A pesar de que en un sistema de comunicación lo que se busca es una alta eficiencia, es decir, se use baja potencia y bajo ancho de banda para transmitir la información, algunas aplicaciones sacrifican parte de esta eficiencia, esto para que el sistema no acepte interferencias externas, permita un acceso múltiple sin control externo y que el canal sea seguro y no pueda ser permitido el acceso a oyentes no autorizados. El Spread Spectrum o espectro ensanchado, una técnica de modulación usada para transmisión de información de forma digital y por radiofrecuencia, permite alcanzar estos objetivos, esto ya que presenta inmunidad para las interferencias junto a las posibilidades de encriptación, siendo estas propiedades muy exigidas en el sector militar. Reseña Histórica: Durante la segunda guerra mundial, aparecieron distintas necesidades tales como la intercepción de señales. En 1942, Hedy Lamarr y George Antheil tuvieron la idea de poder modificar constantemente la frecuencia del transmisor a la vez que la del receptor al enviar un torpedo, evitando la interferencia con el dispositivo por parte de la contraparte, sin embargo, tras presentar la patente, se detectaron problemas en su mecanismo, archivando la idea. En 1957, ingenieros de la empresa estadounidense Silvania Electronics Systems Division utilizaron transistores para desarrollar el sistema inventado. En 1962, el concepto fue adoptado por el gobierno de los EEUU para las comunicaciones militares. En 1985, el FCC (Comisión Federal de Comunicaciones) asigno a las redes inalámbricas basadas en el espectro ensanchado, las bandas IMS (Industrial: 902-928 MHz, Médica: 2400 24835 GHz y Científica: 5725-5850 GHz) En la actualidad, muchos sistemas orientados a voz y datos, tanto civiles como militares, emplean sistemas de espectro ensanchado. Principio y propósito en el que se basa el ensanchamiento del espectro El Spread Spectrum o ensanchamiento de espectro se basa en la transformación de una señal, de tal forma que su energía se reparta entre una banda de frecuencias (espectro) mayor a su espectro original. Por lo tanto el espectro usado es mucho mayor al que se usa en una transmisión convencional. En Spread Spectrum se cumple que:
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Debido a que el ancho de banda es muy grande.
Para ensanchar la banda se utiliza una señal pseudo aleatoria, ya que esta señal parece ruido también se la llama pseudo ruido, la señal transmitida poseerá características pseudo aleatorias, esta señal podrá ser demodulada solo si el receptor es capaz de generar la misma señal pseudo aleatoria. El hecho de que la energía se reparta en todo el espectro debido al ensanchamiento, la densidad espectral de potencias puede ser inferior a la potencia de ruido térmico del canal, lo cual hace que esta sea casi indetectable por terceros, y si esta es receptada por otro receptor, la transmisión no podrá ser legible ya que debe conocer la señal pseudo aleatoria. También permite la transmisión simultánea de varias señales por el mismo medio, para esto las señales pseudo aleatorias generadas deben ser aproximadamente incorreladas unas respecto de otras, siendo resistente a interferencias de unos canales sobre otros, esta técnica es conocida como CDMA (acceso múltiple por división de códigos). Transmisión en el sistema de espectro ensanchado: 1._Se modula una portadora con la señal en banda base. 2._A la vez se genera una señal de pseudo ruido a partir de una secuencia pseudo aleatoria de pulsos binarios, la cual al tener un periodo grande, parecerá aleatoria, al tener un ancho de banda grande, esta señal es usada para ensanchar el espectro de la señal. 3._La señal modulada en el primer paso es modulada por segunda vez con la señal ensanchadora, ensanchando el espectro de la primera señal modulada, el ancho de banda de la señal resultante es aproximadamente el mismo que la señal ensanchadora.
Figura 1. Diagrama de Bloques Spread Spectrum.
Ensanchamiento del Espectro en DSSS (Spread Spectrum de Secuencia Directa) Consiste en desplazar la fase de la señal portadora de forma brusca de acuerdo a una señal pseudo aleatoria, obteniendo una secuencia de pseudo ruido, la información de la señal es modulada con esta señal que se asemeja al ruido debido a que tiene un periodo largo, es decir, tras un número determinado de bits, el código se repite a si mismo de manera exacta, por lo tanto, se genera un patrón de bits de menor duración llamado señal de chips, esto para cada bit de información. La tasa de transmisión de chips respecto a la de bits de información es mayor, distribuyéndose la energía de la señal original sobre un espectro mayor. Mientras más grande sea la señal de chips, mayor resistencia tendrá la señal frente a interferencias. De acuerdo al estándar IEEE 802.11 el tamaño recomendado es de 11 bits, siendo 100 el valor óptimo. La velocidad de la secuencia de código es conocido como radio de chipping (cps: chips por segundo). Para poder demodular esta señal es necesario que el receptor conozca esta secuencia pseudo aleatoria, la información será recuperada al multiplicar la señal con una réplica de la secuencia pseudo aleatoria generada localmente.
Figura 2. Enseanchamiento y desensanchamiento con la pseudo aleatoria.
Usos: DSSS está definido por el IEEE en el estándar 802.11 para redes de área local inalámbricas WLAN. Este esquema de transmisión se emplea, con alguna variación, en sistemas CDMA asíncronos. Ventajas: Evita que la información sea escuchada por terceros. Resistencia frente a interferencias debido a que estas se encuentran a otra frecuencia determinada. Permite un uso muy eficiente de la banda. Tiene un temporizador preciso debido al código pseudo aleatorio, el cual permite detectar el inicio y final de la comunicación. Aplicaciones:
Teléfonos Inalámbricos Telefonía Celular Redes de Datos Comunicaciones Satelitales
Diagrama de Bloques Transmisor DSSS
Figura 3. Transmisor DSSS.
Diagrama de Bloques Receptor DSSS
Figura 4. Receptor DSSS.
Generación de códigos pseudo aleatorios: En el Ensanchamiento de Espectro para generar el código pseudo aleatorio, se utiliza el código Barker. Código Barker: Un código Barker es un subconjunto de secuencias pseudo aleatorias, es usado para sincronizar datos en sistemas de comunicación digital, está diseñada para que aparezca aproximadamente la misma cantidad de 1 que de 0.
Figura 5. Codificación de Barker.
Tipos de modulación digital aplicados a DSSS: Modulación DBPSK (Modulación Binaria por desplazamiento diferencial de fase): técnica de modulación digital, la cual no usa estados absolutos, tiene en cuenta la diferencia que tenga la señal de salida, para esto se debe conocer el bit anterior para compararlo con el bit enviado en ese momento, si el bit es 0 la fase no cambia y si el bit es 1 esta si cambia. Proporciona una velocidad de transferencia de 1 Mbps.
Figura 6. Modulación DBPSK.
Modulación DQPSK (Modulación Cuaternaria por desplazamiento diferencial de fase): técnica de modulación digital donde los bits se codifican como el cambio de fase de un bit al siguiente. Proporciona una velocidad de transferencia de 2 Mbps.
Figura 7. Cambios de fase modulación DQPSK.
Frequency-Hopping Spread Spectrum (FHSS): Hedy Lamarr y su pareja George Antheil poseían una patente para los sistemas de comunicación secretos, incluyendo el uso de ondas portadoras de diferentes frecuencias. Esta idea sirvió como base para el método de comunicación llamado Frequency-Hopping Spread Spectrum (FHSS). El FHSS creó el camino a muchas tecnologías inalámbricas modernas que utilizamos diariamente. En la actualidad la transmisión de información a través de líneas eléctricas de potencia exige que se implemente técnicas de modulación que brinden seguridad a los datos que se están transmitiendo por el canal. FHSS es una de las técnicas que ofrece seguridad a la transmisión de datos, evitando así que usuarios indeseados puedan hacer un uso indebido de algún tipo de información que se transmite por el canal de comunicación. Ensanchamiento del Espectro FHSS. Es una técnica de modulación basada en el ensanchamiento del espectro por salto, esto quiere decir que la señal se mueve de una frecuencia a otra mediante saltos. En el caso que usuarios indeseados que quisieran por algún motivo captar la señal, si estos no conocen la secuencia de saltos, lo único que logran captar es un ruido por un período de tiempo corto. El propósito de está modulación está orientado a usos militares o donde el tráfico de datos de be ser muy seguro debido a la alta información clasificada que se transmite, y esto es posible debido a que la modulación FHSS es resistente al ruido y a las interferencias, son difíciles de ser interceptadas una transmisión de este tipo suena como un ruido de corta duración, además pueden ser usadas para encriptar y desencriptar señales.
Para poder realizar la transmisión el receptor debe realizar un salto en sincronismo con el código del transmisor para recuperar la información deseada, en el caso de que esto no ocurra el receptor recibirá una señal ininteligible. Para la modulación FHSS se necesita principalmente la implementación de un código pseudoaleatorio o código PN, que relaciona cada uno de los k-bits de la secuencia PN referenciados a cada una de las 2 frecuencias portadoras, para cada siguiente intervalo la portadora también cambiará. El orden en los saltos en frecuencia se determina según una secuencia pseudoaleatoria almacenada en unas tablas, y que tanto el emisor y el receptor deben conocer La frecuencia de la portadora es modulada por la señal producida en el modulador para generar una nueva señal con la misma forma pero ahora centrada en la frecuencia de otra portadora. La anchura de cada canal usualmente corresponde al ancho de banda de la señal de entrada. El transmisor opera en un canal a la vez para cada intervalo. Por ejemplo, el estándar IEEE 802.11 posee un intervalo de 300ms. Durante este intervalo algún número de bits es transmitido usando algún esquema de codificación. Un código pseudo-aleatorio de ensanchamiento muestra la secuencia de los canales utilizados. Tanto el transmisor como el receptor usan el mismo código para sintonizarse de forma sincrónica.
Figura 8. Asignación de canales en la modulación FHSS.
Figura 9. Asignación de frecuencias en la modulación FHSS.
Diagrama de bloques.
Figura 10. Diagrama de bloques modulación FHSS, s(t) señal FHSS.
Figura 11. Diagrama de bloques demodulación FHSS, s(t) señal FHSS.
Técnicas de modulación Digital FHSS. Específicamente para la modulación FHSS se pueden usar básicamente dos técnicas de modulación digital: FSK (Frequency Shift Keying) y BPSK (Binary Phase Shift Keying). FSK: Es una modulación similar a FM, mantiene constante la amplitud, pero se diferencia en que la señal moduladora en este caso debe de ser una señal binaria que varia entre dos valores de voltajes discretos, es decir no se puede usar una moduladora analógica para esta modulación. La ecuación binaria en este caso es:
Figura 12. Forma de onda entrada y salida binaria FSK.
BPSK: Es un tipo de modulación de onda cuadrada con portadora suprimida de una señal de onda continua, presenta dos estados posibles debido a que es binaria, es decir una fase representa un 1 lógico y la otra fase representa un 0 lógico. En este tipo de modulación cada vez que la señal de entrada cambia de estado entonces la portadora varía entre dos ángulos que están desfasados 180°.
Figura 13. Diagrama de bloques modulación BPSK.
Figura 14. Relación de fase de salida en función del tiempo para un modulador BPSK.
Generación de códigos pseudoaleatorios. Generación Maximum lenght shifter register Está formado por una cadena de m registros de desplazamiento cuyas salidas se alimentan hacia el primero después de pasar por una lógica combinacional adecuada. La secuencia de bits a la salida tipo (0,1) se suelen convertir a valores bipolares (-1,1). La secuencia de salida es una señal de salida de periodo P= 2 aunque con propiedades parecidas al ruido.
Figura 15. Generación código pseudo aleatorio para FFHSS
Usos y aplicaciones Uno de los usos que se le ha dado al FHSS Spread Spectrum de salto de frecuencia, es en los sistemas de comunicaciones de satélites de baja orbita (LEO) para asegurar la robustez de estos sistemas, trabajando con FHSS se modela un esquema de modulación y acceso al medio que sea capaz de optimizar las pérdidas que han sido ocasionados por el espacio libre y la órbita satelital. El acceso al medio es el que se basa en FHSS ya que esta tecnología se encarga de maximizar el uso de ancho de banda del canal, además de permitir que múltiples canales puedan usar el mismo canal, es muy resistente a la interferencia, con esto permite la solución con problemas con conexión inalámbrica. El uso de FHSS permite condicional la portadora a saltos que pueden ser aleatorios o a su vez predefinidos, según se requiera, de modo que sea posible evitar que la ubicación de la señal sea donde exista significativamente condiciones de
interferencia. Es entonces que al utilizar saltos en frecuencias, se asegura la confiabilidad en la información que se transmite, con lo que se garantiza la seguridad. Se considera una trama de entrada compuesta por múltiples usuarios TDMA, en estos sistemas se emplea un código seudo-aleatorio que es generado independientemente de la señal, para modular los datos. En el receptor de demodula la señal con la secuencia de seudoruido generada en el emisor, y esta debe ser debidamente sincronizada. En los sistemas FHSS la fase de expansión requiere de una señal modulada.
Última Milla Esto significa tramo final, relativamente son distancias cortas para establecer la conexión cliente – proveedor, en los servicios de telecomunicaciones. El medio puede ser guiado o no guiado, centrándonos en medios no guiados, por ejemplo, Wireless-Spread Spectrum. A continuación, un esquema de este medio no guiado:
Figura 16. Última Milla
Entonces se tiene distintas posibilidades en equipos, a continuación, se nombran y algunos equipos para implementar la llamada última milla en este caso en medios no guiados. Equipos comerciales Los productos comerciales existentes se dividen en el tipo de capa física que utilizan. El cual puede ser DSSS (Espectro ensanchado por secuencia directa) o FHSS (Espectro ensanchado por salto de frecuencia). Se ha establecido un estándar llamado WI-FI, este estándar certifica la Inter operatividad que implica la compatibilidad entre dispositivos de diferentes fabricantes, así como la facilidad de configuración. Con esto en mente a continuación, se muestran algunos dispositivos más usados que proporcionan la última milla.
Apple Airport
Los dispositivos de esta marca, Apple, son los más baratos del mercado, que funcionan solo con Macintosh e incluyen la antena que sirve para la comunicación. A continuación, se muestra el producto y sus características.
Figura 17. Apple Airport
Características: -
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Hasta 11MB Certificado WI-FI Frecuencia de funcionamiento de 2.4GHz Distancia máxima punto de acceso – dispositivo: 304 m y según el tipo de construcción del edificio varia unos 45.6m IEEE 802.11HR DSSS (Espectro ensanchado por secuencia directa) 11Mbps y 5.5Mbps estándar IEEE 802.11 DSSS 1 u 2 Mbps standard non condensing Recomendado para 10 usuarios Conexión a red Ethernet y Modem
Zoom (punto de acceso inalámbrico)
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Figura 18. Zoom
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Dispositivo de Seguridad Tecnología DSSS y posee su propio hardware (Access Point). DSSS resistente a corrupciones, interferencias, atascos y detecciones desautorizadas. ZoomAir AP11 añade niveles adicionales de seguridad a través de la identificación de los usuarios y encriptación. Compatible con estándar IEEE 802.11b DSSS 11Mbps
Figura 19. Tarjeta Pc Card compatible PCMCIA 3.3v y 5v
TrendNet Bridge Inalámbrico 11/22Mbps
Figura 20. TrendNet
El punto de acceso / Bridge TEW-310 APB de TrendNet es la conexión a la tecnología inalámbrica. En base a la norma más avanzada 802.11b, ofrece el espectro de difusión de secuencia directa DSSS, el cual da la funcionalidad de bridge y roaming para los nodos inalámbricos. Los usuarios pueden conectarse a redes de alta velocidad y también a redes pequeñas de hogar u oficina. -
Rige en 11 canales de US y Canadá IEEE 802.11b red inalámbrica (Wireless LAN) DSSS y además el paquete PBCC Packet Binary Convolutional Coding Tiene rango de transmisión de ajuste automático: 22 Mbps, 11 Mbps, 5.5Mbps, 2 Mbps y 1 Mbps Rango entre 2.4 y 2.4835 GHz de frecuencia
Conclusiones: Se puede concluir que tanto Spread Spectrum DSSS y FHSS nos proporciona una modulación muy fiable y que protege ante todo riesgo la información. Se puede concluir que la principal desventaja de FHSS es el ancho de banda que se usa, debido a que es un ancho de banda muy grande y esto involucra un costo mucho mayor para poder implementar su modulación. Se puede concluir que FHSS es sumamente eficiente en la transmisión de datos, debido a que posee una alta velocidad de transmisión de datos que incluso el conocido Bluetooth utiliza FHSS. Al usar la técnica FHSS es posible notar una disminución en la interferencia lo que conlleva la solución a los problemas de conexión inalámbrica, se aprovecha los saltos de frecuencias para asegurar la transmisión de información de manera confiable y de esa manera se puede garantizar la seguridad. La tecnología DSSS espectro ensanchado por secuencia directa, ha permitido crear el estándar que certifica la compatibilidad entre dispositivos y que hoy en día es usual el uso de este, el estándar que se menciona es el WI-FI, esto ha permitido la construcción de diferentes dispositivos que han permitido un sin fin de posibilidades en equipos, como son los diferente puntos de acceso inalámbricos: Apple Airport, Zoom y entre otros, estos hoy en día han facilitado la conexión efectiva a internet.
Recomendaciones: Se recomienda utilizar Spread Spectrum cuando se necesite una transmisión de datos segura, no audible para terceros, resistente frente a interferencias y que permita transmitir varias señales en un mismo canal, los equipos que utilizan esta tecnología a pesar de usar un espectro grande, ofrece grandes capacidades al momento de una transmisión por medios no guiados tal como una alta velocidad de transmisión, garantizando una efectiva transmisión de datos.
Bibliografía: HAYKIN, S. Communication Systems. Jhon Wiley & Sons, Inc. 4th edition. 2001. WAYNE, T. Sistemas de Comunicaciones Electrónicas, PEARSON EDUCACIÓN, 4ta edición.2003. MARQUEZ, C. NÚMEROS PSEUDOALEATORIOS, rescatado https://carlosmarquez.files.wordpress.com/2012/02/unidad-4-generacion-de-numerospseudoaleatorios1.pdf [8-11-2017].
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RATSCHILLER,
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de:
HERNÁN CÓRDOVA, PATRICIA CHÁVEZ, Estudio, Modelamiento y Simulación de Sistemas de Espectro Ensanchado Secuencia Directa y Salto De Frecuencia, rescatado de: Revista Tecnológica ESPOL, Vol. 18, N. 1, 1-8, (Octubre, 2005)
