BLUETOOTH_TRABAJO_final 1165KB Aug 14 2014 03:01:49 AM

Integrantes:
Migliacci, Nelson
Perez, Martín
Tolosa Zenklusen, Juan Pablo
Introducción
El estándar Bluetooth surge en 1994 y se formaliza en 1998, es una tecnología
inalámbrica de bajo costo, que opera en la banda no licenciada de 2.4 GHz (Banda de
frecuencia industrial científica y medica). El núcleo del sistema Bluetooth consiste en
un trasmisor de radio, una banda base y una pila de protocolos. El sistema posibilita la
transmisión de voz y datos entre diferentes dispositivos mediante un enlace por
radiofrecuencia segura.
Los principales objetivos que se pretende conseguir son:
·
Facilitar las comunicaciones entre equipos móviles y fijos.
·
Eliminar cables y conectores entre éstos.
·
Ofrecer la posibilidad de crear pequeñas redes inalámbricas y facilitar la
sincronización de datos entre nuestros equipos personales.
Los dispositivos que con mayor intensidad utilizan esta tecnología son los de los
sectores de las telecomunicaciones y la informática personal, como son los PDA
(Personal Digital Assistant), teléfonos celulares, computadoras portátiles, PCs,
impresoras y cámaras digitales.
La tecnología Bluetooth comprende hardware, software y requerimientos de
interoperatividad, por lo que para su desarrollo ha sido necesaria la participación de los
principales fabricantes de los sectores de las telecomunicaciones y la informática. Así se
dio lugar a la creación del SIG (Special Interest Group), es un grupo de compañías que
trabajan juntas para desarrollar, promover, definir y publicar las especificaciones de esta
tecnología inalámbrica, así como gestionar los programas de calidad para que los
usuarios disfruten de sus prestaciones. Al ser partícipes del SIG, las compañías pueden
dotar de Bluetooth a sus productos con la garantía que ofrece el pertenecer al grupo y
conocer las especificaciones técnicas de la tecnología, mientras que las compañías
externas no pueden aplicar la tecnología al no tener su patente.
Descripción General de Funcionamiento
La tecnología inalámbrica Bluetooth® ofrece un sistema de comunicación de corto
alcance concebido para proporcionar conectividad de voz y datos entre dispositivos de
información. Permite la conexión de redes punto a punto y punto a multipunto sin
necesidad de implementar una infraestructura inalámbrica propiamente dicha. El
alcance que logran tener estos dispositivos es de 10 metros para ahorrar energia ya que
en general estos son alimentados a baterías. Dos o más dispositivos que comparten el
mismo canal inalámbrico forman una red ad-hoc o piconet. En la piconet pueden operar
activamente un dispositivo principal o maestro y hasta siete secundarios o esclavos. A
medida que la tecnología inalámbrica Bluetooth ha ido integrándose en diversos
productos de consumo, también han ido apareciendo aplicaciones que requieren una
mayor velocidad de transmisión de datos, como la emisión continua (streaming) de
audio con calidad de CD y la transferencia e impresión de imágenes digitales.
Asimismo, los usuarios de sistemas con conectividad inalámbrica de corto alcance están
comenzando a exigir la posibilidad de ejecutar no una, sino múltiples aplicaciones de
manera simultánea en la misma piconet. Con el fin de satisfacer dichas demandas, la
tecnología inalámbrica Bluetooth ha seguido evolucionando, proporcionando recientes
avances en materia de velocidad de transmisión de datos y prolongación de la vida útil
de las baterías, gracias a la introducción de la tecnología Enhanced Data Rate
(transmisión mejorada de datos), mayormente conocida como EDR. El sistema
Bluetooth EDR es un complemento a la capa física de la especificación básica que
permite una velocidad efectiva de transmisión de datos entre dos y tres veces superior a
la conseguida con versiones anteriores, al tiempo que mantiene su compatibilidad con
las mismas. Gracias a este aumento de velocidad proporcionado por la tecnología EDR,
los radios funcionan con un ciclo de trabajo reducido, dando lugar a un menor consumo
energético y a una mayor vida útil de las baterías del dispositivo inalámbrico. La
tecnología EDR permite asimismo que múltiples aplicaciones puedan aprovechar de una
manera más efectiva el ancho de banda disponible, obteniendo así un mayor
rendimiento general.
Evolución de la tecnología Bluetooth
Los sistemas Bluetooth, definidos originalmente en la versión 1.0 (v1.0) de la
especificación básica, funcionan en banda ISM (Industrial-Científica-Médica) sin
licencia a 2,4 GHz. La transmisión de RF de bajo consumo proporciona comunicación
entre dispositivos a distancias de entre 10 a 100 m. El sistema emplea un método de
espectro esparcido por saltos de frecuencia (FHSS) para acceso múltiple con mitigación
de interferencias. La especificación básica fue modificada en la versión 1.2 (v1.2) con la
introducción de la tecnología de saltos de frecuencia adaptables (AFH). Una de las
razones del cambio fue la presencia de problemas de coexistencia entre los sistemas
Bluetooth y Wi-Fi. Gracias a la tecnología AFH, el sistema Bluetooth es capaz de medir
la interferencia y evitar aquellos canales de frecuencia que pudieran afectar el
rendimiento óptimo del sistema. De ser necesario, el sistema puede ajustar su número de
canales utilizables de 79 hasta 20. Otro avance importante implementado en la v1.2
permite conseguir tiempos de conexión más rápidos. Las mejoras incorporadas en las
funciones de consulta y paginación proporcionaron tiempos de conexión por debajo de
0,5 segundos, frente a los 4 ó 5 segundos obtenidos en dispositivos compatibles con la
v1.0. Además, se han conseguido otras mejoras en la calidad del enlace utilizando
retransmisión de datos cuando se producen errores y gracias a una mejora en el control
de flujos mediante la introducción de nuevos tipos de paquetes, se ha conseguido
mejorar la funcionalidad de los dispositivos v1.2 al tiempo que se ha mantenido la
compatibilidad con las especificaciones de la v1.0. También ofrece una calidad de voz
con menor ruido ambiental.
La especificación básica del sistema luego fue actualizada mediante la introducción de
tecnologías EDR en su versión 2.0 (v2.0) que permiten incluir sistemas de mayor
velocidad de transmisión de datos. Esta última especificación posee todas las
características funcionales de la v1.2, además de incorporar dos nuevos sistemas de
modulación implementados en la sección de carga útil del paquete. Estos tipos de
paquetes EDR proporcionan velocidades máximas de transmisión de datos de 2 y 3
Mbps. El incremento en la velocidad máxima de transmisión por encima del valor
básico de 1 Mbps se consigue al modular la portadora de RF mediante modulación
diferencial por desplazamiento de fase (DPSK), lo que permite aumentar de dos a tres
veces el número de bits por símbolo transmitido. Para mantener la compatibilidad con la
v1.2 y proporcionar operación simultánea de radios v1.2 y v2.0 en la misma piconet,
todos los dispositivos emplean el mismo código de acceso, cabecera y sistema de saltos
de frecuencia.
Por ultimo la versión 2.1 (v2.1) simplifica los pasos para crear la conexión entre
dispositivos y además reduce el consumo de potencia 5 veces.
Descripción General de Funcionamiento
La tecnología inalámbrica Bluetooth® ofrece un sistema de comunicación de
corto alcance concebido para proporcionar conectividad de voz y datos entre
dispositivos de información. Permite la conexión de redes punto a punto y punto a
multipunto sin necesidad de implementar una infraestructura inalámbrica propiamente
dicha. Dos o más dispositivos que comparten el mismo canal inalámbrico forman una
red ad-hoc o picored (piconet). En la picored pueden operar activamente un dispositivo
principal o maestro y hasta siete secundarios o esclavos. A medida que la tecnología
inalámbrica Bluetooth ha ido integrándose en diversos productos de consumo, también
han ido apareciendo aplicaciones que requieren una mayor velocidad de transmisión de
datos, como la emisión continua (streaming) de audio con calidad de CD y la
transferencia e impresión de imágenes digitales. Asimismo, los usuarios de sistemas con
conectividad inalámbrica de corto alcance están comenzando a exigir la posibilidad de
ejecutar no una, sino múltiples aplicaciones de manera simultánea en la misma picored.
Con el fin de satisfacer dichas demandas, la tecnología inalámbrica Bluetooth ha
seguido evolucionando, proporcionando recientes avances en materia de velocidad de
transmisión de datos y prolongación de la vida útil de las baterías, gracias a la
introducción de la tecnología Enhanced Data Rate (transmisión mejorada de datos),
mayormente conocida como EDR. El sistema Bluetooth EDR es un complemento a la
capa física de la especificación básica que permite una velocidad efectiva de
transmisión de datos entre dos y tres veces superior a la conseguida con versiones
anteriores, al tiempo que mantiene su compatibilidad con las mismas. Gracias a este
aumento de velocidad proporcionado por la tecnología EDR, los radios funcionan con
un ciclo de trabajo reducido, dando lugar a un menor consumo energético y a una mayor
vida útil de las baterías del dispositivo inalámbrico. La tecnología EDR permite
asimismo que múltiples aplicaciones puedan aprovechar de una manera más efectiva el
ancho de banda disponible, obteniendo así un mayor rendimiento general.
Evolución de la tecnología Bluetooth
Los sistemas Bluetooth, definidos originalmente en la versión 1.0 (v1.0) de la
especificación básica, funcionan en banda ISM (Industrial-Científica-Médica) sin
licencia a 2,4 GHz. La transmisión de RF de bajo consumo proporciona comunicación
entre dispositivos a distancias de entre 10 a 100 m. El sistema emplea un método de
espectro ensanchado por saltos de frecuencia (FHSS) para acceso múltiple con
mitigación de interferencias. La velocidad de salto nominal es de 1.600 saltos por
segundo a través de 79 frecuencias de canal en la banda ISM. La especificación básica
fue modificada en la versión 1.2 (v1.2) con la introducción de la tecnología de saltos de
frecuencia adaptables (AFH). Una de las razones del cambio fue la presencia de
problemas de coexistencia entre los sistemas Bluetooth y 802.11b/g WLAN. Gracias a
la tecnología AFH, el sistema Bluetooth es capaz de medir la interferencia y evitar
aquellos canales de frecuencia que pudieran afectar el rendimiento óptimo del sistema.
De ser necesario, el sistema puede ajustar su número de canales utilizables de 79 hasta
20 [3]. Otro avance importante implementado en la v1.2 permite conseguir tiempos de
conexión más rápidos. Las mejoras incorporadas en las funciones de consulta y
paginación proporcionaron tiempos de conexión por debajo de 0,5 segundos, frente a
los 4 ó 5 segundos obtenidos en dispositivos compatibles con la v1.0. Además, se han
conseguido otras mejoras en la calidad del enlace; utilizando retransmisión de datos
cuando se producen errores y gracias a una mejora en el control de flujos mediante la
introducción de nuevos tipos de paquetes, se ha conseguido mejorar la funcionalidad de
los dispositivos v1.2 al tiempo que se ha mantenido la compatibilidad con las
especificaciones de la v1.0. La especificación básica del sistema ha sido actualizada
recientemente mediante la introducción de tecnologías EDR en su versión 2.0
(v2.0+EDR) que permiten incluir sistemas de mayor velocidad de transmisión de datos
[2]. Esta última especificación posee todas las características funcionales de la v1.2,
además de incorporar dos nuevos sistemas de modulación implementados en la sección
de carga útil del paquete. Estos tipos de paquetes EDR proporcionan velocidades
máximas de transmisión de datos de 2 y 3 Mbps. El incremento en la velocidad máxima
de transmisión por encima del valor básico de 1 Mbps se consigue al modular la
portadora de RF mediante modulación diferencial por desplazamiento de fase (DPSK),
lo que permite aumentar de dos a tres veces el número de bits por símbolo transmitido.
Para mantener la compatibilidad con la v1.2 y proporcionar operación simultánea de
radios v1.2 y v2.0+EDR en la misma picored, todos los dispositivos emplean los
mismos código de acceso, cabecera y sistema de saltos de frecuencia.
Arquitectura General de un dispositivo Bluetooth
En este diagrama podemos observar las distintas capas especificadas por el
protocolo Bluetooth. Los niveles inferiores constituyen el controlador Bluetooth, que
contiene los bloques fundamentales de la tecnología, sobre los cuales se apoyan los
niveles superiores y los protocolos de aplicación. Este componente está estandarizado y
puede interactuar con otros sistemas Bluetooth de más alto nivel, aunque la separación
entre ambas entidades no es obligatoria.
El nivel de radiofrecuencia (RF) está formado por el transceptor físico y sus
componentes asociados. Utiliza la banda ISM de uso no regulado a 2,4 GHz, lo que
facilita la consecución de calidad en la señal y la compatibilidad entre transceptores.
Por encima suyo se encuentra el nivel de banda base (baseband, BB), que
controla las operaciones sobre bits y paquetes, realiza detección y corrección de errores,
broadcast automático y cifrado como sus labores principales. También emite
confirmaciones y peticiones de repetición de las transmisiones recibidas.
El tercer y último nivel de base es el nivel de gestión de enlace (link manager,
LM), responsable del establecimiento y finalización de conexiones, así como de su
autentificación en caso necesario. También realiza el control del tráfico y la
planificación, junto con la gestión de consumo y supervisión del enlace.
Centraremos nuestro análisis en las dos capas inferiores.
Estructura de paquetes y formato de modulación
El sistema Bluetooth utiliza un sistema de duplexión por división en el tiempo
(TDD) en el que el canal físico se subdivide en slots (intervalos) de tiempo. La duración
del slot de tiempo depende de la velocidad de saltos de frecuencia, lo que da lugar a una
duración nominal de 625 μ seg. Los datos se transmiten entre el sistema principal y los
secundarios en paquetes contenidos en los slots de tiempo. Todos los paquetes incluyen
un código de acceso, una cabecera y una carga útil. El código de acceso se emplea para
sincronización, compensación de DC offset e identificación de los paquetes en el canal
físico. Los códigos de acceso se emplean también en funciones de paginación, consulta
y aparcamiento de dispositivos en sistemas Bluetooth. La cabecera contiene
información de control de enlace que incluye el tipo de paquete. La carga útil contiene
voz y datos y puede también incluir información de control y corrección de errores,
dependiendo del tipo de paquete transmitido. Para mantener la compatibilidad con
versiones anteriores de la especificación básica, se modula la información de código de
acceso y cabecera en la portadora de RF utilizando una un esquema de modulación FSK
Gaussiano (GFSK) Este sistema de modulación proporciona una velocidad máxima de
transmisión de datos de 1 Mbps mediante la modulación de un bit por símbolo, lo que
produce una velocidad de símbolo de 1 Ms/seg. Los datos de la carga útil modulan a la
portadora de RF empleando un desplazamiento o desviación en la frecuencia de la
portadora de un mínimo de 115 kHz. El 1 binario se representa mediante una desviación
de frecuencia positiva, y el 0 binario, mediante una desviación de frecuencia negativa.
El formato de modulación de la parte de la carga útil del paquete de velocidad de
transmisión general también es GFSK. El paquete de velocidad de transmisión general
se denomina ahora paquete de velocidad de transmisión básica en v2.0+EDR, para así
diferenciar el sistema GFSK de 1 Mbps de los dos formatos de paquete EDR de mayor
velocidad. La señal modulada mediante GFSK utiliza una conformación de pulsos
gaussiana para proporcionar eficiencia espectral que resulta de mantener un ancho de
banda a -20 dB de 1 MHz. En los sistemas EDR de mayor velocidad de transmisión de
datos que se especifican en la v2.0+EDR, los datos de la carga útil modulan a la
portadora de RF empleando uno de los dos sistemas posibles de modulación DPSK. El
paquete EDR para transmisión a 2 Mbps, esencial para un dispositivo EDR, utiliza una
carga útil modulada mediante desplazamiento de fase en cuadratura diferencial
codificada Π/4 (Π/4- DQPSK). Los paquetes EDR de 3 Mbps opcionales utilizan
modulación por desplazamiento de fase diferencial (8DPSK).
Como ejemplo de los dos formatos de modulación en un paquete EDR, la Figura
1 muestra una medida de la amplitud en relación al tiempo para una forma de onda EDR
empleando modulación GFSK en el código de acceso y la cabecera, así como una
modulación 8DPSK en la carga útil. Para esta forma de onda, la longitud del paquete es
de aproximadamente 450 μs, un valor que se encuentra dentro del slot de tiempo de 625
μseg. especificado. La eficiencia espectral en un paquete EDR se consigue aplicando
una conformación de pulsos en base a la raíz cuadrada del coseno levantado sobre la
parte con modulación DPSK. Esta técnica de conformación de pulsos produce un ancho
de banda a -20 dB de 1,5 MHz que es mayor que el ancho de banda que se obtiene con
el formato de modulación GFSK. La FCC (Comisión de Comunicaciones Federales) ha
aceptado el uso de radios Bluetooth EDR en la banda ISM de 2,4 GHz relajando el
requisito de -20 dB de ancho de banda ocupado desde 1,0 MHz a 1,5 MHz.
Debido al cambio de modulación en el paquete EDR, se necesita más
información de temporización y control para poder sincronizarse con el nuevo formato
de modulación. Después de la cabecera de un paquete EDR hay un breve periodo que
permite al dispositivo Bluetooth prepararse para el cambio de modulación a DPSK. Este
breve periodo, o tiempo de guarda, está definido entre 4,75 μseg. y 5,25 μseg. El tiempo
de guarda va seguido de una secuencia de sincronización que contiene un símbolo de
referencia y diez símbolos DPSK. Esta secuencia es necesaria para sincronizar la
temporización y fase de símbolo para uno de los dos tipos de modulación empleados en
un paquete EDR. La Figura 2 muestra una medida de amplitud frente al tiempo para un
paquete EDR en el intervalo que transcurre para que la modulación cambie de GFSK a
8DPSK. Esta figura muestra el tiempo de guarda de 5 μseg. y los once bits de
sincronización al comienzo de la carga útil EDR. La señal con modulación de fase
codificada diferencialmente que se utiliza en el sistema EDR ofrece la ventaja de poder
demodularse sin necesidad de calcular la fase de portadora. En este caso, la señal
recibida en cualquier tiempo de símbolo dado se compara con la fase del símbolo
precedente.
Como se ha indicado anteriormente, el formato de modulación codificada
diferencialmente definido para la transmisión a 2 Mbps es Π/4-DQPSK. La constelación
Π/4-DQPSK puede considerarse como la superposición de dos constelaciones QPSK
desplazadas 45 grados entre sí. Para cada tiempo de símbolo, las fases de símbolo se
seleccionan alternativamente de una constelación QPSK a la otra. De este modo, los
símbolos sucesivos tienen una diferencia de fase relativa que coincide con uno de los
cuatro ángulos ±π/4 y ±3π/4. Las transiciones de símbolo de una constelación a la otra
garantizan que siempre haya un cambio de fase entre símbolos, lo que facilita la
recuperación de reloj. La Figura 3 muestra la constelación Π/4-DQPSK para la parte
EDR de un paquete. Esta figura muestra una medida obtenida de muchos símbolos que
acaban formando los ocho puntos de constelación deseados. Cabe destacar que durante
un tiempo de símbolo específico, sólo hay disponibles cuatro puntos de constelación o
transiciones, lo que produce la transmisión de dos bits por símbolo. Esta figura muestra
la combinación de dos constelaciones QPSK distintas desplazadas 45 grados e
identificadas A, B, C y D para una constelación y 1, 2, 3 y 4 para la otra.
El segundo formato de modulación EDR definido para la transmisión de 3 Mbps
es 8DPSK. El incremento adicional en la velocidad de transmisión de datos se consigue
añadiendo otros cuatro puntos de constelación para cada símbolo. El total de ocho
puntos de constelación permite una transmisión de tres bits por símbolo, lo que supone
multiplicar por tres la velocidad de transmisión de datos si se compara con el sistema de
modulación GFSK. Este tipo de modulación ofrece muchas de las ventajas del Π/4DQPSK, incluido el uso de sistemas de demodulación no coherentes. La demodulación
de un 8DPSK se produce examinando la diferencia de fase relativa entre símbolos
sucesivos, lo que produce ángulos de fase de 0, ±π/4, ± π/2, ±3π/4 y π. Puesto que los
ocho puntos de constelación o transiciones están disponibles entre los símbolos, es
posible transmitir tres bits de datos por símbolo. El incremento en la velocidad de
transmisión de datos no se produce sin ningún tipo de sacrificio, ya que una señal con
modulación 8DPSK es más sensible al ruido. Esto se debe a que existe una menor
separación entre los puntos de la constelación si se compara con las señales de Π/4DQPSK.
Comparación del BER entre distintos tipos de modulación
Clases de dispositivo
La clasificación de los dispositivos Bluetooth como "Clase 1", "Clase 2" o "Clase 3" es
únicamente una referencia de la potencia de transmisión del dispositivo, siendo
totalmente compatibles los dispositivos de una clase con los de la otra.
Los dispositivos de Clase 1 se definen como con un alcance de 100 metros, mientras
que los de Clase 2 llega a los 20/30 metros, y los de Clase 3 a un metro
aproximadamente. Si un dispositivo de clase 1 desea conectarse con uno de clase 2,
deberán colocarse la distancia del alcance del de clase 2, ya que por más que el otro sea
clase 1, debe ponerse a la distancia donde llega el de clase 2.
Clase
Potencia máxima permitida Potencia máxima permitida
Rango
(mW)
(dBm)
(aproximado)
Clase 1 100 mW
20 dBm
~100 metros
Clase 2 2.5 mW
4 dBm
~20 metros
Clase 3 1 mW
0 dBm
~1 metro
Cabe aquí aclarar que las distancias que indican las especificaciones son medidas
tomando punto a punto dos dispositivos de la misma clase, instalados a campo abierto,
sin ninguna interferencia. La realidad es que en instalaciones normales en interiores de
edificios, la distancia oscila entre 5 y 25 metros, según las condiciones ambientales.
Además, existen ciertos dispositivos en los que la señal se amplifica hasta un nivel en
teoría por encima del máximo permitido por la tecnología. Así, es fácil encontrar a la
venta adaptadores USB Bluetooth con un alcance de 150 metros, que son considerados
de Clase 1.
A continuación se presenta un integrado de Bluetooth. Este integrado lo proporciona
Nacional Semiconductors
Bluetooth Chip
Arquitecturas
Los dispositivos Bluetooth se relacionan formando Piconets y Scatternets.
Las piconets son la topología de red utilizada por Bluetooth. Todo enlace
Bluetooth existe en una de estas redes, que unen dos o más dispositivos Bluetooth por
medio de un canal físico compartido con un reloj y una secuencia de saltos única.
Distintos canales (combinaciones de un maestro y su reloj y secuencia) pueden
coexistir. Si bien un maestro puede serlo de una única piconet, un dispositivo cualquiera
puede pertenecer a varias piconets al mismo tiempo. Este solapamiento se denomina
scatternet (red dispersa), aunque no se definen capacidades de ruteo por defecto entre
ellas.
Los dispositivos que forman parte de una piconet comparten el canal físico y
disponen de un canal físico y otro lógico entre ellos. Los modos por defecto pueden
ajustarse y se pueden añadir enlaces lógicos adicionales. Un dispositivo puede pasar a
operar en modo de mantenimiento (hold mode), un estado transitorio que limita la
actividad en el enlace físico; también puede establecer un modo de rastreo (sniff) que
define periodos de presencia y ausencia en la piconet, que pueden tener efectos en la
recepción de información por broadcast no fiable. Los esclavos pueden dejarse en un
estado aparcado controlado por el maestro.
Además, dos dispositivos concretos de una piconet pueden intercambiar sus
papeles, lo que les afectará sólo a ellos, y no al resto de esclavos del maestro inicial
Espectro esparcido
La técnica del espectro esparcido surgió inicialmente como una aplicación
militar en equipos de comunicaciones, que intentaban tener un cierto rechazo a
interferencias provocadas por la acción de equipamiento del enemigo. La necesidad de
alterar de alguna forma la transmisión en una única frecuencia, que es definida y
conocida, llevo al diseño de sistemas mas elaborados, donde se produce una transmisión
cuyo contenido espectral se encuentra esparcido y es varias veces mayor que el ancho
de banda de la información en banda base original. Sin embargo la presencia de
interferencias comenzó a ser un problema habitual también en las comunicaciones
civiles, y la técnica del espectro esparcido comenzó a utilizarse también en esta clase de
equipamiento. Las características más salientes de un sistema de espectro esparcido son:
- La señal transmitida presenta un ancho de banda mucho mayor que el ancho de
banda de la información a ser transmitida (Información no modulada, o en banda base).
- El esparcido de la señal en el espectro se produce por aplicación de una señal
código, que es independiente de los datos. Esta señal código suele ser de tipo digital y
obedece a una secuencia pseudo aleatoria.
- La detección se produce por correlación sincrónica con una replica de la señal
código presente en el receptor.
Como ejemplos de esquemas de transmisión que se asemejan a los sistemas de
espectro esparcido se tiene a la modulación de FM y los esquemas de codificación por
pulsos o PCM, en los cuales se registra una mejora en la relación señal ruido por efecto
de una expansión del ancho de banda en comparación con la señal en banda base a ser
transmitida. Sin embargo no se los considera sistemas de espectro esparcido debido a
que no funcionan con una señal código de expansión en frecuencia.. La expansión de
espectro se mide utilizando el cociente entre el ancho de banda de transmisión W T y el
ancho de banda asociado a la señal a transmitir W y se denomina precisamente
coeficiente de expansión:
La expansión en frecuencia suele realizarse por medio de la señal código, y esta
señal tiene normalmente características pseudo aleatorias. El propósito del uso del
espectro esparcido fue inicialmente militar, mas precisamente orientado al llamado
rechazo “anti-jamming”, pero también tiene una aplicación relacionada que es la
transmisión de señales en bajos niveles de potencia, de forma casi imperceptible y
cercana a los niveles de potencia de ruido, ya que como se verá, la relación señal-ruido
del sistema se incrementa si el factor Le aumenta. Existen dos formas básicas de
transmisión por espectro esparcido, que son la denominada Direct Sequence (DS) y la
llamada Frequency Hopping (FH). En ambos casos se utiliza una secuencia pseudo
aleatoria que genera la expansión espectral operando sobre la modulación utilizada.
Un sistema básico de espectro esparcido es el que se ve en la figura.
Espectro esparcido, diagrama general
El sistema requiere un nivel de sincronización, alto, dado que la demodulación
necesita tener conocimiento de la secuencia pseudo aleatoria para poder operar
correctamente. En general el sincronismo se establece utilizando una secuencia fija que
permite establecer el sincronismo. Una vez sincronizado con la secuencia inicial el
sistema mantiene al generador pseudo aleatorio de recepción en sincronismo. Uno de
los objetivos de este tipo de transmisión es como se ha dicho, eliminar interferencias.
Las interferencias pueden ser de banda angosta o banda ancha. Un ejemplo
típico de interferencia de banda angosta es una señal de frecuencia de portadora fija,
mientras que una interferencia de banda ancha seria otra señal de espectro esparcido
presente en la entrada del receptor y diferente de la que es deseable recibir, es decir otro
usuario de espectro esparcido. Una clasificación adicional es la de ser continua en
tiempo o por pulsos. En el caso de una señal interferente de banda ancha, la
interferencia se puede pensar como una señal de ruido de banda ancha. Las
modulaciones asociadas más típicas a estos sistemas son PSK y FSK. PSK se prefiere
cuando se puede mantener recepción coherente en un intervalo de tiempo largo
considerado con un frame de bits que son transmitidos, mientras que FSK se emplea
cuando esta condición no puede asegurarse. Si la señal o secuencia pseudo aleatoria
modula la fase de una señal de portadora fija a una velocidad mucho mayor que la
correspondiente a la velocidad en bits del sistema, y preferentemente múltiplo de tal
velocidad, se tiene el esquema de espectro esparcido llamado Direct Sequence (DS).
Cuando una portadora altera su frecuencia obedeciendo a una secuencia previamente
establecida que corresponden a una secuencia pseudos aleatoria se tiene el esquema de
espectro esparcido llamado Frequency Hopping (FH).
Existen sin embargo combinaciones de estas técnicas y otras de menor uso.
En el caso particular de la tecnología Bluetooth utiliza FHSS. La banda de
frecuencia se divide como se dijo en 79 canales de 1 MHz de ancho de banda cada uno.
Espectro Esparcido por salto en frecuencia, FH
Una técnica muy útil para combatir el efecto de una interferencia es la aplicación del
espectro esparcido por salto en frecuencia, donde la portadora de la señal transmitida es
cambiada según una ley pseudo aleatoria sobre un ancho de banda considerable. Esta
técnica se apoya en la existencia de sintetizadores de frecuencia controlables
digitalmente, tales como los NCO (Numerical Controlled Oscillators), o los
sintetizadores por enganche de fase, PLL.
Espectro esparcido por salto en frecuencia
Las figuras muestran el funcionamiento del transmisor y receptor de una
transmisión por salto en frecuencia de espectro esparcido. En general la portadora es
modulada en MFSK, y luego mezclada con la salida de un sintetizador de frecuencias
que puede adoptar alguno de los 2k posibles valores. El sintetizador de frecuencias esta
gobernado por el generador pseudo aleatorio que tiene una salida de palabras binarias de
k bits. El receptor realiza las funciones inversas, debiendo primero multiplicar la señal
entrante por la frecuencia sintetizada dentro de la secuencia pseudo aleatoria, y luego
realiza la demodulacion de la información impresa en la portadora saltante. Si se
compara la duración en el tiempo de los datos, con la velocidad de cambio de la
portadora, se pueden tener dos tipos de esquemas de salto en frecuencia, uno
denominado de salto rápido (Fast hop), y el otro de salto lento (slow hop). En el salto
rápido se producen varios cambios de la portadora saltante durante la duración del dato
o bit. En el caso del salto lento, varios datos son transmitidos durante la aplicación de
una de las portadoras saltantes.
Ejemplo:
En el siguiente caso se tiene un sistema de espectro esparcido por salto en
frecuencia donde se produce la transmisión FSK de dos bits por cada salto de la
portadora. Se supone que el sistema de generación de la secuencia pseudo aleatoria
opera con tres bits, k = 3 , de manera que es posible realizar saltos de portadora sobre un
conjunto de 23 = 8 frecuencias. Se utiliza modulación binaria FSK sobre cada
portadora, que a su vez es cambiada pseudo aleatoriamente por el sintetizador de
frecuencias. El desvío en frecuencia fd se mantiene en su valor mínimo para FSK, es
decir, fd = rb / 2 . Si el dato transmitido es un uno, la frecuencia de portadora en el salto
correspondiente i , es igual a fci + fd , mientras que es igual a fci − fd si el dato a
transmitir es un cero. Siendo la frecuencia máxima transmitida fc7 + fd , y la mínima
transmitida fc0 − fd , el ancho de banda de transmisión ocupado es igual a Wc = 8rb .
Si se asume que Wx = rb , entonces la ganancia del proceso es igual a Lc =Wc/ Wx = 2k .
El siguiente grafico define el plano de frecuencias de salida para un determinado caso.
El mensaje a transmitir es m = (10 01 11 00 ) . La secuencia pseudo aleatoria que rige la
transmisión es PN = (100 101 010 111)
Ejemplo de planificación de frecuencias en espectro esparcido por salto en
frecuencia
A continuación se analizará brevemente las ventajas del FHSS con respecto a las
interferencias (tema conocido como JAMMING).
Hay diferentes formas de ondas que pueden interferir un sistema. La siguiente
figura muestra distintas formas de ondas versus tono MFSK con FHSS. El rango de la
abscisa representa el ancho de banda del espectro esparcido Wss. La figura A muestra
interferencia que ocupa todo el ancho de banda del espectro esparcido. En la figura B
tan solo una parte del Wss pero con mayor densidad espectral (la misma potencia que
en la figura A pero más concentrada). Esta muestra que cuando la interferencia coincide
con la señal puede ser destructiva. En la figura C es similar a la anterior pero también
posee efectos aleatorios dentro de la Wss. En las dos últimas figuras son interferencias
de tonos.
-
Relacion J/S:
En este análisis se tienen dos fuentes de interferencia. El ya conocido ruido
térmico mas la interferencia posible dado que se comparte el canal, es decir, la S/N de
interés es Eb / (Jo+No); Jo se supone :
Jo = J/Wss
J es la potencia de interferencia recibida promedio
Dado que Jo > No entonces se desprecia No. Se define entonces
æ Eb ö
ç
÷
è Jo ø req
Como la energía del bit por densidad de potencia de ruido interferente requerida
para mantener el enlace a una probabilidad de error específica.
Podemos escribir
Eb = S Tb = S/r
Donde S es la potencia de señal recibida, Tb la duración del bit, y r la velocidad
de señalización.. Luego podemos expresar:
Wss
æ S ö
æ Eb ö
ç
÷
r
r
=
ç
÷ =ç
÷
J
J
÷
è Jo ø req ç
S
è Wss ø req
( )
=
req
Gp
(J S )
req
Donde Gp se denomina ganancia del proceso
Entonces
(J S )
req
( S)
La relación J
req
=
Gp
æ Eb ö
ç
÷
è Jo ø req
es una figura de mérito de cuan invulnerable es el sistema a
interferencias. Cuánto mayor sea esta relación mayor será la capacidad de rechazo del
sistema dado que la figura de mérito describe cuánta potencia de ruido relativa a la señal
es requerida para degradar el rendimiento de error especificado
- Margen Anti-Jam
( S)
Algunas veces la relación J
req
es referida como margen anti-jam dado que
caracteriza la capacidad del sistema al rechazo de interferencias . Pero esto no es
realmente un buen uso del término dado que el margen anti-jam significa un margen
frente a una amenaza particular. Entonces definimos este margen,
æ Eb ö æ Eb ö
M AJ (dB ) = ç
÷ (dB )
÷ -ç
è Jo ø r è Jo ø req
æ Eb ö
ç
÷ es la relación señal a ruido que se está recibiendo. Realizando algunos
è Jo ø r
sencillos cálculos se llega a:
Donde
æJö
æJö
M AJ (dB ) = ç ÷ - ç ÷ (dB )
è S ø req è S ø r
- Mas consideraciones sobre JAMMING
-
Ruido interferente de banda ancha
Si la señal interferente es modelada como una AWGN con una densidad
espectral de potencia plana sobre la zona de interés, entonces para una potencia
interferente recibida, J, podemos decir que,
J
Wss
Para un demodulador BPSK no-coherente (sin codificación):
Jo =
æ 2 Eb ö
÷
Pbe = Qçç
÷
No
è
ø
Con la situación propuesta debemos modificar la ecuación mencionado:
æ
æ
2 Eb ö
2 Eb / No
÷ = Qç
Pbe = Qçç
ç
÷
J / Gp
ç 1 + Eb
è No + Jo ø
No S
è
(
( ) )
ö
÷
÷
÷
ø
Las curvas muestran, para una relación J/S dada y Gp tomado como parámetro. Se
observa que la manera de disminuir la probabilidad de error es aumenta la ganancia del
proceso Gp.
- Ruido interferente de banda acotada (Partial-band noise jamming)
Supongamos que el formato de modulación por salto de frecuencia detectado es
FSK binario no-coherente, entonces, la probabilidad binaria de error es:
Pbe =
1
æ - Eb ö
expç
÷
2
è 2 No ø
Definimos el parámetro r , donde 0 < r £ 1 , que representa la porción de la
banda que está siendo interferida.
La densidad espectral de potencia de ruido interferente puede estar concentrada a
un nivel Jo r si se interfiere una banda W = r Wss y así manteniendo un promedio
constante de la potencia interferente recibida J = JoWss
Un símbolo transimitido será recibido sin interferencias con una probabilidad de
Jo r con
probabilidad r . Así,
(1 - r ) , y será perturbado por la potencia interferente con densidad espectral
Pbe =
æ
ö
1- r
- Eb
æ - Eb ö r
÷÷
expç
÷ + expçç
2
è 2 No ø 2
è 2(No + Jo r ) ø
En un ambiente interferente Jo >> No , entonces
Pbe »
r
æ - r Eb ö
expç
÷
2
è 2 Jo ø
La siguiente figura muestra la Pbe vs Eb Jo para varios valores de r . Si
maximizamos r = r o entonces estamos maximizando la Pbe . Haciendo dPbe dr = 0
se encuentra:
2
Eb Jo
para
Eb
>2
Jo
para
Eb
£2
Jo
ro =
1
Entonces
e -1
Eb Jo
para
Eb
>2
Jo
PbeMAX =
Eb
1
æ - Eb ö
£2
expç
÷ para
Jo
2
è 2 Jo ø
Este resultado demuestra que el efecto del peor caso de interferencia de banda
acotada en un sistema con espectro esparcido pero SIN CODIFICAR cambia la
relación exponencial
r
æ - r Eb ö
Pbe » expç
÷
2
è 2 Jo ø
en la ecuación anterior de la Pbe MAX . Observando la figura podemos apreciar que para
10-6 de probabilidad de error hay unos 40db de diferencia entre el peor caso de banda
acotada y el de banda ancha ( r = 1 ). Entonces vemos que con potencia finita se puede
producir una degradación mayor con interferencia de banda acotada que con
interferencia de banda ancha. Por eso el uso de códigos FEC (Forward Error Correction)
se utilizan para disminuir este efecto.