Spread spectrum

Hedy Lamarr

In fase di sviluppo Stesura preliminare In fase di sviluppo

Le tecniche di modulazione "classiche" hanno lo scopo di trasmettere informazioni usando segnali con banda stretta e potenza molto più elevata del rumore al fine di migliorare il SNR e quindi la capacità di canale.

Le tecniche di modulazione spread spectrum utilizzano invece una banda estremamente ampia per raggiungere lo stesso scopo. L'incremento della banda ottenuto è spesso indicato come spreading factor (letteralmente fattore di diffusione). Ovviamente banda ampia significa anche rumore elevato e, quindi, SNR basso se, come avviene di solito, non si aumenta la potenza del segnale.

Inoltre, i segnali usati con le modulazioni spread spectrum presentano spesso un'apparente casualità e quindi possono facilmente confondersi con il rumore.

I vantaggi di queste tecniche:

Questi due aspetti sono particolarmente utili nella applicazioni mobili e nell'utilizzo di frequenze non regolamentate. Perché?

La fotografia di apertura? C'entra...

DSSS

DSSS significa Direct Sequence Spread Spectrum.

Questa tecnica trasmette ciascun bit del dato trasformandolo in una sequenza pseudo-casuale di valori logici. Nella figura seguente abbiamo:

Lo spettro del segnale BLUE è simile a quello del rumore: costante ed ampio.

Scegliendo opportunamente il chip sono possibili più comunicazioni contemporanee in quanto ciascuna trasmissione si comporta per le altre in modo simile al rumore.

In ricezione è sufficiente fare lo XOR tra il segnale ricevuto per il chip per riottenere i dati trasmessi (RED = BLUE ⊕ GREEN).

Tale tecnica di modulazione è stata utilizzata nel WiFi 802.11b e nella telefonia cellulare di terza generazione (3G) nonché in applicazioni militari fino agli anni sessanta del secolo scorso. Attualmente è utilizzata nella codifica dei segnali GPS.

FHSS

FHSS significa Frequency-hopping spread spectrum.

Questa tecnica di trasmissione prevede il passaggio continuo e rapido da una portante ad un'altra, in modo pseudo casuale. La velocità con cui la frequenza della portante è modificata nonché il numero di frequenza costituisce lo spreading factor. Ovviamente questi salti devono essere fatti in sincrono da trasmettitore e ricevitore.

Il cambio continuo di frequenza di trasmissione ha alcuni vantaggi:

I primi brevetti relativi a FHSS, ben prima di applicazioni reali, sono legati a personaggi iconici come Nikola Tesla e Hedy Lamarr.

FHSS è oggi utilizzata da Bluetooth (nota 3) e telecomandi nonché, fino agli anni sessanta del secolo scorso, in applicazioni militari.

CSS

CSS significa anche Chirp spread spectrum.

Le tecniche di modulazione che utilizzano chirp sono particolarmente resistenti al rumore, alle interferenze e agli effetti del movimento relativo tra trasmettitore e ricevitore, rendendole ideali per trasmissioni a basso SNR.

Questa tecnica utilizza chirp (o sweep, spazzolata) per trasmettere i segnali digitali. Un chirp è un segnale sinusoidale la cui frequenza varia da un minimo ad un massimo (o viceversa). Il segnale seguente, per esempio, varia tra 1 kHz e 10 kHz in circa 5 ms per poi ricominciare da capo (up-chirp):

Chirp

Il segnale seguente varia invece tra 10 kHz e 1 kHz in circa 5 ms per poi ricominciare da capo (down-chirp):

Per rappresentare i chirp spesso si ricorre ad un grafico simile al seguente dove è messo in evidenza l'aumento (o la diminuzione) nel tempo della frequenza:

Lo spettro del chirp è piatto nell'intervallo compreso tra le due frequenze. In riferimento ad uno dei chirp da più sopra mostrati nel dominio del tempo, abbiamo il seguente spettro:

La codifica dei singoli bit può per esempio essere fatta:

 

Impostando gli estremi dell'intervallo delle frequenza, il tempo di transizione, il numero di bit codificati da ciascun simbolo è possibile scegliere il miglior compromesso tra velocità di trasmissione e comportamento con SNR basso. Il parametro che permette la scelta è a volte indicato come speading factor.

Il protocollo proprietario usato da LoRa si basa su CSS. Inoltre questo tipo di modulazione è usato da molti sistemi di localizzazione e misura di distanze.

Note

  1. Si noti che la formula della capacità di canale garantisce comunque valori elevati anche per valori di SNR molto bassi se la banda è molto grande
  2. Quando queste tecniche furono introdotte erano perfetta per ambiti militari o di spionaggio, ma si parla di cinquanta anni fa
  3. Bluetooth in realtà usa AFHSS (Adaptive Frequency Hopping) scartando in modo dinamico l'uso di frequenze già occupate


Pagina creata nel febbrai 2022
Ultima modifica: 5 febbraio 2022


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