Suorasekvenssihajaspektrimodulaatio

Yleisiä harhoja

• Suorasekvenssihajaspektrisignaalia ei voi havaita
• Suorasekvenssihajaspektrisignaalia ei voi häiritä
• Suorasekvenssihajaspektrisignaalia ei voi kuunnella

Suorasekvenssihajaspektri

Kaistaleveyden $BW_{pl}$ omaava hyötysignaali kerrotaan balansoidussa sekoittimessa tavallisesti suodattamattoman binäärisen suorasekvenssikoodin kanssa jonka oma kaistaleveys on tyypillisesti vähintään 10x hyötysignaaliin nähden.

Lopputuloksena on yleensä erittäin leveä BPSK:n verhokäyrän näköinen verhokäyrä, joka on suhteellisen helppoa saada esille kyllin hitaalla spektrianalysaattorin pyyhkäisyllä.

Vastaanotto on helppoa kun vastaanotin tuntee hajautussekvenssin ja on oikeassa vaiheessa sitä tuottamassa. Silloin sekoittamalla siirretty signaali hajautussekvenssillä, saadaan alkuperäinen hyötysignaali kerättyä pienistä palasista jotka ovat ympäri hajautussekvenssin taajuusaluetta.

Vastaanotossa kapean häiriösignaalin koko teho levitetään hajautussekvenssin verhokäyrän alueelle ja jos sekvenssin kaistaleveys on kyllin suuri, häiriön hyötykuormakaistalle tuoma teho sekvenssin sekoituksen jälkeen on nähtävissä merkityksettömän vähäisenä pohjakohinan nousuna.

Samalla kantoaaltotaajuudella voi operoida useampiakin suorasekvenssihajaspektrisignaleja, kunhan käytettyjen hajautussekvenssien keskinäinen korrelaatio on mahdollisimman pieni.

Tunnettuja sovelluksia SSHS-tekniikoista ovat mm:

• langaton lähiverkko (WLAN), jossa kaikki asemat käyttävät samaa satunnaissekvenssiä (tavoitteena lähinnä kapeakaistaisten häiriöiden vaikutuksen vähentäminen)
• GPS, jossa kukin satelliitti käyttää omaa sekvenssiään (Code-Division menetelmä)
• WCDMA, IS-95, jne. Code-Division Multiple-Access (CDMA) solupuhelinverkot

Kaikki radiosignaalit voi aina kuunnella ja riittävän vankalla analyysitekniikalla sekvenssitkin saadaan jälkikäsittelyssä selville. SSHS:llä tuntemattoman sekvenssipolynomin selvittäminen on toki huomattavan haastavaa. Taajuushyppelevän hajaspektrilähetteen kuuntelu on huomattavasti helpompaa.

SSHS sekvenssikoodit

SSHS:ssä käytettävä spektrin hajoitussekvenssi on näennäissatunnainen kohinakoodi ("Pseudo-Random Noise Code", "PNcode") joka koostuu "chip:eiksi" kutsutuista alkioista. Näillä chipeillä voi olla kaksi arvoa: -1/1 (polaarisena) tai 0/1.

Tavallisesti jokaisen datasymbolin aikana ajetaan koko PNcode kierros.

Tarvittava spektrin hajoitussekvenssi on digitaalinen polynomi, jonka:

1. koostuu binäärisistä symboleista
2. koodeilla täytyy olla terävä (yhden chipin levyinen) autokorrelaatiopiikki, jotta koodiin synkronoituminen onnistuu
3. koodeilla pitää olla matala keskinäinen ristikorrelaatioarvo, mitä matalampi tämä on, sitä enemmän käyttäjiä saadaan samalle taajuudelle
   1. tämän pitää päteä sekä täyden koodin korrelaatioon, että osittaisen koodin korrelaatioon
   2. osittaisen koodin korrelaatio-ominaisuudet ovat tärkeitä tilanteissa, joissa vain osakoodit ovat esillä (eri ajanhetkinä tapahtuvat lähetteen aloitukset)
4. koodien tulee olla tasapainoisia (balansoituja), ykkösten ja nollien määrien ero saa olla enintään yksi.
   1. tämä vaatimus tulee spektrillisistä ominaisuuksista; energian pitää levitä tasaisesti yli koko taajuusalueen

Käytännön hajoitussekvenssikoodeja ovat:

• Walsh-Hadamard -koodit
• M-sekvenssit
• Gold-koodit
• Kasami-koodit

Karkeasti nämä voidaan jakaa kahteen luokkaan: Ortogonaaliset koodit ja epäortogonaaliset koodit. Walsh-koodit ovat ortoginaalisia, kun jälkimmäinen ryhmä sisältää ns. siirtorekisterisekvenssit.

Ortogonaaliset koodit

Walsh-Hadamard -koodit

Walsh-koodeilla on eritysominaisuus että ne ovat ortogonaalisia, eli niillä on mahdollisimman vähäinen keskinäinen ristikorrelaatio. Tämä tarjoaa etuja monikäyttäjärajapinnalla, mutta näillä koodeilla on haittojakin:

• koodeilla ei ole vain yhtä terävää autokorrelaatiopiikkiä
• sekvenssi ei levitä energiaa tasaisesti koko taajuusalueelle, vaan se on muutamana terävänä piikkinä
• vaikkakin täyden sekvenssin ristikorrelaatio on täsmälleen nolla, sama ei päde osittaisten koodien ristikorrelaatioon.
  • tästä seuraa, että ortogonaalisten koodien edut menetetään
• ortogonaalisuus riippuu myös erilaisista kanavan ominaisuuksista, kuten monitie-etenemisestä. Käytännön järjestelmissä ekvalisaatiota käytetään alkuperäisen signaalin löytämiseen

Nämä Walsh-sekvenssien haittapuolet tekevät niistä epäkelpoja muissa kuin aloha-master synkronoidussa verkossa (kuten soluverkoissa) joissa kaikki osallistujat ajavat sekvenssejään samaa tahtia ja siksi mm. osittaisen sekvenssin ristikorrelaatio-ongelmat eivät haittaa.

Systeemejä missä Walsh-sekvenssejä käytetään ovat mm:

• Multi-carrier CDMA
• IS-95 CDMA

Siirtorekisterikoodit

Siirtorekisterikoodit eivät ole ortogonaalisia, mutta niillä on kapea autokorrelaatiopiikki. Nimi tulee tosiseikasta, että ne voidaan tuottaa siirtorekisterillä joka on varustettu takaisinkytkentäotoilla.

M-sekvenssit

Käyttämällä yhtä siirtorekisteriä voidaan tuottaa maksimipituussekvenssejä (M-sekvenssejä.) Sopivasti valituilla takaisinkytkentäpisteillä voidaan $n$-bitin kokoisella siirtorekisterillä tuottaa $2^{n}-1$ bitin pituinen sekvenssi.

Tällä tavalla tuotettavien erilaisten koodien määrä riippuu siitä, kuinka monta erilaista tapaa on tehdä takaisinkytkentä. Näillä sekvensseillä on muutamia erityisiä ominaisuuksia, näistä koodin valinnassa merkittäviä ovat:

• M-sekvenssit ovat tasapainoisia: ykkösten määrä ylittää nollien määrän vain yhdellä-
• M-sekvenssin taajuuspektrillä on ${\mbox{sinc}}^{2}$-verhokäyrä ja se levittää energian paljon tasaisemmin, kuin esim. saman kokoinen Walsh-koodi.
• sekvenssin "siirrä ja summaa"-ominaisuus voidaan esittää:$T^{k}u=T^{i}uT^{j}u\,$ missä "u" on M-sekvenssi.
• Sekvenssin autokorrelaatiofunktiolla on vain kaksi arvoa: $R_{u}(\tau )=N\,$, kun $\tau =kN\,$, ja $-1\,$, kun $\tau \neq kN\,$ missä $k$ on kokonaisluku ja $\tau \,$ on suhteellinen offsetti.
• M-sekvenssien ristikorrelaatiolle ei ole yleistä kaavaa
• kahden M-sekvenssin sanotaan olevan suositeltava pari, kun niiden ristikorrelaatiolla on vain kolme eri arvoa: $-1,-2^{\left\lfloor (n+2)/2\right\rfloor }$ ja $2^{\left\lfloor (n+2)/2\right\rfloor }$.
  • tällaisia pareja ei esiinny siirtorekistereille, joiden pituus on neljän monikerta!

Gold-koodit

Yhdistämällä kaksi suositeltava pari M-sekvenssiä tuottaa ns. Gold-koodin. Antamalla toiselle koodille viivettä toisen suhteen saamme eri sekvenssejä.

Kokonaisuudessaan saatavilla olevien sekvenssien määrä on $2^{n}+1\,$ (generoivat kaksi M-sekvenssiä itse ja niiden $2^{n}-1\,$ yhdistelmää erilaisten siirtymien määrillä.)

Täyden koodin maksimi ristikorrelaatioarvo on: $2^{\left\lfloor (n+2)/2\right\rfloor }+1\,$.

Kasami-koodit

Jos yhdistämme Gold-koodin ja desimoidun version toisesta sen generaattorina olevasta M-sekvenssistä, saamme Kasami-koodin, joita muodostuu suuri joukko.

Sellainen koodi voidaan esittää näin:

$c=u\cdot T^{k}v\cdot T^{m}w\,$

missä $u$ ja $v$ ovat M-sekvenssejä joiden pituus on: $N_{DS}=2^{n}-1\,$ (missä $n$ on parillinen) ja jotka muodostavat suositeltavan parin. $w$ on M-sekvenssi joka on syntynyt desimoimalla $v$-koodi: $2^{n/2}+1\,$. $T$ esittää yhden "chipin" viivettä, $k$ on $v$-koodin siirtymäoffsetti suhteessa $u$-koodiin ja $m$ on $w$-koodin siirros suhteessa $u$-koodiin. Siirtymät ovat suhteellisia polynomin "kaikki ykkösinä" -tilasta.

Kasami-koodien suuresta joukosta voidaan havaita muutamia "erikoistapauksia". Joukon generoivat M-sekvenssit ovat myös joukon jäseniä, samoin kuin Gold-koodit jotka voidaan luoda näillä M-sekvensseillä.

Kasami-koodeilla on samat korrelaatio-ominaisuudet kuin Gold-koodeilla, ero piilee generoitavissa olevien koodien määrässä. Suurelle Kasami-koodien joukolle tämä määrä on $2^{(n/2)}(2^{n}+1)\,$. Esimerkiksi $n=6$ tuottaa 520 mahdollista koodia. Suuri koodijoukko on tärkeä ominaisuus erillisten "koodiosoitteiden" määrää varten. Suuri koodijoukko mahdollistaa myös valita ne koodit, joilla on sovelluksen kannalta edulliset ristikorrelaatio-ominaisuudet.