El espectro extendido

La técnica de transmisión de radio tradicional utiliza en la transmisión una banda de frecuencias muy estrecha con el fin de obtener la mejor recepción. Reducir el ancho de banda de la señal transmitida, utilizando una relación señal-ruido (SNR) alta le permite al receptor sintonizar fácilmente la señal.

Esta técnica de transmisión presenta varios inconvenientes. De un lado, es sensible a la interferencia, accidental o intencional, por cualquier otra señal que se transmita a la misma frecuencia, o muy cerca de ésta.  De otro, la señal se puede captar por cualquier receptor que esté sintonizado a la misma frecuencia, por lo que es vulnerable a la intercepción, de tal manera que no es una técnica apropiada para transmitir información privada. Además, las señales con ancho de banda reducida se deben transmitir con potencia suficiente para evitar que se distorsionen con el ruido térmico y así facilitar al receptor la recuperación de la señal transmitida.

Desde los años 90 surgió en el mercado de las telecomunicaciones una nueva tecnología, conocida como “espectro extendido” o Spread Spectrum, que no presenta los inconvenientes arriba citados: es muy difícil de interceptar o bloquear, no se interfiere fácilmente y transmite a baja potencia. En la medida en que el espectro de radio está más congestionado, hay mayor interés por esta técnica de modulación porque permite que varios usuarios compartan las frecuencias. La técnica no es nueva, pues fue desarrollada y patentada hace más de 60 años, durante la Segunda Guerra Mundial y los militares la están utilizando hace 30 años. Para aplicarla comercialmente se requirió el desarrollo de tecnología digital muy compleja que no estaba disponible antes.

El espectro extendido usa un método radicalmente distinto al tradicional para efectuar las transmisiones. En vez de usar una banda de frecuencias angosta en la señal con potencia alta para diferenciarla del ruido de fondo, se amplia significativamente el ancho de banda de la señal transmitida y se transmite a baja potencia, al nivel del ruido térmico. De esta manera se mantiene la tasa máxima de transferencia de datos, como se explica a continuación.

El teorema de Shannon (ver nota 7) relaciona la tasa máxima de transferencia de datos del canal C, en bps; el ancho de banda A, en Hz y la relación señal-ruido SNR, sin unidades [1]. Utilizando la fórmula, 

C = A log₂ (1+SNR)

se puede construir la tabla siguiente, manteniendo el ancho de banda constante y variando SNR.

 Fig. 1.23 – Efecto de la SNR sobre la capacidad de transferencia de datos C

Observamos que se puede aumentar el ancho de banda A y reducir la potencia de la señal, es decir SNR, para obtener la misma tasa máxima de transferencia de datos C, como se muestra en la Fig. 1.23. Éste es el concepto del espectro extendido representado en la Fig. 1.24.

Resumiendo, las comunicaciones que utilizan espectro extendido o Spread Spectrum se distinguen de las inalámbricas convencionales por varios aspectos:

§      La señal transmitida ocupa un ancho de banda mucho mayor que el requerido por la información que se va a transmitir. Permite la utilización concurrente de la banda para transmisiones de varios usuarios y evita la interferencia y bloqueo de la señal.

§      La potencia de la señal es muy baja, al nivel del ruido térmico. Para un receptor de radio convencional las señales se confunden con el ruido de fondo.

Fig. 1.24 – Concepto del espectro extendido

 Esta característica junto con la utilización de un código para codificar y decodificar las señales, que actúa como una llave de seguridad privada, hace que el nivel de privacidad de las comunicaciones con espectro extendido sea muy alto, que no es el caso con las transmisiones inalámbricas convencionales.

Código PN

El espectro extendido es una técnica de modulación digital con seguridad incluida. Todos los sistemas de espectro extendido utilizan un código seudo-aleatorio [2] denominado código PN (Pseudorandom Noise code) con el que se codifica y decodifica la señal y sirve para determinar el espectro de frecuencia que ocupará la señal transmitida. El código PN determina y controla la forma como se utiliza el espectro en la transmisión.

Métodos para expandir el espectro

Los sistemas de espectro extendido (SS) utilizan  diversas técnicas para expandir el espectro:

§      Saltos de frecuencia o Frequency Hopping (FH)

§      Secuencia directa o Direct Sequence (DS)

§      Saltos de tiempo o Time Hopping (TH)

§      Multi-Carrier CDMA (MC-CDMA)

§      Combinaciones de las anteriores

Las más comunes son los saltos de frecuencia (FH) y la secuencia directa (DS) que se describen a continuación.

Jorge Villalobos A.,
Director Centro de Estudios de Telemática
Escuela Colombiana de Ingeniería

 

Información adicional: La Escuela Colombiana de Ingeniería ofrecerá el curso a distancia sobre Sistemas de telefonía móvil del 14 de mayo al 8 de junio de 2007. CITEL/OEA ofrece 15 becas del total de la matrícula de US$ 200. Estas becas están sujetas a la disponibilidad del presupuesto regular de la OEA para el 2007. El dictado  estará a cargo  de Jorge Villalobos  de  la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito que es  Centro Regional de Capacitación de la CITEL y Nodo de la Red de Excelencia de la UIT.  Este es parte del material cubierto en el curso.