מבוא לתקשורת רחבת סרט (Introduction to Spread Spectrum) 51276-1

1. מצגת זו תכלול כנראה דיון של הקהל, אשר יביא ליצירת פריטי פעולה. השתמש ב- PowerPointכדי לעקוב אחר פריטי פעולה אלה במהלך המצגת. • בהצגת שקופיות, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני. • בחר באפשרות “מפקח הישיבות”. • בחר בכרטיסיה “פריטי פעולה”. • הקלד את פריטי הפעולה כאשר הם מופיעים. • לחץ על אישור כדי להסיר תיבה זו. פעולה זו תיצור אוטומטית שקופיות לפריטי פעולה בסוף המצגת, והנקודות שהעלית יוזנו בתוכה. מבוא לתקשורת רחבת סרט(Introduction to Spread Spectrum) 51276-1 ד"ר משה רן Chapter 1b כל הזכויות שמורות לחברת MostlyTek Ltd. אין לצלם, לשכפל או להעתיק בכל צורה שהיא ללא קבלת אישור בכתב מד"ר משה רן Dr. Moshe Ran- Spread Spectrum

2. נושאי לימוד 8 שו"ת 8 שו"ת 8 שו"ת 8 שו"ת 8 שו"ת 8 שו"ת 8 שו"ת Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

3. 1.3 דרישות מערכתיות על התקשורת • הספק משודרPt , הספק נקלטPr • קצב המידע [bps]rb • רוחב סרט [Hz]B • הסתברויות שגיאה BER, PER • יחס אות לרעש SNR • יחס אות לרעש מנורמל (לביט) • במערכת עם קידוד ערוץ ו R=k/n, יחס אות לרעש לביט מידע מוגדר ע"י: קצב המידע בו ניתן לתמוך, והסתברויות שגיאה – נקבעים ע"י: הספק ממוצע של אות משודר, רוחב סרט, סטטיסטיקה של הערוץ Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

4. דרישות מערכתיות על התקשורת נרצה להביא rb למקסימום להביא BER למינימום להקטין למינימום אתPrלחליפין להקטין את Eb/N0למינימום להקטין למינימום את הדרישות לרוחב סרט B להביא לניצול מקסימלי של משאבי המערכת: לספק תקשורת אמינה לכמה שיותר משתמשים עם "חסינות להפרעות" להקטין את סיבוכיות מימוש המערכת ובזה את "המחיר הכולל" שלה Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

5. אילוצים מערכתיים ותאורטיים • רוחב סרט Nyquist: לשלוח rs פולסים לשניה ללא ISI צריך רוחב סרט מינימלי בפס בסיס שלHz rs/2 • משפט קיבול ערוץ של Shannon • אילוצים של תקינה Regulation של שימוש בספקטרום • מגבלות טכנולוגיות של מימוש: • מימוש המקלט ושיטות הגילוי (קוהרנטי/לא קוהרנטי/דפרנציאלי, פענוח עם החלטה קשה/רכה, פענוח sequential מול פענוח symbol-by-symbol) • דרישות מערכתיות נוספות Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

6. הספק אות משודר , הספק אות נקלט הספק ממוצע של אות משודר - [W] Pt הספק אות נקלט [W] Pr הספק ואנרגיה של אות x(t) - הגדרות מתמטיות: Gt, Gr Antenna Gain of Tx, Rx , LTOT Path Loss and other losses in the system X(t) נקרא אות הספק;אות אנרגיה אם בהתאמה P;E סופיים ואינם 0 Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

7. קצב מידע rb אנרגיה לביט מידע Eb • Tb bit duration [sec] • rb = 1/ Tb information rate [bps] • Eb = P Tb Energy per bit [Joule] בתקשורת ספרתית – הגודל חשוב לקביעת ביצועים הוא היחס /N0 Eb בתקשורת אנלוגית מתענינים ב P/N אותו נסמן גם S/N Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

8. רוחב סרט - Bandwidth • הגדרה "מתמטית" : רוחב סרט אבסולוטי של אות הוא תחום התדרים בו ספקטרום האות אינו מתאפס. הגדרות הנדסיות לרוחב סרט אותות RF 2. רוחב סרט עם נחות של Ddb: Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

9. )רוחב סרט - Bandwidth המשך( 3. רוחב סרט המכיל p% מהספק האות 4. רוחב סרט שקול לרעש Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

10. הסתברות שגיאה • Pb, BER = average Bit Error Rate, • Pm PER = average Packet Error Rate or message error rate, For Fading Channels – Outage Probability is the preferred criteria: • Pr (BER > T) Probability that the BER will exceed a specified threshold, OR • Pr (PER > T) Probability that the PER will exceed a specified threshold אם הודעה מכילה k ביטים, וכן 1 >>kPb Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

11. יחס אות לרעש SNR • קשר בסיסי בין SNR ליחס אות לרעש מנורמל יחס אות לרעש מנורמל בקליטה – תלוי אך ורק בקצב הביטים -rb וביחס בין הספק נקלט P לצפיפות ספקטרלית של הרעש. גודל זה אינו תלוי –במודולוציה, או בשיטת הקידוד לתיקון שגיאות . הערה: הספק ממוצע של אות נקלט ירשם בד"כ ע"י האות P=Pr אולם גם לפעמים נרשום S בעיקר בחישובי יחס אות לרעש . קצב ביטים של מידע מקורי rb Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

12. המשך נוסחאות היחס  = rb/B נקרא Bandwidth Efficiency (או גם Spectral Efficiency ) של סכמת האפנון - [bps/Hz]. עבור אפנון M-ary כאשר וקוד לתיקון שגיאות עם קצב R Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

13. 1.4 יעילות ספקטרלית מול יעילות הספק קידוד ערוץ עם רעש – ערוץ AWGN נניח שולחים אות עם הספק ממוצע P דרך ערוץ רציף ברוחב סרט B (Hz) ורעש מתחבר לבן AWGN עם הספק ממוצע N מתווסף לאות. אזי – C קיבול הערוץ (=קצב מקסימלי של העברת אינפורמציה בערוץ) )Shannon – משפט 17( משפטקידוד ערוץ במקרה של ערוץ רציףAWGNואילוץ רעש ממוצע בערוץ N =N0B N0 noise PSD (one sided) Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

14. דוגמא:חשב את יחס אות לרעש לביט מידע Eb/N0 המינימלי הנדרש למערכת תקשורת המעבירה מידע בערוץ גאוסי רציף, בהנחה שמתקיים B>>rb. שנון- קיבול ערוץ קשר בין יחס אות לרעש ובין רוחב סרט ערוץ וקצב האינפורמציה rbכאשר rb מגיע למקסימום האפשרי C. יחס אות לרעש מינימלי הנידרש לתקשורת ללא שגיאות בגבול, כאשר Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

15. Bandwidth –Efficiency Plane Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

16. Bandwidth Efficiency Plane הציר האנכימתאר הנצילות הספקטרלית (Bandwidth Efficiency) הציר האופקי הוא יחס Eb/N0 ב dB • גבול קיבול ערוץ הוא הערך בו מתקיימת המשוואה • מיפוי שיטות האפנון השונות בנקודת עבודה של • BPSK , QPSK אותו Eb/N0 אך ל QPSK נצילות ספקטרלית 2 בעוד של BPSK נצילות 1 • לשיטת M-PSK נצילות ספקטרלית גדלה מונוטונית עם M • M-QAM שיטה הכי יעילה מבחינת נצילות ספקטרלית • לאורך קוו 1 (אופקי-ימין) מגדילים Eb/N0ומקטינים BER - rb/B קבוע • לאורך קוו 2 (אנכי-יורד) מקטינים נצילות ספקטרלית לשיפור BER - Eb/N0קבוע • לאורך קוו 3 (אלכסון עולה) - משפרים נצילות ספקטרלית ע"ח הגדלת Eb/N0 BER נשמר קבוע. מערכות מעשיות רחוקות ב כ 10dB מהגבול של קיבול ערוץ...! Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

17. Bandwidth Efficiency Plane • שני המשאבים – P הספק משודר , רוחב סרט B יכולים להיות משמעותיים במערכות תקשורת. • מערכת מוגבלת הספק: נרצה להקטין למינימום את ההספק המשודר (דוגמא: ערוץ לווין). • תנועה במישור נצילות ספקטרלית: אנכי למטה (קוו 2) אוו אלכסון יורד (קוו 3). הגרף תלול – לכן הקטנה מזערית ב Eb/N0מחייבת הקטנה דרסטית ב rb/B • מערכת מוגבלת רוחב סרט: נרצה להגביל למינימום את רוחב הסרט המוקצה לשידור. הדרך: להשתמש במודולציות עם M רמות המעבירות log2M סיביות מידע במשך T שניות ככל ש BT קטן יותר הנצילות הספקטרלית גדלה Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

18. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum