Bu sistemler, dinamik kanallarda, iç içe dönük dirençleri ve birden fazla kullanıcıyı destekleme yeteneği olan bir mühendislik disiplinidir. ancak, teorik avantajları bir donanım-yukanalama çözümü, birçok teknik zorlukla ilgili olarak dikkatli bir şekilde hareket etmek için mühendisler, güç tüketimine karşı sağlamlığı yönetmek, dinamik kanallarda senkronizasyon yapmak ve sıkı düzenleyici maskelere uymakla yükümlüdürler.

Spektrüman Teknolojisi

Gürültü sistemleri, bilgi taşımak için gerekli olan en düşük maliyetli bir sinyale iletiyor.Gruplama sistemleri, taşıyıcıyı farklı kullanıcılar veya alıcıları tarafından kullanılan bir sahte-zamanlı (PRN) dizisi ile birleştirerek üç anahtar fayda sağlıyor: baskı yapan işlem, dar bant müdahalesini bastırmak için kullanım, kapaklama çünkü sinyal, gürültüyü istenmeyen alıcı alıcılara yönlendirmek ve farklı kullanıcılar veya uçsuz kanal kanal kanallarını çalıştırıyor.

Yaygın yayılma Spectrum Teknikleri

İki birincil varyant gerçek dünya uygulamalarına hükmediyor, her biri farklı tasarım ticaretleriyle:

  • [FONTS:0]Frequency Hopping spread Spectrum (FHSS))[Uygunluk frekansı hızla bir dizi kanalda geçiş yapılır.Her kanalda oturma süresi kısadır, takip etmek için zorlanır. FHSS’ler, mirasın transceiverste uygulanması daha basittir, ancak hızlı frekans sentezleyicileri ve dikkatli bir faz kilitlenir.
  • [FONT:0)Direct Sequence spread Spectrum (DSSS))[değiştir | kaynağı değiştir], yüksek seviyeli bir yayılma kodu (çimli sıra) ile bağlantı kurmadan önce, CDMA ağlarının birçok kez sembolü oranı, geniş bir bant sinyali üreterek, DSSS yüksek işlem kazanç ve mükemmel çoklupati direnci Rake alıcılar aracılığıyla çoğaltılır, ancak doğru senkronizasyon ve lineer güçlendiricileri talep eder. GPS, IEEE 802.11b ve CDMA hücresel ağlar DSSS'ye güvenir.

Birçok modern sistem hibrit yaklaşımlar kullanıyor - zaman geçtikçe DSSS veya multi-carrier yay spektrumu (MC-SS) – her iki tekniğin avantajlarını bir araya getirerek, 5G NR, CP-OFDM'yi kontrol kanalları ve referans sinyalleri için yaygara ile birleştirir.

Sistem Tasarımında Anahtar Zorluklar

1. Interference and Coexistence Management

Spektrümanları sağlam kılan çok özellik – geniş bant operasyonu – aynı zamanda alıcının gürültülü bir ortamdan zayıf bir sinyal alması gerektiği anlamına gelir. Interference niyetli jammerlerden, co-channel kullanıcılarından veya bitişik bant emisyonlarından dolayı, tek güçlü bir darband müdahale eden bir kaza, düzleştirici ve mikrodalga fırınlardan gelen müdahale edilemez.

Mühendisler, işlem kazanç formülü kullanarak gerçekçi bir şekilde modellenmelidir (G)p) = BW)RF) / R) için bir başlangıç tahmini, aynı zamanda kod veya korelatör tasarımı ve alıcının dinamik aralığına bağlıdır.

2. senkronizasyon ve Kod Edinme

Çerçeve düzeyinde ve çip düzeyinde senkronizasyonu sağlamak ve sürdürmek muhtemelen yayıcının en zor kısmıdır. DSSS'de, alıcı, gelen sinyalin bir parçası içinde yerel PRN serisini uyumlandırmalıdır - çok fazlarik ve oscillator sürüklenir.

Satın alındıktan sonra, döngüleri takip edin (gece kilitlenen döngüler, tau-dither döngüler) dinamik hareket sırasında kod aşamasına uymalıdır. Yüksek hızlı platformlar için (örneğin, uçaklar veya füzeler), Doppler oranı, ikinci sipariş veya üçüncü sipariş izleme filtreleri gerektiren bir hıza kadar değişebilir. FHSS alıcıları, umutlar arasındaki koruma aralığı içinde yer almalı ve kilitlenmelidir.

3. Güç Tüketimi ve Battery Life

Gürültü verici IoT sensörleri, her miliamperyalist güç oranına doğrudan müdahale etmek için gerekli olan işlem, dijital bazan saat frekansı ve karıştırıcı/amplifier gücü daha fazla güç tüketiyor.For batarya destekli IoT sensörleri, her miliampere sayıyor.

Adaptif güç kontrolü (APC) yardımcı olur: verici, bağlantı marjı yüksek olduğunda, tasarruf bataryası. Ancak, hızlı fading APC döngüyü, kısa pullar yoluyla son derece geniş bantlara taşıyacak bir formdur.

4. Çokpath ve Fading

Kapalı ve kentsel ortamlarda, bu yolla sinyal alıcıya farklı gecikmeler ve değerlendirmeler ile ulaşır. DSSS için, multipath aslında faydalı olabilir - Rake alıcı, her türlü umutlu bir frekansta, kanal gecikmesi meydana gelirse, tüm patlamalar kaybolabilir.

Tasarımcılar doğru kanal modellerine ihtiyaç duyar (örneğin, kapalı için İTÜ-RDM P.1407), simülasyon aşamasında 3GPP. Equalizers, OFDM-like overlap ve uzay-zaman kodlaması (çok antenler) yaygın bir karşıtlık.In spread-spectrum OF Closed, 3GPP for hücresel) ile yayılıyor, bu da frekans çeşitliliği çok güçlü bir şekilde sağlar.

5. Güvenlik ve Anti-Jam Gereksinimleri

Askeri ve görevktik sistemler düşük algılama olasılığı (-LPD) ve düşük bir darbe olasılığı (LPI) gibi görünüyor, belirlenen bir rakipli analiz veya korelasyon toplarını birden fazla sembol aralığına bakarak tespit edebilir.Buna karşı çıkmak için mühendisler çok düşük güç spektral yoğunluğunu (görüntü katını) ek rastgeleleştirme, yayılma sırasını kullanarak zaman ayırarak, desen tanımayı daha fazla şekilde algılayabilirler.

Anti-ajam (AJ) performansı, dar bant reçelleri tarafından ölçülmektedir: kod jeneratörü öngörülebilir ise, sinyalin kullanımı ile uyumlu bir şekilde senkronize edilebilir ve sabit olmayan geri bildirim kayıtları (örneğin, Gold kodları, Kasamis) standarttır.

6. Düzenleme ve Spetral Maskeleme

Hükümet ajansları (FCC, ETSI, ITU) FHSS için sıkı sınırları empoze eder ve maksimum eşdeğerlikli olarak yayılabilir güç (EIRP) yaylı spektrumlarda 3 dBm'yi aşmaz.Çünkü ITU, 2.4 GHz ekipman için 20 dB bant genişliğinin en az 500 kHz olduğunu ve karşılıklı olarak kanal başına 1 MHz bant genişliğinin 5 dBm'yi aşmaması gerektiğini gerektirir.

Bu düzenlemeler doğrudan filtre tasarımını etkiler (tıpkıtlı yanlobes) ve desen nesli (grup üzerinde istatistiksel olarak üniforma olamaz). Mühendisler, tasarım döngüsünde, pencereli pul şekillerini veya kök-raize edilmiş-kosinez filtrelerini kullanarak, yanlobesleri kontrol etmeye yol açabilir.

Mühendisler için en iyi uygulamalar

1. Robust Modulation and Coding Schemes

Tür Tanıtım için, modulation seçeneği nadiren BPSK'yi tek başına kullanır. Birçok sistem, taşıyıcı izlemeden veya dörtlü faz geçiş anahtarını değiştirmek için (QPSK) veya kontrol etmek için çift veri oranını artırmak için potansiyel modlama (UWB için) kodlama veya fading için geri ödeme yapar.

Mühendisler kod oranını ve işleme kazancının ortak etkisini simüle etmelidir. Örneğin, 1/2 ila 1/3 arasında kod oranını düşürmek kodlama kazanır, ancak ayrıca veri aktarım senaryoları ile azaltır - bazen işlem kazançlarının kaybı için artan kırmızı tutar, kanal patlamalısa kullanım araçları kullanın. MATLAB İletişim Toolbox veya GNU Radio-teröre son derece tehlikeli bir şekilde (BER) eğrileri bitirmek için.

2. Implement Adaptive Frekans Hopping (AFH)

AFH, Bluetooth 2.1+ tarafından görevlendirilmiştir ve yoğun ISM gruplarında diğer FHSS sistemleri için önerilir. verici ve alıcı bir “kötü” kanallarının listesini ( Wi-Fi veya acı çekme yüksek gürültü) korur ve onları umut verici bir dizide kaçınır.

Aşırı yükleme işleminden kaçının: kanalların çok hızlı bir şekilde kaldırıldıysa, en az 10-20 paketlerini kullanarak geri dönüşümlü sistemler için, geri kalan frekanslarda kullanıcılar arasındaki çarpışma olasılığı artırmak.İyi bir uygulama, sadece düşük gürültü ile 10-20 paketler ile aynı prensipte inşa eden bir bilişsel radyo türüdür.

3. Alıcının senkronizasyon Mimarisini Geliştir

DSSS için, kod satın alma motoru arama hızını ve donanım maliyetini dengelemek zorundadır. İki adımlı bir yaklaşım yaygın: bir eşleştirilmiş filtre kullanarak hızlı bir coarse arama (parçalı kod uzunluğu üzerinden) takip eden bir PLL kilitlemeleri, diğerini belirlediğinde, sıfır tanımlı radyolar (SDR) takip edebilir.

Her iki durumda da, satın alma süresini dramatik bir şekilde azaltabilecek ayrı otomatik frekans kontrolü (AFC) döngüsü içerir. Uydu ve hava ile sistemler için, besleme uçları navigasyon verilerinden tahmin edin (örneğin, GPS'de ephemeris) sürekli olarak en kötü durumdaki Doppler oranını (örneğin, 1 kHz /s düşük seviyeli yörüngeler) ve takip döngü bant genişliğini kaybetmeden takip etmek için yeterince büyükdir.

Ground Up'tan Güç Verimliliği için 4. Tasarım

Güç tüketimi, bileşen seçimi ve mimari kararları almalı:

  • Düşük bir güç spektrumu bazband işlemcisi (örneğin, Cortex-M4 veya özel ASICs) ile esnek görev yapan bir araç seçin.
  • PAPR yüksek olduğunda zarf takip veya Doherty güç yükselteçlerini kullanın, PA verimliliğini% 10-20 oranında geliştirir.
  • Hescillation'dan kaçınmak için histeris ile uyumlu bir güç kontrolü uygulayın. Tipik bir algoritma, her 3 dB aşırı RSSI için 1 dB'yi azaltır, en az 0,5 dB ile.
  • Uyku modunda, PA, bazband saati ve düşük güç uyanma alıcı dışında çoğu dijital mantıktan vazgeçin. uyandırma alıcı, tam uyanma anahtarı için basitleştirilmiş bir dar bant kullanabilir (OOK) sinyali 10 μW altında tüketmek için.

Düşük IoT uygulamaları için (örneğin, 8-çipli) IEEE 802.15.4 kullanarak sensör ağları, kodlama kazancı için ticaret yapılabilir: çok kısa bir yayılma kodu ile DSSS (örneğin, 8-çip) mütevazı işlem kazancı sağlar, ancak daha düşük çip oranı ve böylece güç sağlar.

5. YazılımDefined Radio (SDR) Hızlı Iteration için prototipleme

Özel silikona girmeden önce, bir SDR platformundaki yay spektrum tasarımını (örneğin, USRP, AD9361 tabanlı yönetim kurulu veya Zynq) bu, mühendislere farklı yayılma kodları, modulation şemalarını test etmelerini sağlar ve kontrol edilebilir bir müdahale ile gerçek bir radyo kanalında adaptasyon algoritmaları sunar.

  • Gerçek zamanlı gecikme gecikmeleri altında senkronizasyon algoritmalarının belirlenmesi.
  • Gerçek müdahale reddedilmesini ve işlemeyi hedef grupta kullanın.
  • Gerçek Wi-Fi, Bluetooth veya bir ofis ortamındaki LTE sinyalleri ile birlikte tutarlılığı test edin.

Birçok modern SDR aracı (GNU Radio, RFNoC, LabVIEW), m-sequence nesli için bloklar içerir ve döngüleri takip eder, gelişim döngüsünü hızlandırır. algoritma doğrulandığında, standart bir dijital ön uç ile FPGA veya ASIC'ye taşınabilir.

6. Embrace Advanced Test ve Doğrulama Teknikleri

Geniş spektrum sistemleri karmaşık, simülasyonda yakalamak zor olmayan etkileşimleri yalnızca. doğrulama için en iyi uygulamalar şunları içerir:

  • [FONT=0)İklimli müdahale testi[Dönetici: İntevaz edilmiş bir dar bantlı reçemer (CW veya süpür) ölçülken, BER veya PER'yi ölçmek için “bit hata oranı vs. jammer-to-signal oranı” eğrisini bekleyin.
  • [FONT:0)Over-theair-OTA) test): Bir anekoic odasında, ortak girişim kaynakları ile test (örneğin, Wi-Fi erişim noktaları) ortak performans doğrulamayı.
  • [FONT:0)Compliance testi[[[Dönetici: 1 ): Bir a spektrum analizörü bir uyumluluk uygulaması ile kullanın (örneğin, Keysight N6141C) meşgul bant genişliği ölçmek için, FHSS için zaman ve maskeyi iletme.
  • [FONT:0]Uzun vadeli stabilite testleri[[Dönem: Sistemi 48+ saat boyunca sıcaklık bisikleti ile kod izleme döngülerini ve osilatörlerin kilitli kalmasını sağlamak için çalıştırın.

Her test davası için geçiş/fail kriteri. Birçok askeri proje, nükleer elektromanyetik pul (EMP) veya akıllı reçemerler simülatörü (EMP) veya akıllı rektörleri tanımlayan bir test aralığından “daha azlama” gerektirir; bu tür testlerin son dakika sürprizlerinden kaçınmak için erken yatırım.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Başarılı bir yayılma spektrumu sistemi, bir PRN kodu ve bir taşıyıcıyı modüle etmenin ötesine geçiyor. Mühendisler çelişkili gereksinimleri çözmeli - uzun kod uzunluğu ve güçlü müdahale reddedilme vs. ⁇ maske uyum.SDR-ticaret, senkronizasyon, güç tüketimi, multipath, güvenlik ve düzenleme gibi en iyi uygulamaları benimsemeli ve verimli alıcı mimarileri ve SDR-ye dayalı prototyping, geliştirme ekiplerinin sağlam, güvenli ve yasal olarak üretebilmeleri gibi en iyi uygulamaları benimsemeli.

Daha fazla okuma için klasik ders kitabına atıfta bulunun:0)Spread Spectrum İletişim), Omura, Scholtz ve Levit (IEEE Press, 1994) veya IEEE 802.1-150-2020 düşük kablosuz ağ için standart.Mevcut düzenleyici bilgiler için online ayarlamalar için[Döneticileri değiştir] ve 15 000 $ değerindeki standart kodlu kodlar için (D)