Sincronização


Para ambos os sistemas de espalhamento espectral ("Seqüência Direta" e "Frequency Hopping") um receptor precisa implementar uma réplica sincronizada do espalhamento ou do sinal código para demodular o sinal recebido com sucesso. O processo de sincronização é usualmente executado em dois passos: a aquisição, que consiste em iniciar o processo de alinhamento entre os dois sinais e o segundo passo, chamado rastreio (tracking), que mantém continuamente o melhor alinhamento (ajuste fino) através de um ciclo de realimentação.

Aquisição

O problema da aquisição é procurar através de uma região de tempo e freqüência incerta para sincronizar o sinal espalhado recebido com o sinal espalhado gerado localmente. Esquemas de aquisição podem ser classificados como coerentes ou não coerentes. Desde que o processo tipicamente ocorre antes da sincronização da portadora e, portanto, a fase da portadora é desconhecida neste ponto, muitos esquemas de aquisição utilizam deteção não coerente. Na determinação dos limites das incertezas em tempo e freqüência, os seguintes itens devem ser considerados:

1. A incerteza na distância entre o transmissor e o receptor se traduzem em incerteza no atraso de propagação.

2. As instabilidades relativas entre os clocks do transmissor e do receptor resultam em diferenças de fase entre os sinais espalhados que tenderão a crescer como uma função do tempo de sincronização.

3. A incerteza entre a velocidade relativa do receptor com respeito ao transmissor se traduz em incerteza no valor da freqüência Doppler do sinal de entrada.

4. As instabilidades entre as oscilações relativas entre o transmissor e o receptor resultam em diferença de freqüência entre os dois sinais.

Estrutura do Correlator

Uma capacidade comum de todos os métodos de aquisição é que o sinal recebido e o sinal localmente gerado são primeiramente correlacionados para produzir uma medida de similaridade entre os dois. Esta medida é então comparada a um nível de "threshold" para decidir se os dois sinais estão em sincronismo. Se eles estão, o ciclo de rastreio (tracking) inicia. Se não estão, o procedimento de aquisição procura modificar a fase ou freqüência no código gerado localmente como uma parte de uma busca sistemática através da região de incerteza de fase e freqüência do receptor e uma nova correlação é tentada.

Considere o sistema de aquisição de busca paralela para seqüência direta mostrado abaixo.


Esquema de aquisição paralela para um sistema de seqüência direta

O código gerado localmente g(t) está disponível com atrasos espaçados de metade do comprimento do chip (Tc/2). Se a incerteza entre o código gerado localmente e o sinal recebido é de Nc chips, 2Nc correlatores são usados. Cada correlator, simultaneamente, examina uma seqüência de chips e depois a saída de cada um deles é comparada. Então, é escolhido o código gerado localmente correspondente à maior saída. Conceitualmente, esta é a forma mais simples das técnicas de busca. Quando cresce a probabilidade de erro decresce. Assim, o é escolhido como um compromisso entre minimização da probabilidade de erro de sincronização e minimização do tempo de aquisição.

A figura abaixo ilustra um esquema simples de aquisição para um sistema de "frequency hopping".


Esquema de aquisição paralela para um sistema de salto em freqüência

É escolhida como padrão de sincronismo uma seqüência de N freqüências consecutivas. Cada um dos N filtros casados não-coerentes consiste de um misturador seguido por um filtro passa banda e de um detetor de envelope de lei quadrática. Se a seqüência de saltos em freqüência é f1, f2, ..., fN, atrasos são inseridos nos filtros casados de maneira que, quando a seqüência de salto correta aparece, o sistema produz uma saída maior indicando a detecção da sincronização da seqüência. A aquisição pode ocorrer rapidamente porque todos os códigos possíveis são examinados simultaneamente.

Se durante cada correlação chips são examinados, o máximo tempo requerido (Tacq)max, para uma procura completa é: (Tacq)max = Tc.

O tempo médio de aquisição de um sistema de busca paralela pode ser aproximado se notarmos que depois da integração sobre chips, uma decisão correta acontecerá com probabilidade PD, chamada probabilidade de detecção. Se uma saída incorreta é escolhida, chips são novamente examinados para fazer uma determinação correta da saída. Assim, na média, o tempo de aquisição é:


Desde que o número de correlatores ou filtros casados requeridos pode ser proibitivamente grande, técnicas de aquisição paralela não são usualmente empregadas. No lugar dos esquemas apresentados anteriormente um simples correlator ou filtro casado pode ser implementado de forma a realizar uma busca serial até que a sincronização seja obtida. Naturalmente, há compromissos entre os esquemas paralelo, serial e combinação de ambos que envolve complexidade de hardware versus tempo de aquisição.

Busca serial

Uma estratégia popular para a aquisição de sinais de espalhamento espectral é usar um correlator simples ou um filtro casado para buscar, serialmente, a fase correta do sinal codificado em seqüência direta ou o padrão de saltos de um sinal codificado em "frequency hopping". Uma considerável redução em complexidade, tamanho e custo pode ser obtida por uma implementação serial, que repete o procedimento de correlação para cada seqüência possível.

A figura abaixo mostra um esquema de aquisição serial para um sistema de seqüência direta.


Esquema de aquisição serial para um sistema de seqüência direta

Aqui um sinal pseudo-aleatório gerado localmente é correlacionado com o sinal pseudo-aleatório que chega. A intervalos fixos de Tc onde >> 1, o sinal de saída é comparado com um sinal ajustado previamente (threshold). Se a saída está abaixo do threshold, a fase do sinal gerado localmente é incrementada por uma fração (geralmente metade) de um chip e a correlação é examinada. Quando o nível de threshold é excedido, o código pseudo- aleatório é considerado como tendo sido adquirido, o processo de incremento de fase é interrompido e o procedimento de ratreio (tracking) será iniciado.

Num esquema similar para os sistemas de salto em freqüência (frequency hopping), mostrado na figura abaixo, o gerador pseudo-aleatório controla a freqüência de salto. A aquisição acontece quando o salto local se alinha com o sinal recebido.


Esquema de aquisição serial para um sistema de salto em freqüência

O tempo máximo requerido para uma busca serial completa em seqüência direta, assumindo que o processo de busca é incrementado com metade de um chip, é: (Tacq)max = 2NcTc. onde a região de incerteza para busca tem comprimento Nc. O tempo de aquisição médio de um sistema de seqüência direta serial pode ser mostrado, para Nc >> (1/2)chip como sendo:


onde PD é a probabilidade de detecção correta e PFA a probabilidade de falso alarme. Podemos interpretar o intervalo de tempo KTc, onde K >> 1, como o tempo necessário para verificar a detecção. Assim, na ocorrência de falso alarme, KTc segundos é o tempo total gasto. Para Nc >> (1/2)chip e K << 2Nc, a variância no tempo de aquisição é:

Rastreio (tracking)

Uma vez que a aquisição se completou, o rastreio (ou sintonia fina) começa. Ciclos de rastreio podem ser classificados como coerentes ou não coerentes. Um ciclo coerente é um em que a freqüência portadora e a fase são conhecidas exatamente de forma que o ciclo pode operar em sinal banda base. Um ciclo não coerente é tal que a fase e nem a freqüência portadora são conhecidas exatamente (devido ao efeito Doppler, por exemplo). Na maioria das vezes, desde que a freqüência da portadora e a fase são conhecidas exatamente a priori, um ciclo não coerente é usado para rastrear o código pseudo-aleatório recebido. Loops de rastreio ainda são classificados como "full-time early-late tracking loop", frequentemente chamado como delay-locked loop (DLL) , ou como "time-shared early-late tracking loop" conhecido como tau-dither loop (TDL). Um ciclo DLL não coerente para um sistema de seqüência direta usando Binary Phase Shift Keying (BPSK) é mostrado na figura abaixo.


"Delay-locked loop" para rastreio de sinais em seqüência direta

Cada um dos sinais x(t) e o código g(t) modulam a portadora usando BPSK e, como antes, sem a presença de ruído e interferência, a forma de onda do sinal recebido pode ser expressada como:

onde a constante A é um parâmetro de ganho do sistema e é um ângulo de fase randômico dentro da faixa (0,2). O código gerado localmente no ciclo de rastreio é acrescido em relação à fase do sinal g(t) que chega por um tempo onde . O ciclo proporciona ajuste fino gerando, primeiramente, duas seqüências pseudo-aleatórias e defasadas uma da outra em um chip. Os dois filtros passa-banda são projetados para deixar passar os dados e calcular o produto de g(t) e as duas seqüências. O detector de envelope elimina a informação desde que |x(t)| = 1. A saída de cada detector de envelope é dada aproximadamente por:

onde o operador E{.} significa valor esperado. Quando é positivo, sinal de realimentação instrui o VCO ("voltage-controlled oscillator") para incrementar a freqüência, forçando a diminuir. Quando é negativo, Y comanda o VCO para decrementar, o que força a aumentar. Quando se torna suficientemente pequeno, , resultando num sinal recuperado que é, então, aplicado à entrada de um demodulador convencional.

Um problema que ocorre com o DLL é que o sinal de feedback pode não conseguir um sinal zerado se os dispositivos de adianto e atraso não estiverem precisamente balanceados. Este problema é resolvido usando-se um "time-shared tracking loop" em lugar do "full-time delay-locked loop" apresentado.

Um "time-shared tracking loop" chamado de "tau-dither loop" (TDL) é mostrado abaixo. Este projeto tem a vantagem que somente um correlator é necessário para a função de rastreio e para a função de recuperação ("despreading"). Como no caso do DLL, o sinal recebido é correlacionado com uma versão atrasada e outra adiantada do sinal pseudo-aleatório gerado localmente.


"Tau-dither Tracking Loop"

Como se pode ver, o gerador pseudo-aleatório é conduzido por um sinal de clock cuja fase é adiantada e atrasada ("dithered") com uma função de chaveamento. Isto elimina a necessidade de implementar funções idênticas para os caminhos adiantado e atrasado. A performance de um esquema TDL é apenas 1.1 dB pior que do DLL em que os filtros são projetados adequadamente.