G.P.S.: GLOBAL POSITIONING SYSTEM

La técnica de espectro ensanchado

La técnica de espectro ensanchado (spread-spectrum) consiste en la transformación reversible de una señal de forma que su energía se disperse entre una banda de frecuencias mayor que la que ocupaba originalmente. Esta técnica de transmisión se caracteriza por:

El ancho de banda utilizado en la transmisión es mucho mayor que el necesario para una transmisión convencional. Si R es la velocidad de transmisión (una modulación convencional tendría un ancho de banda de aproximadamente R Hz) y W es el ancho de banda empleado por la señal de espectro ensanchado, se cumple que W/R>>1.
El ensanchamiento de la banda se realiza a partir de una señal pseudoaleatoria, que se caracteriza por tener una apariencia de ruido (también se le llama pseudoruido). La señal transmitida tendrá características pseudoaleatorias, y sólo se podrá demodular si se es capaz de generar la misma señal de pseudoruido utilizada por el transmisor, que en el caso del G.P.S. está situado en el satélite.

La señal producida por el ensanchamiento del espectro tiene una serie de características especiales e interesantes:

La transmisión de señales con espectro ensanchado es mucho más resistente a las interferencias de banda estrecha que otros tipos de transmisión.
La señal es difícilmente detectable, ya que su nivel de potencia queda muy reducido por su dispersión espectral. Sólo después de la transformación de desensanchado, ésta recupera la relación señal a ruido suficiente para su demodulación.
En el caso de que se detecte la señal, la transmisión es ininteligible para el que no conozca la señal pseudoaleatoria utilizada para el ensanchado del espectro. Esto es lo que le sucede a un usuario no autorizado con el código P.
La transmisión es resistente a las interferencias por multicamino (multipath), porque aunque se trate de una interferencia de la señal sobre sí misma, tiene consecuencias parecidas a cualquier otra interferencia de banda estrecha.
Es posible la transmisión simultánea de varias señales de espectro ensanchado por el mismo medio, ya que siempre que se cumplan ciertas condiciones, como es que las señales pseudoaleatorias generadas sean aproximadamente incorreladas unas respecto de otras, la transmisión es resistente a las interferencias de unos canales sobre otros. Esto es posible gracias a que los códigos pseudoaleatorios empleados en G.P.S. son ortogonales entre sí. Esto da lugar a una técnica de acceso múltiple al medio conocida como CDMA (acceso múltiple por división de códigos).

Existen dos técnicas principales de espectro ensanchado: espectro ensanchado por secuencia directa (direct sequence), que es la que emplea el sistema G.P.S., y espectro ensanchado por saltos de frecuencia (frecuency hopping).

Funcionamiento

Un sistema de espectro ensanchado realiza las siguientes acciones para la transmisión:

En el transmisor se modula una señal portadora con la señal en banda base de la forma convencional.
Al mismo tiempo se genera una señal de pseudoruido a partir de una secuencia pseudoaleatoria de pulsos binarios, que parecerá aleatoria si no se conoce cómo ha sido generada, pero que en caso contrario puede ser reproducida exactamente. Esta señal tiene un ancho de banda mucho mayor que la señal modulada en paso-banda, y es la que es llamada señal ensanchadora, ya que es la que se utiliza para ensanchar el espectro de la señal transmitida.
La señal paso-banda que resulta de la primera modulación es modulada una segunda vez con la señal ensanchadora. Esta segunda modulación se puede realizar de diversas formas, dependiendo del tipo de sistema.

El efecto de la segunda modulación es ensanchar el espectro de la señal paso-banda. Si se supone que la segunda modulación consiste en multiplicar la señal paso-banda por la señal ensanchadora. El resultado en el dominio de la frecuencia sería la convolución del espectro de las dos señales. El espectro de la señal ensanchadora será mucho mayor que el de la señal paso-banda, por lo que el resultado de la convolución tendrá un ancho de banda aproximadamente igual al de la señal ensanchadora. Aunque se pueden utilizar otros tipos de modulación distintos de éste, el resultado será siempre el ensanchado del espectro de la señal.

Las señales transmitidas mediante espectro ensanchado presentan una alta dispersión espectral, debida a que al ensanchar el espectro de una señal conservando su energía, se reparte esta energía entre una banda de frecuencias mayor. La densidad espectral de potencias puede llegar a ser inferior a la potencia del ruido térmico del canal, lo que va a dificultar no sólo la escucha, sino también la detección de la señal por alguien que no sea capaz de realizar el desensanchado.

Señales pseudoaleatorias

La operación de ensanchado y desensanchado del espectro de la señal se realizan operando sobre una señal de pseudoruido que se obtiene a partir de una secuencia pseudoaleatoria de bits. Estas secuencias tienen unas propiedades muy parecidas a las de una secuencia puramente aleatoria de bits, con la diferencia de que las primeras son periódicas y pueden ser reproducidas. Una secuencia pseudoaleatoria es, por lo tanto, una secuencia periódica de bits, con un período largo, dentro del cual sus propiedades son iguales a las de una secuencia aleatoria. En un periodo de la secuencia se ha de cumplir lo siguiente:

Ha de ser balanceada, es decir, la diferencia entre el número de ceros y el de unos ha de ser menor o igual que la unidad.
Las secuencias repetitivas de ceros o unos han de estar distribuidas de la siguiente forma: la mitad han de ser de longitud uno, la cuarta parte de longitud dos, la octava parte de longitud tres, y así sucesivamente.
Ha de ser incorrelada.