Cdma-spread-spectrum
CDMA-スペクトラム拡散
すべての技術的な変調と復調は、ホワイトガウスの加算定常ノイズチャネルで帯域幅の電力と効率の両方または一方を高めるために努力しています。 帯域幅は限られたリソースであるため、すべての変調方式の主要な設計目標の1つは、伝送に必要な帯域幅を最小限にすることです。 一方、スペクトラム拡散技術では、最小信号に必要な帯域幅よりも桁違いに大きい伝送帯域幅を使用します。
スペクトラム拡散技術の利点は、多くのユーザーが互いに干渉することなく同じ帯域幅を同時に使用できることです。 したがって、ユーザー数が少ない場合、スペクトラム拡散は経済的ではありません。
- スペクトラム拡散は、送信信号の周波数が意図的に変更されて帯域幅が広くなる無線通信の一種です。
- スペクトラム拡散は、シャノンおよびハートレーのチャネル容量定理で明らかです- + C = B×log〜2〜（1＆plus; S/N）
- 与えられた式で、「C」はビット/秒（bps）単位のチャネル容量であり、理論的なビットエラーレート（[.underline]＃BER＃）の最大データレートです。 「B」は、Hz単位の必要なチャネル帯域幅であり、S/Nは信号対雑音電力比です。
- スペクトラム拡散は、検出、傍受、または復調が困難な広帯域のノイズのような信号を使用します。 さらに、スペクトラム拡散信号は、狭帯域信号よりも妨害（干渉）が困難です。
- スペクトラム拡散信号は非常に広いため、狭帯域送信機よりもはるかに低いスペクトル電力密度で送信されます。 スペクトル拡散信号と狭帯域信号は、干渉をほとんどまたはまったく伴わずに同じ帯域を占有できます。 この機能は、今日のスペクトラム拡散に対するすべての関心の主要な魅力です。
覚えておくべきポイント-
- 送信される信号帯域幅は、信号を正常に送信するために必要な最小情報帯域幅よりも大きくなります。
- 結果として送信される帯域幅を決定するために、情報自体以外の機能が通常使用されます。
以下は、2種類のスペクトラム拡散技術です-
- 直接シーケンスと
- 周波数ホッピング。
直接シーケンスはCDMAで採用されています。
ダイレクトシーケンス（DS）
直接シーケンス符号分割多元接続（DS-CDMA）は、異なるコードでユーザーを多重化する技術です。 この手法では、異なるユーザーが同じ帯域幅を使用します。 各ユーザーには、独自の拡散コードが割り当てられます。 コードのこれらのセットは、2つのクラスに分かれています-
- 直交コードと *非直交コード
Walshシーケンスは、直交コードである最初のカテゴリに分類されますが、他のシーケンスは PN、Gold、およびKasamiはシフトレジスタシーケンスです。
直交コードがユーザーに割り当てられ、受信機の相関器の出力は、希望するシーケンスを除いてゼロになります。 同期直接シーケンスでは、受信者は送信されたのと同じコードシーケンスを受信するため、ユーザー間の時間シフトはありません。
DS信号の復調-1
DS信号を復調するには、送信時に使用されたコードを知る必要があります。 この例では、送信で使用されるコードを受信信号に乗算することにより、送信信号を取得できます。
この例では、受信信号への送信（10,110,100）時に複数のコードが使用されました。 ここでは、2つの添加剤の法則（モジュロ2加算）を使用して計算しています。* 逆拡散*（逆拡散）と呼ばれる、この送信時に使用されたコードを乗算することによりさらに復調されます。 以下の図では、データを狭帯域（狭帯域）スペクトルに送信している間、信号のスペクトルが拡散していることがわかります。
DS信号の復調− 2
一方、送信時に使用されたコードがわからない場合は、復調できません。 ここでは、異なるコード（10101010）と送信時間で復調しようとしていますが、失敗しました。
スペクトルを見ても、送信中に広がります。 バンドパスフィルター（バンドパスフィルター）を通過すると、この小さな信号のみが残り、これらは復調されません。
スペクトラム拡散の機能
次の図に示すように、スペクトラム拡散信号の電力密度はノイズ密度よりも低くなる可能性があります。 これは、信号を保護し、プライバシーを維持できるすばらしい機能です。
送信信号のスペクトルを拡散することにより、ノイズのパワー密度よりも小さくなるようにパワー密度を下げることができます。 このようにして、ノイズの中の信号を隠すことができます。 信号の送信に使用されたコードがわかっている場合は、復調できます。 コードが不明な場合、受信信号は復調後でもノイズに隠れたままになります。
DS-CDMA
DSコードはCDMAで使用されます。 これまで、スペクトラム拡散通信の基本的な部分について説明してきました。 ここから、直接シーケンス符号分割多元接続（DS-CDMA）の仕組みを説明します。
スペクトラム拡散された信号は、送信に使用されるコードによってのみ復調できます。 これを使用することにより、各ユーザーの送信信号は、信号を受信したときに個別のコードで識別できます。 与えられた例では、コードAでのユーザーAの拡散信号、およびコードBでのユーザーBの拡散信号。 受信する各信号は混合されます。 ただし、逆拡散器（逆拡散器）によって、各ユーザーの信号が識別されます。
- DS-CDMAシステム-フォワードリンク*
- DS-CDMAシステム-リバースリンク*
拡散コード
相互相関
相関は、特定の信号が目的のコードとどれだけ正確に一致するかを測定する方法です。 CDMAテクノロジーでは、各ユーザーに異なるコードが割り当てられます。ユーザーが割り当てたり選択したりするコードは、CDMAシステムのパフォーマンスに関連するため、信号を変調するために非常に重要です。
目的のユーザーの信号と他のユーザーの信号が明確に分離されている場合、最高のパフォーマンスが得られます。 この分離は、ローカルで生成された目的の信号コードと他の受信信号を相関させることにより行われます。 信号がユーザーのコードと一致する場合、相関関数は高くなり、システムはその信号を抽出できます。 ユーザーの希望するコードに信号との共通点がない場合、相関は可能な限りゼロに近い必要があります（したがって、信号を除去します）。相互相関とも呼ばれます。 そのため、自己相関（自己相関）と*相互相関*（相互相関）があります。
自己相関とコードのプロパティを下の図に示します。拡散コード「A」と拡散コード「B」の相関が示されています。 この例では、拡散コード「A（1010110001101001）」と拡散コード「B」（1010100111001001）の相関関係が計算されますが、以下の例で計算を実行すると、結果は6/16になります。
好ましいコード
CDMAでは好ましいコードが使用されます。 CDMAのシステムのタイプに応じて使用できるさまざまなコードがあります。 システムには2つのタイプがあります-
- 同期（同期）システムと
- 非同期（非同期）システム。
同期システムでは、直交コード（直交コード）を使用できます。 このための非同期システムでは、擬似ランダムコード（擬似ランダムノイズ）やゴールドコードなどが使用されます。
DS-CDMAでの相互干渉を最小限に抑えるために、相互相関の少ない拡散コードを選択する必要があります。
- 同期DS-CDMA *
- 直交コードが適切です。 （ウォルシュコードなど）
- 非同期DS-CDMA *
- 擬似ランダムノイズ（PN）コード/最大シーケンス
- ゴールドコード
- 同期DS-CDMA *
同期CDMAシステムは、ポイントツーマルチポイントシステムで実現されます。 たとえば、携帯電話のフォワードリンク（ベースステーションからモバイルステーション）。
同期システムは、1対多（ポイントツーマルチポイント）システムで使用されます。 たとえば、移動通信システムでは、特定の時間に単一の基地局（BTS）が複数の携帯電話と通信できます（フォワードリンク/ダウンリンク）。
このシステムでは、すべてのユーザーの送信信号が同期して通信できます。 つまり、この点での「同期」は、各ユーザー信号の上部を揃えるために送信できる意味です。 このシステムでは、直交コードを使用することができ、相互干渉を減らすこともできます。 そして、直交コード、それは相互相関などの符号です。 0.
- 非同期DS-CDMA *
非同期CDMAシステムでは、直交コードの相互相関が悪い。
基地局からの信号とは異なり、移動局から基地局への信号は非同期システムになります。
非同期システムでは、相互干渉が多少増加しますが、PNコードやゴールドコードなどの他のコードを使用します。
スペクトラム拡散の利点
信号は広い周波数帯域に広がるため、パワースペクトル密度は非常に低くなるため、他の通信システムはこの種の通信の影響を受けません。 ただし、ガウスノイズは増加します。 以下に、スペクトラム拡散のいくつかの主要な利点のリストを示します-
- 多数のコードを生成でき、多数のユーザーを許可するため、マルチパスに同意できます。
- スペクトラム拡散では、ユーザーの制限はありませんが、FDMAテクノロジーにはユーザーの制限があります。
- セキュリティ-拡散コードを知らないと、送信されたデータを回復することはほとんど不可能です。
- 降順の拒否-広い帯域幅が使用されると、システム。変形の影響を受けにくい。
PNシーケンス
DS-CDMAシステムは、2種類の拡散シーケンス、すなわち* PNシーケンス*と*直交コード*を使用します。 前述のように、PNシーケンスは擬似ランダムノイズジェネレーターによって生成されます。 これは、XORゲートとシフトレジスタで構成されるバイナリリニアフィードバックシフトレジスタです。 このPNジェネレーターには、送信機と受信機の両方で同じシーケンスを作成する機能があり、ノイズランダムビットシーケンスの望ましい特性を保持します。
PNシーケンスには、ほぼ同じ数のゼロと1、シーケンスのシフトバージョン間の非常に低い相関、干渉やノイズなどの他の信号との相互相関が非常に低いなど、多くの機能があります。 ただし、それ自体およびその逆と十分に相関することができます。 もう1つの重要な側面は、受信信号の拡散コードを同期およびロックする機能を決定するシーケンスの自己相関です。 この戦いは、多重干渉に効果的に影響し、SNRを改善します。 Mシーケンス、ゴールドコード、カサミシーケンスは、このクラスのシーケンスの例です。
- 疑似ランダムノイズ（PN）シーケンスは、2進数のシーケンスです。 ±1、ランダムに見える;しかし、実際には完全に決定論的です。
- PNシーケンスは、2種類のPN拡散スペクトル技術に使用されます-
- 直接信号拡散スペクトル（DS-SS）および
- 周波数ホップ拡散スペクトル（FH-SS）。
- 「u」がPNシーケンスの変調にPSKを使用する場合、DS-SSになります。
- 「u」がPNシーケンスの変調にFSKを使用する場合、FH-SSになります。
周波数ホッピング技術
周波数ホッピングは、広帯域にわたって周波数をホッピングすることにより伝播が行われるスペクトラム拡散です。 ブレークが発生する正確な順序は、擬似ランダムコードシーケンスを使用して生成されたホッピングテーブルによって決まります。
ホッピング速度は、速度情報の関数です。 周波数の順序は受信機によって選択され、擬似ランダムノイズシーケンスによって決定されます。 周波数ホッピング信号スペクトルの伝送は直接シーケンス信号の伝送とはまったく異なりますが、データは信号帯域に分散されていることに注意するだけで十分です。 どちらの場合も、結果の信号はノイズとして現れ、受信機は同様の手法を使用します。これは、送信で元の信号を復元するために使用されます。
