תכנון מערכות ספקטרום מבוזר הוא משמעת הנדסית תובענית המשלבת עיצוב מעגלי RF, עיבוד אותות דיגיטליים, ותאוריה מידע.מערכות אלה תחת בסיס טכנולוגיות קריטיות כגון רשתות תקשורת צבאיות, GPS אזרחי, Wi-Fi, Bluetooth, וקישורים לווייניים, הודות להתנגדות הטבוע שלהם להפרעות, הסתברות נמוכה של יירוטציה, ויכולת לתמוך במספר רב של משתמשים.

טכנולוגיית Spectrum

מערכות ספקטרום מבוזר משדרות אות על רוחב פס רחב הרבה יותר מהמינימום הנדרש כדי לשאת את המידע.ההפצת מושגת על ידי הפעלת המוביל עם פסאודו-ראן (PRN) רצף ידוע הן משדר והן מקלט.תהליך הפצת זה מספק שלושה יתרונות מרכזיים: עיבוד אשר מדכא התערבות פס צר, כיסוי כי האות מופיע כרעש למקבלים לא מקודמים, וגישה מרובים כאשר משתמשים שונים משתמשים משתמשים או קודים מתפשטים.

שיטות ספקטרום נפוצות

שתי גרסאות עיקריות שולטות ביישום בעולם האמיתי, כל אחת עם שינויים ייחודיים של עיצוב:

  • (FLT:0)Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)Felo: תדירות נושאת עוברת במהירות על פני סדרה של ערוצים על פי רצף הצנרת.הזמן השוכן על כל ערוץ הוא קצר, מה שהופך אותו קשה עבור קופה לעקוב אחר.FHSS הוא קל יותר ליישם ב transceivers מורשת אבל דורש סינתנים מהירים ושלבים שלב זה נעשה שימוש בגרסאות Bluetooth, V.
  • (FLT:0)Direct Sequence להפיץ Spectrum (DSSSIRFLT) 1:1: זרם הנתונים מוכפל על ידי קוד התפשטות גבוה (רצף תפוצה) לפני הפעלת המוביל.קצב השבבים הוא פעמים רבות את שיעור הסמל, הפקת אות פס רחב. DSSS מציעה רווח גבוה ורבפת גבוהה והתנגדות רבה דרך מקלטי ראקה, אבל זה דורש סינכרון מדויק וספקת קוד פתוח של 802, 000, 000.

מערכות מודרניות רבות מעסיקות גישות היברידיות - כגון זמן-הההגות DSSS או רב-קריירה להפיץ ספקטרום (MC-SS) - לשלב את היתרונות של שתי הטכניקות תוך הקטנת החולשות האישיות שלהם.לדוגמה, 5G NR משלב CP-OFDM עם רצף דמוי-ספקטרום רחב של אמצעי בקרה וסימנים התייחסות.

אתגרים מרכזיים בעיצוב מערכת

1. הבין וניהול דו-קיום

התכונה מאוד שהופכת את ספקטרום חזק - תפעול פס רחב - גם אומר המקלט חייב להוציא אות חלש מן הסביבה רועשת. Interference יכול לבוא מכוונת מחסומים, משתמשים קו-ערוציים, או פליטות פס סמוכים.אפילו אחד חזק מאוד להפריע פס חזק יכול ליישב את החזית-end נמוך- noise מגבר (LNA) אם הרווח האוטומטי (AGC) אינו מתוכנן כראוי בלהקות ללא רישיון, והפרעות מיקרו-xy), הוא בלתי צפויות.

מהנדסים חייבים מודל לתרחיש ההתערבות באופן מציאותי.שימוש בנוסחה של רווח עיבוד (GIRLT:0pcioFLT:1 = BWirFLT:2RFFLT 3 / RevolveFLT:4bFLT:5) נותן הערכה ראשונית של דיכוי ריבמר, אבל ביצועים מעשיים גם תלוי קוד אוטוקיונאליות, despreadalator, עיצוב, מספר דינמי של FSS הוא על ידי התפלגות, ו-הטווח ההתנגשות של דינמיקה.

2.Synchronization and Code Acquisition

הקפדה ושמירה על סינתזה ברמת מסגרת ו- השבבים היא ככל הנראה החלק הקשה ביותר של עיצוב מקלט ספקטרום מבוזר. ב DSSS, המקלט חייב להתאים את רצף יחסי הציבור המקומי שלה בתוך חלק של שבב של האות הנכנס - משימה מסובך על ידי Doppler Shift, multipath, ו oscillator סחף אסטרטגיות רכישה טיפוסי להשתמש בחיפוש, פילטרים, או אדריכלות מבוססת FFT (F-F-cons) הוא מורכב זמן של חומרה (מהפכה) בין זמן רב-R) לבין מורכבות מסחר קריטי).

לאחר שרכש, לולאות מעקב (Louted-locked Loops, tu-dither לולאות) חייב לשמור על שלב הקוד התואם במהלך תנועה דינמי.עבור פלטפורמות מהירות גבוהה (למשל, מל"טים או טילים), קצב דופלר יכול לשנות באופן משמעותי את תקופת השבב, הדורשת תיקון שני או מסננים מעקב של הזמנה שלישית.FHSS ניצבים בפני אתגר נוסף: תדירות הסינתזת חייב להתיישב בתוך פרוטוקול הזמן והסובר (אונדט) עם פרוטוקול זמן קצר עם לוח זמנים תזמון).

כוח ותוחלת החיים

משדרי ספקטרום מתפשטים פועלים עם שידור רציף של שבבי צ'יפס, אשר באופן טבעי צורכת יותר כוח מאשר מצבי פרץ צר פס.עבור חיישני IoT מופעלים סוללות, כל מילימטרים ספירה.רווח העיבוד הדרוש כדי לדחות התערבות ישירות מגביר את קצב השבבים, אשר בתורו מעלה את תדירות שעון הבסיס הדיגיטלי וכוח המיקסר / המפיץ (PA) סובלים גם הן בגלל אותות רחבים של DC להפחתה גבוהה של כוח הדחיסה (מחדש) מגובה של כוח הדחיסה (מחדש) מגובה של כוח הדחיסה (כלומר, כלומר כוח הדחיסה של כוח הדחיסה) ואפקט כוח הדחיסה של כוח הדחיסה של כוח הדחיסה של DC להפחתה גבוהה של כוח הדחיסה) מחוזק של כוח הדחיסה (DPA).

בקרת כוח הסתגלות (APC) מסייעת: המשדר מקטין את כוח הפלט כאשר שולי הקישור גבוהים, חוסכת סוללה.עם זאת, הקידוד המהיר יכול לגרום לולאה APC לבודד אם חלונות מייחלים הם נבחרים בצורה גרועה.גישה נוספת היא חובה למחזור את המשדר: לשדר התפרצויות קצרות בקצב שבב גבוה יותר ולאחר מכן שינה.זה נפוץ במערכות רדיו UWB (ברחבות) להפיץ רוחב פס רחב מאוד.

4. Multipath and Fading

בסביבה פנימית ועירונית, האות מועבר למקלט דרך מסלולים מרובים עם עיכובים שונים ותנוחות. עבור DSSS, רב-פת יכול למעשה להיות מועיל - מקלט Rake משלב את הטיפים החזקים ביותר באופן קונסטרוקטיבי, שיפור המגוון. עם זאת, אם עיכוב הערוץ מתפשט גדול יותר מתקופת השבבים, התערבות בין-צ'יפ (ICI) מתרחשת, מה שהופך את הדרגה. עבור FSS, multipath גורם התדרים בתוך כדור כולו עשוי להיות מתפרץ.

מעצבים זקוקים למודלי ערוצים מדויקים (למשל, ITU-R P.1407 עבור מקורה, 3GPP עבור התא) במהלך שלב הסימולציה.שוויון, של DM-like חפיפה, וקידוד זמן חלל (באמצעות אנטנה מרובות) הם אמצעי נגד נפוצים. in להפיץ-spectrum של DM (SS-OFDM), הפצת נעשה על פני תת-cars, אשר מספק גם כפל חזק.

דרישות אבטחה ואנטי-ג'אם

מערכות צבאיות ומשימות קריטיות דורשות הסתברות נמוכה של זיהוי (LPD) והסתברות נמוכה של יירוט (LPI) למרות אותות ספקטרום מתפשטים מופיעים כמו רעש, סיבולת נחושה יכולה לזהות אותם באמצעות ניתוח מחזורי או על ידי חיפוש אחר שיאים תואמים על פני מספר רב של מרווחי סמלים.כדי להתמודד עם זה, מהנדסים מעסיקים צפיפות ספקטרלית נמוכה מאוד (ברמת הרעש), להוסיף אקראיות נוספת באמצעות רצף ההפצה, ולהשתמש זמן כדי לשבש דפוס זיהוי נוסף כדי לשבש את זמן נוסף.

ביצועים אנטי-ג'אם (AJ) מוגדרים על ידי יחס ה-J/S) שניתן לסבול.טכניקות מעבר לרווח עיבוד בסיסי כוללות ביטול הסתגלות (עיבוד אריות) ופילטרים של תדירות-הפחתת רצף צר-פסים (S) אשר אינם מקבלים רצף חסימות צרים (Sackneydows) של קוד התפוצה עצמו הוא קריטי: אם ה-Gelware הוא צפוי, קידוד יכול לנרונכרן ו-codes-codes-exara ו-codes-codes-codes-exreadrme, ולכן הוא קבוע, ולכן הוא קידוד (S).

6.התמדה והמסכה הספקטרום

סוכנויות ממשלתיות (FCC, ETSI, ITU) להטיל מגבלות חמורות על פליטות פס ועוצמה מקסימלית שווה ערך הואוטרופית קורנת כוח (EIRP) בלהקות התפוצה.עבור להקות ISM, FCC דורש כי רוחב הפס של 20 dB יהיה לפחות 500 kB עבור FHSS (עם מקסימום 1 M רוחב פס לערוץ) וכי כוח לא עולה על צפיפות של 8B) עבור 328 תאים CR.

תקנות אלה משפיעות ישירות על עיצוב סינון (כדי לדכא צדי ספקטרלי) ודור דפוס (חייב להיות אחיד סטטיסטית על הלהקה) מהנדסים חייבים לדמות את הספקטרום המועבר מוקדם במחזור העיצוב, באמצעות צורות הדופק החלון או מסננים מבוססי-קודש שורש לשלוט בצד ימין.

שיטות הטובות ביותר למהנדסים

בחר Robust Modulation וקידוד Schemes

עבור ספקטרום מבוזר, הבחירה של Modulation היא לעתים רחוקות BPSK לבד.מערכות רבות להשתמש ב- BPSK שונים (DBPSK) כדי למנוע מעקב של נושא, או שלב רביעי שינוי שלב המעבר מפתח (QPSK) כדי להכפיל את שיעור הנתונים ללא הגדלת קצב השבבים. Orthogonal Modulation (M-ary PPM עבור UWB) יכול לשפר את יעילות האנרגיה עם Viterbi decoding, קודים נמוכים או קודים כפולים (D) כדי לשחזר את הפחתת קידוד קידוד קידודים).

מהנדסים צריכים לדמות את ההשפעה המשותפת של קצב קוד ורווח עיבוד.לדוגמה, הטלת שיעור הקוד מ 1/2 עד 1/3 עולה על רווח הקידוד אבל גם להפחית את הנתונים באמצעות חישוב - לפעמים העלייה ב Redundancy לפצות על אובדן של רווח עיבוד אם הערוץ הוא התפרץ. השתמש בכלים כמו MATLAB תקשורת Toolbox או GNU רדיו כדי להפעיל מקצה לקצה-לקצה-טרור (ER) מעוקלים מציאותיים תחת תרחישים מתפתלים.

2.התאמת תדירות ההוג (AFH)

AFH הוא מחייב על ידי Bluetooth 2.1+ ומומלץ עבור מערכות FHSS אחרות בלהקות ISM צפופות.ה משדר ו המקלט לשמור על רשימה של ערוצים "רעים" (העסיקו על ידי Wi-Fi או סובלים רעש גבוה) ולהימנע מהם ברצף ההיגוי.אלגוריתם ההסתגלות בדרך כלל משתמש בערכת איכות (CQI) בהתבסס על שיעור השגיאה או על אות. כאשר מטלטלטלטלטלת ערוצים, הוא משפר את ה-ה בהדרגה; כאשר הוא יכול להיות משוחרר באופן הדרגתי; כאשר הוא יכול להיות משוחרר, כאשר הוא יכול להיות מצורף, כאשר הוא יכול להיות מצורף, כאשר הוא יכול להיות מצורף, כאשר הוא יכול להיות מצורף, כאשר הוא יכול להיות מצורף מחדש, כאשר הוא יכול להיות מצורף, כאשר הוא יכול להיות מצורף מחדש, כאשר הוא יכול להיות מצורף.

להימנע מהסתגלות מוגזמת: אם הערוצים מוסרים מהר מדי, הזינוק של סט התכווצות, הגדלת ההסתברות ההתנגשות בקרב משתמשים בתדרים הנותרים.תרגול טוב הוא להשתמש בחלון מזחל של לפחות 10-20 חבילות כדי למקם את CQI, וכדי לשמור מינימום של 20 ערוצים ב-Fop כדי לספק דרישות רגולטוריות עבור מערכות DSSS, תדירות-do (כלומר, על אותו עיקרון קוגניטיבי נמוך) הוא רק על אותו מסגרת נמוכה.

3.אופטימיזציה של אדריכלות הסינכרון של המקבל

עבור DSSS, מנוע רכישת הקוד חייב לאזן מהירות חיפוש ועלויות חומרה. גישה של שני שלבים היא נפוצה: חיפוש מהיר coarse באמצעות מסנן מותאם (העברה על פני אורך קוד חלקי) ואחריו חיפוש עדין באמצעות קוקלטור מזחלת. המודרנית רדיו מוגדר תוכנה (SDRs) יכול לבצע חיפוש במקביל על שלבים מרובים באמצעות אלגוריתמים המבוססים על FFT-מהירות.

בשני המקרים, כולל לולאה אוטומטית נפרדת של תדר (AFC) לפצות על סחף אוסטרל ו- Doppler. עבור לוויינים ומערכות אוויריות, הזנה קדימה דופלר estimation מנתוני ניווט (למשל, ephemeris ב- GPS) יכול להפחית באופן דרמטי את זמן הרכישה.תמיד סימולציה של קצב דופלר הגרוע (למשל, 1 k / הרץ עבור מסלולים נמוכים) ולהבטיח כינור (אוב) כדי לאבד את רוחב פסים ללא נעילה.

עיצוב כוח יעילות מהשטח

צריכת החשמל צריכה להוביל את בחירת הרכיב והחלטות אדריכליות:

  • בחר מעבד בסיס בסיס ספקטרום נמוך (למשל, אלה המבוססים על Cortex-M4 או מותאם אישית ASICs) התומכים ברכיבה גמישה.
  • השתמש במעקב אחר מעטפה או במגרעות כוח דוהרטי כאשר PAPR גבוה, שיפור יעילות הרש"פ ב 10-20%.
  • יישום שליטה כוח הסתגלות עם היסטריה כדי למנוע oscillation. אלגוריתם טיפוסי מקטין את כוח TX על ידי 1 dB עבור כל 3 dB של RSSI עודף, עם צעד מינימלי של 0.5 dB.
  • במצב שינה, לכבות את הרש"פ, שעון בסיס, ואת ההיגיון הדיגיטלי ביותר למעט מקלט מתעורר כוח נמוך. המקלט מתעורר יכול להשתמש בפס צר פשוט על מקשing (OOK) כדי לעורר התעוררות מלאה, צריכת מתחת 10 מיקרו-W.

עבור יישומים זולים של IoT (למשל, רשתות חיישן באמצעות IEEE 802.15.4), ניתן לסחור בספקטרום התפוצה לרווח קידוד: DSSS עם קוד הפצה קצר מאוד (למשל, 8-chip) מציע רווח עיבוד צנוע אך מוריד את קצב השבבים ובכך את קצב ה-Sp בזהירות באמצעות תקציב קישור של כוח.

שימוש ב- Software-Defined Radio (SDR) Prototyping for Rapid Iteration

לפני ביצוע סיליקון מותאם אישית, אבטיפוס עיצוב ספקטרום התפשטות על פלטפורמת SDR (למשל, USRP, AD9361 מועצות מבוססות לוחות, או Zynq) זה מאפשר למהנדסים לבחון קודים שונים, תוכניות מודולציה, ואלגוריתמים מתאימים בערוץ רדיו אמיתי עם התערבות יעילה.

  • בדיקת אלגוריתמים סינכרוניזציה תחת עיכובים אמיתיים של זמן.
  • הבטחת הפרעות בפועל דחייה ועיבוד רווח בלהקת היעד.
  • בדיקת דו-קיום עם אותות Wi-Fi אמיתיים, Bluetooth או LTE בסביבה משרדית.

כלים מודרניים רבים (Go Radio, RFNoC, Labview) כוללים בלוקים עבור דור ה- m-sequence, מסננים תואמים, והחלפת לולאות, תוך שיפור מחזור הפיתוח. ברגע שהאלגוריתם מאומת, ניתן לפורט אותו ל-FPGA או ASIC עם חזית דיגיטלית סטנדרטית.

טכניקות בדיקה מתקדמות ואימות מתקדמות

מערכות ספקטרום מבוזרות מציגות אינטראקציות מורכבות, לא לינאריות שקשה לתפוס בסימולציה בלבד.הפרקטיקות הטובות ביותר לאימות כוללות:

  • (FLT:0) בדיקות התערבות מתקדמות (FLT:1): הנחה של צרב פס צר מכווץ (CW או סחף) תוך מדידה של BER או PER.לפשט את "שיעור השגיאהביט לעומת יחס טיח-לחתים" כדי לאשר את רווח העיבוד הצפוי.
  • (FLT:0) Over-the-air (טא) בדיקה של ®TAFLT:1: בתא אנכוכי, לבדוק עם מקורות התערבות משותפים (למשל, נקודות גישה Wi-Fi) כדי לאמת את ביצועי הדו-קיום.
  • (FLT:0) בדיקות ציות (FLT:1): השתמש מנתח ספקטרום עם יישום תאימות (למשל, Keysight N6141C) כדי למדוד רוחב פס כבוש, זמן מגורים עבור FHSS, ולהעביר מסיכה.
  • (FLT:0) בדיקות יציבות לטווח ארוך 1: להפעיל את המערכת ל-48 שעות עם רכיבה על אופניים טמפרטורה כדי להבטיח כילאות מעקב קוד ואוסלוטורים נשארים נעולים.

מסמך הקריטריונים העוברים / ההונאה לכל מקרה מבחן. פרויקטים צבאיים רבים דורשים "ללא" מטווח מבחן המדמה דופק אלקטרומגנטי גרעיני (EMP) או ריבמרים חכמים; להשקיע מוקדם בבדיקות כאלה כדי להימנע מהפתעות של הרגע האחרון.

מסקנה

תכנון מערכת ספקטרום מוצלח מתפשט הרבה מעבר לבחירת קוד PRN ומודולציה של נושא. מהנדסים חייבים לפתור דרישות סותרות - רוחב פס רחב לעומת כוח נמוך, רכישה מהירה לעומת אורך קוד ארוך, והתערבות חזקה דחייה לעומת תאימות למסכה ספקטרלית. על ידי התייחסות שיטתית לאתגרים של ניהול, סינכרון, צריכת חשמל, אבטחה, רגולציה, ואימוץ על ידי מיטב כמו שיטות הסתגלות, חסוכות יעילה, חסוכות יעילה, קידום מכירות, יעילה, קידום מכירות מאובטח, יעילה, ספקטרום.

(ב) לקריאה נוספת, התייחס לספר הלימוד הקלאסי FLT:0; ספקטרום תקשורת ספקטרומאלית של IEEE 1 בינואר על ידי סיימון, אומורה, Scholtz ו- Levitt (IEEE Press, 1994) או תקן מקיף IEEE 802.15.4-2020 עבור חלקים אלחוטיים נמוכים (להלן: 2SDRplay Community FLT 3LT 3 ו-F4), כולל דוגמאות ל-FLT5, כולל של ספקטרום אלקטרונים סטנדרטיות (F4) ל-F4.