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Unidade V – Spread Spectrum - Sistemas de Comunicações Móveis - Prof. Marcelo Otte 1
Sistemas de Comunicações Móveis
Unidade V – Spread Spectrum - Sistemas de Comunicações Móveis - Prof. Marcelo Otte
Spread Spectrum
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Espalhamento Espectral
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Motivação - o estudo de um sistema de 
comunicação digital
Formatação
Fonte
de
Informação
Ao receptor
da
Informação
Formatação
Para outros destinos
De outras fontes
Codificação
de
Fonte
Decodificação
de
Fonte
Essencial
Opcional
Criptografia
Sincronismo
Trasmissor
Receptor
Decriptografia
Codificação
de
Canal
Decodificação
de
Canal
MUX
DEMUX
Modulação
Demodulação
Spread
Spectrum
Despread
Múltiplo
Acesso
Interface
de TX
Interface
de RX
CANAL
Múltiplo
Acesso
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• É uma técnica baseada no Spread Spectrum.
• Os usuários partilham a mesma banda de frequências e transmitem ao mesmo 
tempo.
O que é o CDMA (Code Division 
Multiple Access)?
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Particionamento do Canal com CDMA
• CDMA (Múltiplo Acesso por Divisão por Código): explora esquema de 
codificação de espectro espalhado - DS (Direct Sequence) ou FH 
(Frequency Hopping)
• “código” único associado a cada canal; ié, particionamento do conjunto 
de códigos
• Mais usado em canais de radiodifusão (celular, satélite, etc)
• Todos usuários compartilham a mesma freqüência, mas cada canal tem 
sua própria seqüência de “chipping” (ié, código)
• Seqüência de chipping funciona como máscara: usado para codificar o 
sinal
• sinal codificado = (sinal original) X (seqüência de chipping)
• decodificação: produto interno do sinal codificado e a seqüência de 
chipping (observa-se que o produto interno é a soma dos produtos 
componente-por-componente)
• Para fazer CDMA funcionar, as seqüências de chipping devem ser 
mutuamente ortogonais entre si (i.é., produto interno = 0) 
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CDMA
Rake Receiver
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Comparison
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Narrow band signal 
(data) Wideband signal(transmitted SS signal)
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O que é o Spread Spectrum e o 
CDMA (Code Division Multiple
Access)? 
• Spread Spectrum ou Espalhamento Espectral
• Por que o código? Diferença em relação ao PN.
• Nasceu no mundo militar
• Proposto em 1940 para uso civil
• Só foi utilizado 40 anos depois
• é uma forma de spread spectrum
– família de técnicas de comunicação digital
– utilização de ondas portadoras similares ao ruído e com largura de banda muito 
maior do que a requerida para uma simples comunicação ponto a ponto com a 
mesma taxa de dados.
– utilizadas para aplicações militares durante anos. 
• resistir a esforços inimigos para confundir as comunicações (anti-jam) 
• esconder o fato que alguma comunicação estava sendo realizada
• baixa probabilidade de interceptação (LPI)
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Técnicas de Espalhamento de Espectro
• As técnicas de modulação com espalhamento espectral foram 
desenvolvidas originalmente em sistemas de comunicação e de RADAR 
militares, devido à sua baixa probabilidade de detecção e robustez contra 
sinais interferentes. Durante as quatro últimas décadas, com a emergência 
de novas e económicas tecnologias de muito alta integração e com um 
mercado de aplicações militares em declínio, o interesse dos fabricantes e 
investigadores pelas aplicações civis aumentou consideravelmente.
• Para que uma técnica seja considerada como técnica de espalhamento 
espectral tem de satisfazer os seguintes critérios:
• (1) A largura de banda de transmissão tem de ser muito maior do que a 
largura de banda da informação (banda básica);
• (2) A largura de banda de transmissão tem de ser determinada por uma 
função independente da informação, isto é, tem de ser independente da 
banda básica; 
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CDMA
Propriedades do CDMA:
• protege usuários de interferência (inclusive a proposital)
(usado desde a Segunda Guerra Mundial)
• protege usuários do “multipath fading” (interferência 
entre 2 trajetórias do mesmo sinal, p.ex. o direto e por 
reflexão) em rádio
• permite a “coexistência” de múltiplos usuários e suas 
transmissões simultâneas com um mínimo de 
interferência (se os códigos deles forem “ortogonais”)
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Técnicas e vantagens do Espalhamento de 
Espectro
• Para recuperar o sinal portador de informação, o receptor correlaciona o sinal recebido com uma 
réplica sincronizada da sequência codificadora. Obviamente, isso implica o conhecimento da 
sequência utilizada no transmissor.
• Devido à codificação e resultante banda alargada, os sinais com espectro espalhado possuem 
algumas propriedades que os diferenciam dos habituais sinais "de banda estreita".
• Entre estas, as mais relevantes do ponto de vista dos sistemas de comunicação são a seguir:
– Possibilidade de Acesso Múltiplo.
• Se houver múltiplos utilizadores a transmitir simultaneamente sinais com 
espectro espalhado, o receptor pode discriminar os sinais dos vários 
utilizadores desde que estes utilizem códigos únicos, com uma correlação 
cruzada suficientemente baixa. A correlação do sinal recebido com a 
sequência de código consignada a um determinado utilizador concentrará 
apenas o sinal desse utilizador, enquanto os restantes permanecerão 
espalhados numa grande largura de banda. Portanto, na largura de banda 
do sinal informativo, a potência do sinal desejado será muito maior do que a 
potência interferente, desde que não haja demasiados interferentes, e o sinal 
desejado pode ser recuperado.
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Técnicas e vantagens do Espalhamento de 
Espectro
• Proteção contra Interferência de Percurso Múltiplo (dispersão 
do atraso de propagação).
– Num canal de rádiocomunicações móveis não existe um percurso de 
propagação único entre o transmissor e o receptor. Devido a reflexão, 
refração, difração e difusão, o sinal transmitido é recebido por múltiplos 
percursos, com diferentes amplitudes e fases instantâneas. A 
sobreposição destas réplicas no receptor é construtiva em algumas 
frequências e destrutiva noutras, daí resultando a dispersão temporal do 
sinal. A modulação com espalhamento espectral pode combater esta 
interferência de percurso múltiplo, mas a forma como isso é conseguido 
depende muito da técnica de modulação utilizada. 
• Privacidade.
– Um sinal transmitido com espectro espalhado só pode ser concentrado 
e a informação recuperada se o código utilizado no transmissor for 
conhecido pelo receptor.
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Técnicas e vantagens do Espalhamento de 
Espectro
• Rejeição de Interferência.
– A correlação cruzada da sequência codificadora com um sinal de 
banda estreita espalha o espectro deste último, reduzindo dessa 
forma a potência interferente na banda básica. No receptor, o 
sinal de espectro espalhado desejado é concentrado, enquanto 
que o sinal interferente é espalhado, convertendo-se em ruído de 
fundo relativamente ao sinal desejado recuperado. 
– Esta propriedade,juntamente com a seguinte, torna os sistemas 
de espectro espalhado muito interessantes para aplicações 
militares.
• Baixa Probabilidade de Intercepção (LPI - Low 
Probability of Interception).
– Devido à sua reduzida densidade espectral de potência, um sinal 
com espectro espalhado é difícil de detectar.
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Descrição das vantagens do espalhamento
• Um sinal de faixa estreita transmitido em um canal de rádio móvel está 
sujeito a variações temporais e espaciais.
• Se sua largura de faixa não for bem mais baixa do que a largura de faixa de 
coerencia do canal --> desvainecimento seletivo --> necessidade de 
equalizadores nos receptores.
• Sinal de faixa estreita é composto pela soma vetorial de vários sinais de 
diferentes percursos sobrepostos temporalmente.
– Portadoras possuem elevada frequencia (pequenos comprimentos de onda)
– Pequenos deslocamentos espaciais ou pequenos movimentos dos objetos 
vizinhos podem levar a alteração nas fases dos sinais dos diversos percursos
• De interferência construtiva para interferência destrutiva
– Quanto maior a velocidade de movimentação do receptor maior a variação da 
envoltória do sinal recebido --> dificuldade para demodulação do sinal
• Sinal espalhado espectralmente possui largura de faixa muitas vezes maior 
do que a largura de faixa de coerência do canal --> grande possibilidade de 
sofrer desvainecimento seletivo
– Apenas uma pequena parcela do espectro é afetada
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Descrição das vantagens do espalhamento
• Se um sinal sofre espalhamento espectral e é transmitido com 
outros sinais de outros usuários por um canal dispersivo
– No receptor = sinais dos vários usuários + replicas multipercursos + 
sinal desejado e suas replicas.
• Correlacionando o sinal recebido com a sequencia PN conhecida no 
receptor separa-se o sinal desejado dos demais
– As replicas do sinal desejado com atrasos maiores que a duração de um 
bit de curta duração do PN (chip) não serão sobrepostas
• Medidas mostram que um sinal espalhado espectralmente possui 
grande correlação de amplitude em um espaço de até 5l
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Resumo Espalhamento Espectral
Espalhamento Espectral
Definição
Um sinal espalhado
espectralmente (Spread
Spectrum) é aquele que
ocupa uma largura de
faixa muito maior que
aquela necessária,
independente da largura
de faixa do sinal 
original.
Características
• Baixa densidade espectral de
potência.
• Permite a implementação de
técnicas de acesso múltiplo.
• Robusto no canal rádio móvel.
• Possibilita sigilo na
comunicação.
• Grande imunidade às
interferências.
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Resumo das principais vantagens do 
CDMA
• Transmissão mais segura devido ao tipo de codificação
• Mais robusto ao desvainecimento de sinal por
propagação em caminhos múltiplos
• Reduz a falhas de handoff/handover
• Reduz a potência transmitida
• Reduz a interferência de outros dispositivos eletrônicos
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Resumo das principais desvantagens do 
CDMA
• Mais complexo:
– Frequencias – Larguras de banda maiores
– Equipamentos com maior capacidade de processamento
• Exige um melhor controle de potência
– sofisticado mecanismo de controle de potência nos terminais e 
ERBs de um sistema CDMA. Este controle de potência leva 
também à expansão e à contração do raio de uma célula CDMA 
conforme o seu carregamento com tráfego.
•
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• Como faz o 
Espalhamento
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Detalhes da implementação de Spread 
Spectrum
• Um sinal de largura de faixa muito maior do que a taxa de transmissão de 
informação nem sempre configura um sinal espalhado espectralmente
(modulações com baixa eficiencia espectral)
• Existem duas formas de gerar um sinal espalhado espectralmente
– Espalhamento por seqüência direta
– Espalhamento por saltos de freqüência
• O Espalhamento Espectral por sequencia direta - DS-SS (Direct Sequence
Spread Spectrum)
– A seqüência de símbolos de informação bipolar (+1 e -1) é multiplicada por uma 
seqüência pseudo aleatória PN, também bipolar (+1 e -1) ou
– A seqüência de símbolos de informação unipolar (0 e 1) é somada (modulo 2) a 
uma seqüência PN também unipolar.
– Ambos os resultados modula uma portadora senoidal, normalmente em fase 
(PSK)
– A seqüência PN possui taxa muitas vezes superior a taxa de bits originais --> o 
espectro resultante tem uma largura de faixa elevada. 
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Particionamento do Canal com CDMA
• CDMA (Múltiplo Acesso por Divisão por Código): explora esquema de 
codificação de espectro espalhado - DS (Direct Sequence) ou FH 
(Frequency Hopping)
• “código” único associado a cada canal; ié, particionamento do conjunto 
de códigos
• Mais usado em canais de radiodifusão (celular, satélite, etc)
• Todos usuários compartilham a mesma freqüência, mas cada canal tem 
sua própria seqüência de “chipping” (ié, código)
• Seqüência de chipping funciona como máscara: usado para codificar o 
sinal
• sinal codificado = (sinal original) X (seqüência de chipping)
• decodificação: produto interno do sinal codificado e a seqüência de 
chipping (observa-se que o produto interno é a soma dos produtos 
componente-por-componente)
• Para fazer CDMA funcionar, as seqüências de chipping devem ser 
mutuamente ortogonais entre si (i.é., produto interno = 0) 
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FHSS
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Principais técnicas de espalhamento
• FH-SS (Frequency Hopping Spread Spectrum) -
Espalhamento espectral por saltos em frequencia
– A seqüência de símbolos de informação bipolar modula FSK, 
uma portadora que possui uma frequencia variável em função de 
uma sequencia PN.
– Se a seqüência PN possui taxas muitas vezes superior à taxa de 
bits de informação --> FH-SS rápido (Fast Frequency Hopping 
Spread Spectrum)
– Se a seqüência PN possui taxa inferior à taxa de bits de 
informação --> FH-SS lento (Slow Frequency Hopping Spread 
Spectrum)
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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 
18 
 
 
16 
 
 
14 
 
 
12 
 
 
10 
 
 
8 
 
 
6 
 
 
4 
 
 
2 
Canais RF 
Time Slots 
Colisão 
Sequencia 1 
Sequencia 2 
Técnica de Transmissão FHSS
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Principais técnicas de espalhamento
Espalhamento Espectral por Saltos em Freqüência (FH-
SS: Frequency Hopping Spread Spectrum)
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DSSS
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• Os usuários são identificados por códigos distintos e 
ortogonais entre si.
• Assim, quando o sinal for recuperado no receptor, este 
estarácorrelacionado unicamente com o código que lhe 
deu origem, permitindo a sua recuperação.
• Alguns tipos de códigos:
– Walsh.
– Gold codes.
– Pseudo-noise (PN).
O que é o CDMA (Code Division 
Multiple Access)?
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Este tipo de modulação serve de base para a técnica CDMA.
• O espectro do sinal é convolucionado por outro sinal de maior L.B.,(Código ck) que espalhará o 
código. O resultado será praticamente da largura de banda de ck.
Spread Spectrum
Espectro resultante para 
vários "chips", dos vários 
utilizadores (CDMA)
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Comparativo entre DSSS e FHSS 
DSSS FHSS 
Tempo de latência baixo Tempo de latência alto 
Ganho de processamento -> melhor SNR Sem Ganho de processamento 
Sincronização rápida do rádio Sincronização mais lenta do rádio 
Sem tempo de permanência (dwell time) Tempo de permanência nos canais: 400ms 
Vazão total maior Vazão total menor 
 
Vencedor
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Principais técnicas de espalhamento
Espalhamento Espectral por Seqüência Direta (DS- SS: 
Direct Sequence Spread Spectrum)
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 Sinal original 
Sinal direct 
sequence 
transmitido 
Amplitude 
a) Espalhamento do sinal 
Freqüência 
Amplitude 
Bit 0 Bit 1 
b) Seqüência de Barker 
Tempo 
 10110111000 01001000111 
• Na técnica de transmissão DS-SS, cada tempo de bit é dividido em n subintervalos denominados 
chips. 
• Para transmitir 1 bit, uma estação deve enviar uma seqüência de chips, isto é, representa-se cada bit 
segundo uma seqüência pseudo-randômica de símbolos binários.
• Para enviar o bit 0, utiliza-se o complemento desta seqüência. 
• O espalhamento do espectro do sinal ocorre de fato, pois, para uma transmissão de 1 Mbit/s, tem-se 
o envio de 11 Mchip/s
DSSS
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RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 34
Espalhamento Espectral por Seqüência Direta
Técnica de transmissão DSSS
 
Espectro do sinal de informação NRZ 
Espectro após espalhamento DS-SS 
1/Te -1/Te 
1/Tb -1/Tb 
Legenda: 
Tb : tempo de um bit 
Te : tempo de um chip 
1/Tb = : Taxa de bit [bit/s] 
1/Te = Taxa de espalhamento [chip/s] 
Be : Banda de espalhamento 
fb : Banda do sinal de informação 
Be 
fb 
Ganho de Processamento )/(
)/(
sbitTaxa
schTaxaG = 
 
No. de chips/bit No. Sequencias No. de Sistemas 
11 1 1 
15 2 2 
31 6 6 
 
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Processo de Espalhamento Espectral
O processo de espalhamento espectral da informação (transmissor) 
e o subseqüente processo de recuperação da informação (receptor) 
 
C 
B 
A 
Exclusiv 
OR 
Fluxo de 
informação 
Portadora Digital 
ou Sequencia PN 
Fluxo Digital 
modulado 
C = A Å B 
C 
B 
A 
Exclusiv 
OR 
Fluxo de 
informação Portadora Digital 
ou Sequencia PN 
Fluxo Digital 
modulado 
A = C Å B 
Processo de Espalhamento 
Espectral do sinal de Informação 
Processo de Recuperação do 
sinal de informação 
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As funções de Walsh têm a propriedade que cada função é exatamente ortogonal a
todas as outras.
As seqüências ortogonais de Walsh ou códigos Walsh são obtidos a partir da
matriz de Hadamard que tem sempre dimensão 2n e o seguinte formato:
÷÷
ø
ö
çç
è
æ
=
--
--
11
11
nn
nn
n HH
HH
H
Para n = 0 a matriz terá dimensão 20 = 1, ou seja, a matriz gerada é 1x1.
Desta forma H0 = 0.
Códigos Walsh
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÷÷
ø
ö
çç
è
æ
=÷÷
ø
ö
çç
è
æ
=
10
00
00
00
1 HH
HH
H
Para n = 2 temos 22 = 4, ou seja, uma matriz 4x4.
÷
÷
÷
÷
ø
ö
ç
ç
ç
ç
è
æ
=÷÷
ø
ö
çç
è
æ
=
01
11
10
00
10
00
10
00
11
11
2 HH
HH
H
E assim por diante.
Os códigos de Walsh são obtidos de quaisquer linhas ou colunas da matriz de Hadamard. Observe que
qualquer linha ou coluna da matriz é ortogonal com qualquer outra linha ou coluna. Portanto, a
correlação cruzada entre qualquer linha ou coluna é nula, qualquer que seja t diferente de zero.
Devido a esta característica, este código é utilizado no sistema CDMA.
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Orthogonal Sequences
0 0 0 0
0 1 0 1
0 1 0 1
Orthogonal functions have zero 
correlation. Two binary sequences
are orthogonal if the process of
“XORing” them results in an equal
number of 1’s and 0’s.
Example:
+
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Correlation
0 Correlation
0/4 = 0
1. Multiply: X
2. Sum the result:
3. Divide by the total number of cycles:
+1V
-1VSignal B
+1V
0 VSignal A
+1V
-1VResult
-1 +1 -1 +1 = 0
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Correlation (cont.)
Complete Correlation
4/4 = 1
+1 +1 +1 +1 = 4
+1V
-1VSignal B
0 V
+1VResult
1. Multiply: X
2. Sum the result:
3. Divide by the total number of cycles:
-1VSignal A
+1V
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Walsh Codes
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RC na faixa de ISM de 2,4 GHz 42
 
 0 1 0 1 1 0 0 1 0 
0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 
0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 
Recepção 
A 
Dados de 
Entrada 
B 
Fluxo de bits 
pseudo 
aleatório 
C = AÅB 
Sinal 
Transmitido 
C 
Fluxo 
recebido 
B 
Fluxo de bits 
pseudo 
aleatório 
CÅB = A 
Dados 
Saída 
 0 1 0 1 1 0 0 1 0 
Transmissão 
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CDMA: Codificação/Decodificação
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CDMA: interferência entre dois remetentes
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Exemplo 1:
0 0 1 11User Data
1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 = Tx Data
0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 Walsh Code
+1V
-1V
+1V
-1V
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Exemplo 2:
0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 CorrectWalsh Code
1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 Rx Data
+1V
-1V
0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1Result
0 0 1 11
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Example 3:
? ? ? ??
0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 10 1 0 1IncorrectWalsh Code
1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 Rx Data
0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 01 1 0 0Result
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Example 4:
+1V
-1V
User A’s data=00
Walsh Code for
A = 0101
Spread waveform representation of
User A’s signal
+1V
-1V
User C’s data=11
Walsh Code for
C = 0000
Spread waveform representation of
User C’s signal
+1V
-3V
Analog signal formed by 
adding
the three spread signals
Addall threesignals
+1V
-1V
User B’s data=10
Walsh Code for
B = 0011
Spread waveform representation of
User B’s signal V
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Example 5:
Average = (5-1)/4 = +1V Average = (5-1)/4 = +1V
+1V
-3V
Received Composite Signal
+1V
-1V
Walsh Code for User A = 0101
+3V
-1V
Result
X(Multiply)
Average the result(Add then divide)
+1V = logical 0 +1V = logical 0 Result is User A’s original data
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Exercise 1
+1V
-3V
Received Composite Signal
+1V
-1V
Walsh Code Y = 0110
Result
X(Multiply)
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Receptoror DS-SS 
D(t) x C(t) x Cos wt 
D(t) x Cos wt 
Informação 
D(t) 
Código PN 
Local C(t) 
Cos wt 
Correlacionador 
Modulador 
Digital 
Portadora de RF 
Modulador 
de RF 
(PSK) 
Transmissor DS-SS 
D(t) x C(t) x Cos wt 
D(t) x C(t) 
Antena 
Informação 
D(t) 
Código PN 
Local C(t) 
Bipolar 
NRZ 
Cos wt 
Portadora Digital 
Modulando
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Espalhamento espectral DS- SS - Ilustração
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Unidade V – Spread Spectrum - Sistemas de Comunicações Móveis - Prof. Marcelo Otte 53
• Problema da transmissão de rádio: desvainecimento/fading 
dependente da frequencia pode destruir sinais de banda estreita
• Solução: espalhar o sinal de banda estreita usando um código
especial
•
• Vantagens:
– coexistencia de diversos sinais sem uma coordenação dinâmica
– a prova de escuta
Detecção
no receptor
interferencia Sinal 
espalhado
sinal
Interferência
espalhada
f f
potência potência
Espalhamento do Sinal
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P
f
i)
P
f
ii)
transmissor
P
f
iii)
P
f
iv)
receptor
f
v)
Sinal do usuário
Interferencia banda larga
Interferencia banda estreita
P
Espalhamento do Sinal
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Desempenho de um sinal spread spectrum 
no canal de rádio móvel - ilustração.