Versuch 5: Spreizbandcodierung

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1 Versuch 5: Spreizbandcodierung Einleitung In diesem Versuch sollen Sie ausgehend von dem schematic aus Versuch 3 ein Übertragungssystem mit Spreizbandcodierung realisieren. Sie werden die Spektren und Zeitsignale betrachten und das Verhalten bei Störungen durch einen zweiten Sender und ein schmalbandiges Sinussignal untersuchen. Vorbereitung Die Spreizbandcodierung (spread spectrum technique) erzeugt ein Signal, dessen Spektrum gegenüber dem Eingangssignal des Codierers gespreizt ist und damit mehr Bandbreite benötigt. Durch Verwendung unterschiedlicher Spreizsequenzen für verschiedene Eingangssignale läßt sich eine Trennung (Orthogonalisierung) der gespreizten Signale erreichen. Man spricht dann von Codemultiplex bzw. von Codevielfach (in nicht synchronisierten Systemen). Theoretisch lassen sich mit Hilfe von Codemultiplex genau so viele Signale in einer vorgegebenen Bandbreite multiplexen wie mit Frequenz- oder Zeitmultiplex. Codemultiplex- bzw. Codevielfachverfahren haben aber bei der Realisierung andere Vor- und Nachteile als die beiden letztgenannten Verfahren. Man unterscheidet zwei wichtige Spreizbandtechniken: 1. Frequency Hopping (FH) Frequency hopping erzeugt das verbreiterte Spektrum des codierten Signals durch Änderung der Trägerfrequenz des Sendesignals nach einem Quasizufallsmuster, das sich periodisch wiederholt. Das Wechseln der Trägerfrequenz wird als hopping bezeichnet. Wenn die Frequenzerweiterung 1000 ist, stehen 1000 mögliche Trägerfrequenzen zur Verfügung. Trägerfrequenzen, die von dem Signal in einem Zeitabschnitt nicht genutzt werden, können von anderen Signalen verwendet werden; ein Codemultiplex bzw. Codevielfach mittels anderer hopping-sequenzen wird dann möglich. Je nachdem wie schnell die Frequenz geändert wird, spricht man von slow frequency hopping oder fast frequency hopping. Beim slow frequency hopping werden auf einer Simulation und Analyse von Kommunikationssystemen Seite 1 von 11

2 Frequenz mehrere Bits übertragen, während sich beim fast frequency hopping bei der Übertragung eines Bits die Frequenz mehrfach ändert. 2. Direct Sequence (DS) DS realisiert die Spreizung des Informationsspektrums durch Multiplikation des Datensignals mit einem im Verhältnis zur Bandbreite des Datensignals breitbandigen Signal. Dieses Signal wird Spreizsequenz genannt. Die Spreizsequenz ist in der Regel bipolar und pseudozufällig. Die Dauer eines Zeichens der Spreizsequenz wird chip genannt. Damit ist eine Unterscheidung von einem Informationsbit oder einem Symbol möglich. Eine einfache Codierungsregel lautet: ist das Informationsbit high, wird die Spreizsequenz original gesendet; ist das Informationsbit hingegen low, wird die Spreizsequenz invertiert gesendet. Durch Verwendung unterschiedlicher Spreizsequenzen lassen sich verschiedene Datenquellen orthogonalisieren, d.h. ein Codemultiplex bzw. Codevielfach ist dann möglich. Als Folge der spektralen Spreizung sind Spreizbandsignale gegenüber schmalbandigen Störern erheblich unempfindlicher als Frequenzmultiplex-Signale. Weitere Vorteile ergeben sich in Mobilfunkkanälen, wo die größere Bandbreite im Empfänger zur Auflösung von Echos des Empfangssignals (diversity) genutzt werden kann. Durchführung In Systemen mit Spreizbandcodierung werden in der Regel keine höherwertigen Modulationsverfahren verwendet. Aus diesem Grund und damit Sie die Spektren für den Fall mit und ohne Spreizung vergleichen können, müssen Sie zuerst die Parameter im schematic ex_03_fft.sch so ändern, daß Sie eine Simulation mit dem Modulationsverfahren BPSK durchführen können. Öffnen Sie das schematic ex_03_fft.sch und speichern Sie es unter ex_05.sch ab. Stellen Sie die Parameter in den Blöcken BITS2SYM und SYM2BITS so ein, daß ein Bit auf ein Symbol abgebildet wird. Verändern Sie den roll-off Faktor in den Filtern auf r = 1.0. Ändern Sie die Input Datasets entsprechend der folgenden Tabelle. Simulation und Analyse von Kommunikationssystemen Seite 2 von 11

3 Model Name Input Dataset Parameter LINEAR_MOD Id File Type File Format LINEAR_DEM Id File Type File Format Tab. 5.1: Geänderte Input Datasets Parameter Wert SYMBOL_MAP IMPLICIT ASCII_MATRIX ${COSSAP_USER_C}/qam_tab/bpsk.ma SYMBOL_MAP IMPLICIT ASCII_MATRIX ${COSSAP_USER_C}/qam_tab/bpsk.ma Ändern Sie auch die Beschriftung im schematic entsprechend der neuen Parameterwerte. Starten Sie eine Simulation für ein SNR = 80 db und NSPS = 8 und stellen Sie das Spektrum im DAVIS-Tool dar. Nachdem Sie nun eine Simulation ohne Spreizbandcodierung durchgeführt haben, verändern Sie das schematic entsprechend Abb. 5.1 und speichen es als ex_05_spread.sch ab. Abb. 5.1: BPSK-Übertragungssystem mit Spreizbandcodierung Im Gegensatz zur Modulation ohne Spreizbandcodierung, wo sich ein Symbol aus einem oder mehreren Bits zusammensetzt, erzeugt nun ein Bit mehrere Chips, die dann auf ein Symbol abgebildet werden. Die Symboldauer ist dann in der Regel kleiner als eine Bitdauer. Wird eine BPSK verwendet, so erzeugt ein Chip ein Symbol. Werden im Modulator mehrere Abtastwerte pro Symbol verwendet, so gilt NSPS = NSPC (number of samples per symbol = Simulation und Analyse von Kommunikationssystemen Seite 3 von 11

4 number of samples per chip). NSPC wird deshalb im folgenden nicht weiter verwendet. Bei konstanter Bitrate der Signalquelle erhöht sich die Abtastrate um den Spreizfaktor der Spreizsequenz. Dies muß in den nachfolgenden Modellen des BPSK-Übertragungssystems berücksichtigt werden. Für die Spreizbandcodierung stehen in der Bibliothek HIER_SAK die Module Spread und DeSpread zur Verfügung. Eine kurze Beschreibung der Module und ihrer Parameter soll ihnen deren Funktionsweise näher erläutern: Spread Spreizt ein binäres Eingangssignal mit einer Spreizsequenz, deren Länge durch den Parameter Pattern_Length bestimmt ist. Das Input Dataset verweist auf eine Datei, welche die Spreizsequenz beinhaltet. Die Spreizung wird in diesem Modell durch eine logische Funktion (EXNOR) realisiert. DeSpread Entspreizt ein bipolares Eingangssignal mit einer Spreizsequenz, deren Länge durch den Parameter Pattern_Length bestimmt ist. Das Input Dataset verweist auf eine Datei, welche die Spreizsequenz beinhaltet. Die Entspreizung wird in diesem Modell durch eine mathematische Funktion (Multiplikation) realisiert. In Ihrem c-verzeichnis im Unterverzeichnis seq_tab finden Sie zwei Spreizsequenzen, die aus je vier Bits bestehen: tab_1 (Spreizsequenz: ) tab_2 (Spreizsequenz: ) Sie können diese Sequenzen für das input dataset verwenden, oder aber sich eigene Sequenztabellen erzeugen. Achten Sie hierbei darauf, daß Sie diese Tabellen mit einem Text- Editor erzeugen (vi) und zwischen den Bits ein Leerzeichen einfügen. Simulation und Analyse von Kommunikationssystemen Seite 4 von 11

5 Die beiden Modelle Spread und DeSpread sind aus Primitivmodellen hierarchisch aufgebaut (siehe Abb. 5.2 und Abb. 5.3): Abb. 5.2: Hierarchisches Modell Spread HOLD_I: PPGEN1_I: Dieses Modell gibt jedes Eingangssignalsample so oft an den Ausgang weiter, wie es durch seinen Parameter Hold_Factor bestimmt wird. Die aus dem Input Dataset gelesene Datensequenz wird periodisch auf den Ausgang gegeben. CMPEQ_I: Vergleicht die beiden Eingangssignale. Sind beide Signale gleich, wird eine 1 an den Ausgang gegeben, sonst eine 0 (EXNOR). Abb. 5.3: Hierarchisches Modul DeSpread THRESHOLD: Schwellwertentscheider, der die unipolaren Signale in bipolare Signale umwandelt. Simulation und Analyse von Kommunikationssystemen Seite 5 von 11

6 MI2R: MUL2: INTDMP: Wandelt Integer-Signale in Real-Signale um. Multiplikation von zwei reellen Eingangssignalen. Summiert entsprechend der Sequenzlänge die Eingangssamples auf und gibt ein Ausgangssignal aus. Konfiguration der Blöcke Parameter: Weisen Sie den Parametern bzw. Variablen die Werte von Tabelle 5.2 zu. Model Name Parameter Name Parameter Wert Spread Pattern_Length $CHR DMPNI FIRST_ITEM 1 (nach Spread) NUM_ITEMS 1000 SAMPLING_TIME 1.0/$CHR SCAT FIRST_ITEM 1 NUM_ITEMS 200 SAMPLING_TIME 1.0/$CHR IMPMOD RATE_FACTOR $NSPS SAMPLING_TIME 1.0/($NSPS * $CHR) RCRFQC SAMPLING_TIME 1.0/($NSPS * $CHR) CUTOFF_FREQUENCY_3DB 0.5 * $CHR ROLLOFF 1.0 GAIN 1.0 FFT_LENGTH 2048 ATTENUATION_ISI 0.0 ATTENUATION_NCD 0.0 PSD2QC SEGMENT_LENGTH OVERLAP_LENGTH 0 FFT_LENGTH DATA_WINDOW_INDEX 4 FIRST_ITEM 1000 NUMBER_OF_SEGMENTS 1 SAMPLING_TIME 1.0/($NSPS * $CHR) DMPNR FIRST_ITEM 1 (vor DeSpread) NUM_ITEMS 1000 SAMPLING_TIME 1.0/$CHR DeSpread Pattern_Length $CHR Tab. 5.2: Parameter der verwendeten Blöcke Simulation und Analyse von Kommunikationssystemen Seite 6 von 11

7 Ouput Datasets: Model Name Output Dataset Parameter Parameter Wert DMPNI Id SEQ_XMT (nach Spread) File Format COSSAP_BINARY Plot Format 1 (FIRST DIMENSION vs. TIME (line)) PSD2QC (1) Id SPEC_XMT File Format COSSAP_BINARY Plot Format 1 (PSD vs. FREQUENCY (line)) PSD2QC (2) Id SPEC_RCV File Format COSSAP_BINARY Plot Format 1 (PSD vs. FREQUENCY (line)) DMPNR Id SEQ_RCV (vor DeSpread) File Format COSSAP_BINARY Plot Format 1 (FIRST DIMENSION vs. TIME (line)) Tab. 5.3: Output Datasets der verwendeten Blöcke Input Datasets: Model Name Input Dataset Parameter Parameter Wert Spread Id SPREAD File Format ASCII_MATRIX ${COSSAP_USER_C}/seq_tab/tab_1 DeSpread Id DESPREAD File Format ASCII_MATRIX ${COSSAP_USER_C}/seq_tab/tab_1 Tab. 5.4: Input Datasets der verwendeten Blöcke Starten der Simulation Geben Sie im Assignment-File (ex_05.asn) folgende Werte ein und starten Sie die Simulation: Simulation und Analyse von Kommunikationssystemen Seite 7 von 11

8 SNR := 80.0 ; NSPS := 8 ; CHR := 4 ; Darstellung der Simulationsergebnisse Fügen Sie nun im DAVIS-Tool die beiden neu erhaltenen Spektren zu dem Spektrum aus der Simulation ohne Spreizung ein. Beantworten Sie die folgenden Fragen anhand der spektralen Darstellung: Wie groß ist die Periode des gespreizten und des ungespreizten Leistungsdichtespektrums? Durch welche Parameter werden die Perioden bestimmt? Wie groß ist das Verhältnis der Bandbreite des gespreizten zur Bandbreite des ungespreizten Signals (Spreizfaktor)? Vergleichen Sie die Formen der Leistungsdichtespektren. Durch welche Maßnahme wird die Form des Leistungsdichtespektrums des gespreizten Signals beeinflußt? Betrachten Sie sich nun die Fehlerrate. Welchen Wert erwarten Sie? Vergleichen Sie anschließend die Zeitsignale des Spreizbandsignals nach der Spreizung und vor der Entspreizung bezüglich Amplitude und Vorzeichen. In einem Übertragungssystem mit nur einem Sender wird der Nutzen einer Spreizbandcodierung nicht direkt sichtbar. Aus diesem Grund sollen Sie Ihrem schematic einen zweiten Sender hinzufügen. Damit Sie nicht alle Blöcke von der Bitquelle bis zum Sendefilter neu setzen müssen, existiert ein hierarchisches Modell Sender. Bauen Sie den zweiten Sender wie in Abb. 5.4 angegeben in das Übertragungssystem ein. Simulation und Analyse von Kommunikationssystemen Seite 8 von 11

9 Abb. 5.4: Konfiguration mit einem zweiten Sender Konfiguration des Blocks Sender Parameter: Stellen Sie die Parameters des Blocks Sender identisch zu jenen des Senders für das Nutzsignal ein. Wählen Sie nur für diesen Störsender einen seed von Input Datasets: Model Name Input Dataset Parameter Parameter Wert Sender Id SYMBOL_MAP File Format ASCII_MATRIX ${COSSAP_USER_C}/qam_tab/bpsk.ma Id SPREAD2 File Format ASCII_MATRIX ${COSSAP_USER_C}/seq_tab/tab_2 Tab. 5.5: Input Datasets des verwendeten Blocks Sender Speichern Sie die Konfiguration unter ex_05_2sig.sch ab. Starten Sie mit der geänderten Konfiguration eine Simulation und betrachten Sie sich die Spektren im Sender und Empfänger. Simulation und Analyse von Kommunikationssystemen Seite 9 von 11

10 Welche Unterschiede im Vergleich zur Simulation mit nur einem Sender sind festzustellen? Warum sind die Leistungsdichtespektren im Sender und Empfänger unterschiedlich? Wird die Bandbreite des Empfangssignals durch den zweiten Sender verändert? Vergleichen Sie die Zeitsignale nach der Spreizung im Sender und vor der Entspreizung im Empfänger. Wie groß kann die Amplitude des Empfangssignals maximal werden? Würden bei einer Decodierung ohne Entspreizung Fehler entstehen? Ein weiterer Vorteil von Systemen mit Spreizbandcodierung ist die höhere Störfestigkeit gegenüber schmalbandigen Störquellen. Dies soll mit einer weiteren Simulation demonstriert werden. Ersetzen Sie den zweiten Sender durch einen Sinusgenerator und eine Konstantsignalquelle (Abb. 5.5). Da das Sinussignal ein reelles Signal ist, der Addierer aber komplexe Signale verarbeitet, muß mit Hilfe der Konstantsignalquelle der imaginäre Eingang auf Null gesetzt werden. Abb. 5.5: Ausschnitt aus der Konfiguration mit einem Sinusstörer Simulation und Analyse von Kommunikationssystemen Seite 10 von 11

11 Parameter: Model Name Parameter Name Parameter Wert SIN_GEN_TBL NumberOfItems 2 * $NSPS * $CHR NumberOfPeriods 1 Amplitude $AMPLITUDE CONSTR CONSTANT_VALUE 0.0 Tab. 5.6: Parameter der Blöcke SIN_GEN_TBL und CONSTR Speichern Sie die Konfiguration unter ex_05_sin.sch ab. Geben Sie im neuen Assignment-File ex_05_sin.asn folgende Werte für SNR := 80.0 ; NSPS := 8 ; CHR := 4 ; ein und erstellen Sie zwei Netzlisten (nur create verwenden) mit den Amplitudenwerten (AMPLITUDE := 1 und 10). Notieren Sie sich die Simulationsnummern. Loggen Sie sich in einer neuen Shell auf der Workstation Rhein mittels `rlogin rhein` ein. Wechseln Sie in das c-verzeichnis und starten Sie die Simulationen mit `sds SIMNO`. Werten Sie die Ergebnisse aus: Bestimmen Sie die Bitfehlerrate für beide Störsignalamplituden. Betrachten Sie die Leistungsdichtespektren für beide Störsignalamplituden. Vergleichen Sie die Signale am Eingang des Despreaders. Der Tutor kann Ihnen den Einfluß des Sinusstörers auf die Konfiguration ohne Spreizbandcodierung demonstrieren. Simulation und Analyse von Kommunikationssystemen Seite 11 von 11