Metóda šírenie frekvenčného skokového spektra (FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum) je založené na konštantnom preskakovaní nosnej frekvencie v širokom frekvenčnom rozsahu.

Nosná frekvencia F1, ..., FN sa po určitom čase náhodne mení, tzv hraničné obdobie (čip) v súlade so zvoleným algoritmom na generovanie pseudonáhodnej sekvencie. Modulácia (FSK alebo PSK) sa aplikuje na každú frekvenciu. Prenos na jednej frekvencii sa uskutočňuje počas pevne stanoveného časového intervalu, počas ktorého sa prenáša určitá časť dát (Dát). Na začiatku každej prenosovej periódy sa na synchronizáciu prijímača s vysielačom používajú synchronizačné bity, ktoré znižujú užitočnú prenosovú rýchlosť.

V závislosti od rýchlosti zmeny nosiča sa rozlišujú 2 režimy rozprestretého spektra:

· Pomalé šírenie spektra - niekoľko bitov sa prenesie v jednej hraničnej perióde;

· Rýchle šírenie spektra - jeden bit sa prenáša cez niekoľko hraničných období, to znamená, že sa niekoľkokrát opakuje.

V prvom prípade obdobie prenosu údajov menšie obdobie prenosu čipu, v druhom - viac.

Rýchle šírenie spektra poskytuje spoľahlivejší prenos dát v prítomnosti rušenia v dôsledku viacnásobného opakovania hodnoty toho istého bitu na rôznych frekvenciách, ale je ťažšie implementovať ako pomalé šírenie spektra.

Dopredné sekvenčné rozprestreté spektrum

Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) je nasledovné.

Každý "jeden" bit v prenášaných dátach je nahradený binárnou sekvenciou z N bit tzv rozširujúca sekvencia a "nulový" bit je zakódovaný prevrátenou hodnotou rozprestieracej sekvencie. V tomto prípade sa rýchlosť prenosu zvýši o N krát sa preto spektrum signálu rozširuje aj v N raz.

Vďaka znalosti frekvenčného rozsahu prideleného pre bezdrôtový prenos (komunikačná linka) môžete vhodne zvoliť rýchlosť a hodnotu prenosu dát N aby spektrum signálu vyplnilo celý rozsah.

Hlavným cieľom kódovania DSSS, podobne ako FHSS, je zlepšiť odolnosť proti hluku.

Rýchlosť čipu Je prenosová rýchlosť výsledného kódu.

Expanzný pomer- počet bitov N v rozširujúcom sa poradí. Zvyčajne N je v rozmedzí od 10 do 100. Čím viac N, čím väčšie je spektrum prenášaného signálu.

DSSS je menej odolné voči rušeniu ako rýchlo rozšírené spektrum.

Viacnásobný prístup s delením kódu

Metódy šírenia spektra sú široko používané v celulárnych sieťach, najmä pri implementácii prístupovej metódy CDMA (Code Division Multiple Access) - viacnásobný prístup s delením kódu ... CDMA je možné použiť v spojení s FHSS, ale častejšie s DSSS v bezdrôtových sieťach.

Každý uzol v sieti používa svoju vlastnú postupnosť šírenia, ktorá je zvolená tak, aby prijímajúci uzol mohol extrahovať dáta zo sčítaného signálu.

Výhoda CDMA spočíva vo zvýšenej bezpečnosti a utajení prenosu dát: bez znalosti postupnosti šírenia nie je možné prijať signál a niekedy ani zistiť jeho prítomnosť.

WiFi technológie. Technológia WiMax. Bezdrôtové osobné siete. Technológia Bluetooth. Technológia ZigBee. Bezdrôtové senzorové siete. Porovnanie bezdrôtových technológií.

WiFi technológie

Technológia bezdrôtovej siete LAN (WLAN) je definovaná zásobníkom protokolov IEEE 802.11, ktorý popisuje fyzickú vrstvu a vrstvu dátového spojenia s dvoma podvrstvami: MAC a LLC.

Na fyzickej vrstve je definovaných niekoľko možností špecifikácií, ktoré sa líšia:

· Použitý frekvenčný rozsah;

· Metóda kódovania;

· Rýchlosť prenosu dát.

Možnosti budovania bezdrôtových sietí LAN štandardu 802.11, nazývaných WiFi.

IEEE 802.11 Možnosť 1:

· Prenosové médium – infračervené žiarenie;

· Prenos v priamej viditeľnosti;

Používajú sa 3 varianty šírenia žiarenia:

všesmerová anténa;

Odraz od stropu;

Ohniskové smerové žiarenie („bod-bod“).

IEEE 802.11 Možnosť 2:

Spôsob kódovania - FHSS: šírka až 79 frekvenčných pásiem

1 MHz, pričom dĺžka každého z nich je 400 ms (obr. 3.49);

· Pri 2 stavoch signálu je šírka pásma prenosového média 1 Mbit/s, pri 4 - 2 Mbit/s.

IEEE 802.11 Možnosť 3:

· Prenosové médium - mikrovlnný rozsah 2,4 GHz;

· Spôsob kódovania - DSSS s 11-bitovým kódom ako postupnosťou šírenia: 10110111000.

IEEE 802.11a:

1) frekvenčný rozsah - 5 GHz;

2) prenosové rýchlosti: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps;

3) metóda kódovania - OFDM.

Nevýhody:

· Príliš drahé vybavenie;

· Frekvencie v tomto rozsahu podliehajú v niektorých krajinách licencovaniu.

IEEE 802.11b:

1) frekvenčný rozsah - 2,4 GHz;

2) prenosová rýchlosť: až 11 Mbps;

3) metóda kódovania - modernizovaná DSSS.

IEEE 802.11g:

1) frekvenčný rozsah - 2,4 GHz;

2) maximálna prenosová rýchlosť: až 54 Mbps;

3) metóda kódovania - OFDM.

V septembri 2009 bol schválený štandard IEEE 802.11n. Jeho použitie zvýši rýchlosť prenosu dát takmer štvornásobne v porovnaní so zariadeniami štandardov 802.11g. Teoreticky je 802.11n schopný prenášať dátové rýchlosti až do 600 Mbps. Dosah bezdrôtových sietí IEEE 802.11 je až 100 metrov.

Technológia WiMax

Technológia bezdrôtového širokopásmového prístupu s vysokou šírkou pásma WiMax je reprezentovaná skupinou štandardov IEEE 802.16 a pôvodne bola určená na budovanie dlhých (až 50 km) bezdrôtových sietí patriacich do triedy regionálnych alebo metropolitných sietí.

Štandard IEEE 802.16 alebo IEEE 802.16-2001 (december 2001), ktorý je prvým štandardom typu point-to-multipoint, bol zameraný na prácu v spektre 10 až 66 GHz a v dôsledku toho vyžadoval, aby bol vysielač a prijímač v priamka viditeľnosti, čo je najmä v mestských podmienkach značná nevýhoda. Podľa opísaných špecifikácií by sieť 802.16 mohla obsluhovať až 60 klientov pri rýchlosti kanála T-1 (1,554 Mbps).

Neskôr sa objavili štandardy IEEE 802.16a, IEEE 802.16-2004 a IEEE 802.16e (mobilný WiMax), v ktorých bola odstránená požiadavka priamej viditeľnosti medzi vysielačom a prijímačom.

Hlavné parametre uvedených štandardov technológie WiMax.

Zvážte hlavné technologické rozdiely WiMax z WiFi.

1. Nízka pohyblivosť.Štandard bol pôvodne vyvinutý pre pevnú bezdrôtovú komunikáciu na veľké vzdialenosti a umožňoval mobilitu používateľov v rámci budovy. Iba v roku 2005 bol vyvinutý štandard IEEE 802.16e zameraný na mobilných používateľov. V súčasnosti prebieha vývoj nových špecifikácií 802.16f a 802.16h pre prístupové siete podporujúce prevádzku mobilných (mobilných) klientov rýchlosťou až 300 km/h.

2. Používanie kvalitnejších rádií a vysielačov vedie k vyšším nákladom na výstavbu siete. 3. Veľká vzdialenosť pre prenos dát je potrebné vyriešiť množstvo špecifických problémov: tvorba signálov rôznej sily, použitie viacerých modulačných schém, problémy informačnej bezpečnosti.

4. Veľký počet používateľov v jednej bunke.

5. Vyššia priepustnosť poskytnuté používateľovi.

6. Vysoká kvalita služieb pre multimediálnu prevádzku.

Pôvodne sa verilo, že IEEE 802.11 – analógový mobilný Ethernet, 802.16 - bezdrôtový pevná analógová káblová televízia... Vznik a vývoj technológie WiMax (IEEE 802.16e) na podporu mobilných používateľov však robí toto tvrdenie kontroverzným.

Rozprestreté spektrum bolo pôvodne vytvorené na spravodajské a vojenské účely. Hlavnou myšlienkou metódy je distribúcia informačného signálu v širokom pásme rádiového dosahu, čo vo výsledku výrazne skomplikuje potlačenie alebo zachytenie signálu. Prvá vyvinutá schéma rozprestretého spektra je známa ako technika frekvenčného skoku. Modernejšou schémou rozprestretého spektra je metóda priameho sekvenčného rozloženia. Obe metódy sa používajú v rôznych bezdrôtových štandardoch a produktoch.

Rozprestreté spektrum frekvenčného skoku (FHSS)

Aby sa zabránilo zachyteniu alebo potlačeniu rádiovej prevádzky úzkopásmovým šumom, bolo navrhnuté vysielať s konštantnou zmenou nosnej v širokom frekvenčnom rozsahu. Výsledkom bolo, že sila signálu bola rozložená v celom rozsahu a počúvanie určitej frekvencie vytváralo len malý šum. Poradie nosičov bolo pseudonáhodné, známe iba vysielačovi a prijímaču. Pokus o potlačenie signálu v nejakom úzkom rozsahu tiež signál príliš nedegradoval, keďže bola potlačená len malá časť informácie.

Myšlienka tejto metódy je znázornená na obr. 1.10.

Počas pevného časového intervalu sa prenos uskutočňuje na konštantnej nosnej frekvencii. Každý nosič používa štandardné modulačné techniky ako FSK alebo PSK na prenášanie diskrétnych informácií. Aby sa prijímač synchronizoval s vysielačom, v priebehu času sa odosielajú synchronizačné bity, ktoré označujú začiatok každej vysielacej periódy. Užitočná rýchlosť tejto metódy kódovania je teda nižšia z dôvodu neustálej réžie synchronizácie.

Ryža. 1.10.Šírenie frekvenčného skoku

Nosná frekvencia sa mení v súlade s číslami frekvenčných subkanálov generovaných algoritmom pseudonáhodného čísla. Pseudonáhodná postupnosť závisí od nejakého parametra, ktorý sa nazýva počiatočnéčíslo. Ak prijímač a vysielač poznajú algoritmus a hodnotu počiatočnej hodnoty, potom menia frekvencie v rovnakej sekvencii, ktorá sa nazýva pseudonáhodná sekvencia preskakovania frekvencie.

Ak je frekvencia zmeny subkanálov nižšia ako rýchlosť prenosu dát v kanáli, potom sa volá tento režim pomalé šírenie(obr. 1.11a); inak máme čo do činenia rýchlo sa šíriace spektrum(obr. 1.11b).

Rýchle rozprestreté spektrum je odolnejšie voči rušeniu, pretože úzkopásmové rušenie, ktoré potláča signál v danom subkanáli, nemá za následok stratu bitov, pretože jeho hodnota sa niekoľkokrát opakuje v rôznych frekvenčných subkanáloch. V tomto režime sa efekt medzisymbolového rušenia neprejaví, pretože kým príde signál oneskorený po jednej z ciest, systém stihne prepnúť na inú frekvenciu.

Metóda pomalého šírenia spektra túto vlastnosť nemá, ale je jednoduchšia na implementáciu a vyžaduje menšiu réžiu.

zväčšiť obrázok
Ryža. 1.11. Vzťah medzi rýchlosťou prenosu dát a rýchlosťou zmeny subkanálu

Techniky FHSS sa používajú v bezdrôtových technológiách IEEE 802.11 a Bluetooth.

Vo FHSS nie je prístup k využívaniu frekvenčného rozsahu rovnaký ako pri iných metódach kódovania – namiesto ekonomického využívania úzkej šírky pásma sa snaží obsadiť celý dostupný rozsah. Na prvý pohľad sa to nezdá byť veľmi efektívne – v danom rozsahu totiž funguje vždy len jeden kanál. Posledné tvrdenie však nie je vždy pravdivé – kódy rozprestretého spektra možno použiť na multiplexovanie viacerých kanálov v širokom rozsahu. Najmä metódy FHSS umožňujú organizovať súčasnú prevádzku niekoľkých kanálov tým, že pre každý kanál sa vyberú také pseudonáhodné sekvencie, takže v každom okamihu každý kanál pracuje na svojej vlastnej frekvencii (samozrejme, je to možné len vtedy, ak počet počet kanálov neprekročí počet frekvenčných podkanálov).

Rozprestreté spektrum priamej sekvencie (DSSS)

Priame sekvenčné šírenie tiež využíva celé frekvenčné pásmo pridelené jednému bezdrôtovému spoju. Na rozdiel od metódy FHSS je celý frekvenčný rozsah obsadený nie z dôvodu neustáleho prepínania z frekvencie na frekvenciu, ale z dôvodu, že každý bit informácie je nahradený N-bitmi, takže taktovacia frekvencia prenosu signálu sa zvyšuje o N-krát. A to zase znamená, že spektrum signálu je tiež rozšírené o faktor N. Stačí vhodne zvoliť prenosovú rýchlosť a hodnotu N, aby spektrum signálu vyplnilo celý rozsah.

Účel kódovania DSSS je rovnaký ako pri metóde FHSS - zvýšiť odolnosť voči rušeniu. Úzkopásmové rušenie skreslí iba určité frekvencie spektra signálu, takže prijímač bude s väčšou pravdepodobnosťou schopný správne rozpoznať prenášané informácie.

Zavolá sa kód, ktorý nahrádza binárnu jednotku pôvodnej informácie rozširujúca sekvencia a každý bit takejto sekvencie je čip.

Podľa toho sa nazýva prenosová rýchlosť výsledného kódu čip rýchlosť. Binárna nula je kódovaná inverznou sekvenciou šírenia. Prijímače potrebujú poznať postupnosť šírenia, ktorú vysielač používa, aby porozumeli prenášaným informáciám.

Počet bitov v postupnosti šírenia určuje faktor šírenia zdrojového kódu. Rovnako ako v prípade FHSS, na zakódovanie bitov výsledného kódu možno použiť akúkoľvek moduláciu, napríklad BFSK.

Čím väčší je faktor šírenia, tým širšie je spektrum výsledného signálu a tým vyššia je miera potlačenia rušenia. Zároveň však rastie rozsah spektra, ktorý kanál zaberá. Koeficient expanzie sa zvyčajne pohybuje od 10 do 100.

SPEKTRUM EXPANDUJÚCE SYSTÉMY

Termín rozprestreté spektrum sa používa v mnohých vojenských a komerčných komunikačných systémoch. V systémoch s rozprestretým spektrom si každý nosič správy vyžaduje oveľa širšie rádiofrekvenčné pásmo ako konvenčný modulovaný signál. Širšia šírka pásma umožňuje niektoré užitočné vlastnosti a charakteristiky, ktoré je ťažké dosiahnuť inými prostriedkami.

Rozprestreté spektrum je metóda generovania signálu s rozprestretým spektrom pomocou prídavného modulačného stupňa, ktorý nielen rozširuje spektrum signálu, ale tiež tlmí jeho účinok na iné signály. Dodatočná modulácia nemá nič spoločné s prenášanou správou.

Širokopásmové systémy sa používajú kvôli týmto potenciálnym výhodám:

Zvýšená odolnosť proti hluku;

Možnosti poskytovania kódového delenia kanálov pre viacnásobný prístup na jeho základe v systémoch využívajúcich technológiu CDMA;

Energetické tajomstvo v dôsledku nízkej úrovne spektrálnej hustoty;

Meranie vzdialenosti s vysokým rozlíšením;

Bezpečnosť komunikácie;

Schopnosť odolávať účinkom úmyselného zasahovania;

Zvýšená šírka pásma a spektrálna účinnosť v niektorých mobilných osobných komunikačných systémoch;

Postupné znižovanie kvality komunikácie s nárastom počtu používateľov súčasne obsadzujúcich rovnaký HF kanál;

nízke náklady na implementáciu;

Dostupnosť modernej základne prvkov (integrované obvody).

Obrázok 6.1 - Štruktúra systému priameho rozprestretého spektra

Systémy s rozprestretým spektrom možno rozdeliť do nasledujúcich hlavných skupín podľa použitej architektúry a typov modulácie.

Priame rozprestreté spektrum založené na pseudonáhodných sekvenciách (PRS), vrátane systémov CDMA,

preskakovanie frekvencie (preskakovanie frekvencie), vrátane systémov CDMA s pomalým a rýchlym preskakovaním frekvencie,

Carrier Sense Multiple Access (CSMA),

S reštrukturalizáciou časovej polohy signálov ("skákací" čas),

čipová modulácia,

So zmiešanými technikami rozprestretého spektra.

Priame rozprestreté spektrum pomocou pseudonáhodných sekvencií

Obrázok 6.1 ukazuje koncepčnú schému priameho systému s rozprestretým spektrom založeného na pseudonáhodných sekvenciách (a - vysielač s PSK a následné spektrum, b - vysielač s rozprestretým spektrom v základnom pásme, c - prijímač). V prvom modulátore sa kľúčovanie fázovým posunom (PSK) medzifrekvenčného signálu uskutočňuje binárnym digitálnym signálom prenášanej správy d (t) vo formáte bez návratu na nulu (NRZ) so symbolovou rýchlosťou fb = 1/T b.

V rámci jednej bunky mobilného rádiového komunikačného systému je spravidla niekoľko účastníkov, ktorí súčasne komunikujú, pričom každý z nich používa rovnakú nosnú frekvenciu frh a zaberá rovnaké frekvenčné pásmo Vrc.

Proces generovania signálov s rozprestretým spektrom v systémoch s viacnásobným prístupom prebieha v dvoch fázach: modulácia a rozprestreté spektrum (alebo sekundárna modulácia pomocou PSP). Sekundárna modulácia sa vykonáva pomocou ideálnej operácie násobenia g (t) s (t). Týmto násobením sa vytvorí amplitúdovo modulovaný dvojpásmový signál s potlačenou nosnou. Prvý a druhý modulátor je možné zameniť bez zmeny potenciálnych charakteristík systému.

Signál g(t)s(t) s rozprestretým spektrom sa konvertuje nahor na požadovanú RF frekvenciu. Hoci frekvenčná konverzia nahor a nadol je prakticky nevyhnutný proces pre väčšinu systémov, tento krok nie je kritický. Preto v nasledujúcom budeme predpokladať, že signál g(t)s(t) je vysielaný a prijímaný so strednou frekvenciou, s vylúčením subsystému konverzie vzostupnej a zostupnej frekvencie.

Vstup do prijímača je teda súčtom M nezávislých signálov rozprestretého spektra, ktoré zaberajú rovnakú šírku RF pásma.

Koncept softvérovo-frekvenčných systémov s rozprestretým spektrom je v mnohých ohľadoch podobný konceptu priamych systémov s rozprestretým spektrom. Binárny generátor PRS tu riadi frekvenčný syntetizátor, pomocou ktorého sa vykonáva prechod ("skákanie") z jednej frekvencie na druhú z množstva dostupných frekvencií. Tu je efekt rozšírenia spektra dosiahnutý vďaka pseudonáhodnému ladeniu nosnej frekvencie, ktorej hodnota je vybraná z dostupných frekvencií f1, ..., fN, kde N môže dosiahnuť hodnoty niekoľko tisíc alebo viac. . Ak rýchlosť reštrukturalizácie správ (rýchlosť zmeny frekvencií) prevyšuje rýchlosť prenosu správ, potom máme systém s rýchlou reštrukturalizáciou frekvencie. Ak je rýchlosť skokov nižšia ako rýchlosť prenosu správ, takže počas intervalu skokov sa prenesie niekoľko bitov, potom máme systém s pomalým skokom frekvencie.

Ak sa vyberie súbor nekorelovaných signálov PRS, potom sa po operácii kompresie spektra zachová iba modulovaný užitočný signál. Všetky ostatné signály, ktoré sú nekorelované, si zachovávajú svoje širokopásmové pásmo a majú spektrálnu šírku, ktorá presahuje medznú šírku pásma demodulačného filtra. Obrázok 6.2 zobrazuje zjednodušené časové a spektrálne diagramy, ktoré kvalitatívne ilustrujú proces rozširovania a stláčania spektra signálu. Chýba im najmä nosný signál.

Obrázok 6.2 - Diagramy s rozprestretým spektrom

V systémoch s rozprestretým spektrom sa prevádzková frekvencia ladením udržiava konštantná počas každého ladiaceho intervalu, ale mení sa skokovo z intervalu na interval. Prenosové frekvencie sú generované digitálnym frekvenčným syntetizátorom riadeným kódom ("slová"), ktoré prichádzajú v sériovej alebo paralelnej forme a obsahujú m binárnych symbolov (bitov). Každé m-bitové slovo alebo jeho časť zodpovedá jednému z M = 2 m frekvencie. Hoci existujú frekvencie M = 2 m, m = 2, 3 na vykonanie frekvenčného ladenia, nie všetky sa nevyhnutne používajú v konkrétnom systéme. Systémy s rozprestretým frekvenčným spektrom sa delia na pomalé, rýchle a stredne rýchle zametacie systémy.

V systémoch s pomalým skokom je rýchlosť skoku fh menšia ako rýchlosť správy fb. Počas intervalu preskakovania sa teda môžu preniesť dva alebo viac bitov správy (v niektorých systémoch viac ako 1000) predtým, ako dôjde k preskakovaniu frekvencie. V systémoch s priemernou rýchlosťou skoku sa rýchlosť skoku rovná prenosovej rýchlosti. Najrozšírenejšie sú systémy s rýchlym a pomalým ladením pracovnej frekvencie.

Na synchronizáciu prijímačov pri prijímaní signálov s rozprestretým spektrom môžu byť potrebné tri synchronizačné zariadenia:

Synchronizácia nosnej fázy (obnovenie nosnej);

Symbolická synchronizácia (obnovenie hodín);

Časová synchronizácia generátorov tvoriacich kód alebo pseudonáhodné sekvencie.

Časová synchronizácia prebieha v dvoch fázach, počas ktorých sa vykonávajú:

Vyhľadávanie (počiatočná, hrubá synchronizácia);

Sledovanie (presná synchronizácia).

Obrázok 6.3 zobrazuje blokové schémy vysielacej a prijímacej časti systému frekvenčného skoku.

Obrázok 6.3 - Systém so softvérovým ladením frekvencie

GSM štandard používa Gaussov kľúčovanie s minimálnym frekvenčným posunom (GMSK). Manipulácia sa nazýva gaussovská, pretože sekvencia informačných bitov pred modulátorom prechádza cez dolnopriepustný filter (LPF) s gaussovskou charakteristikou, čo má za následok výrazné zníženie frekvenčného pásma vysielaného rádiového signálu. Tvorba rádiového signálu GMSK sa uskutočňuje tak, že nosná fáza sa mení o 90° v intervale jedného informačného bitu. Toto je najmenšia možná fázová zmena rozpoznaná pri tomto type modulácie. Nepretržitá zmena fázy sínusového signálu vedie k frekvenčnej modulácii s diskrétnymi frekvenčnými zmenami. Použitie Gaussovho filtra vám umožňuje získať "hladké prechody" s diskrétnou zmenou frekvencie. Štandard GSM používa moduláciu GMSK s normalizovanou šírkou pásma VT = 0,3, kde V- šírka pásma filtra na úrovni -3 dB, T- trvanie 1 bitu digitálnej správy. Funkčná schéma modulátora je znázornená na obrázku 6.4.

Obrázok 6.4 - Funkčná schéma modulátora

Jadrom tvarovača signálu GMSK je kvadratúrny (1 / Q) modulátor. Obvod pozostáva z dvoch násobičov a jednej sčítačky. Cieľom tohto obvodu je poskytnúť nepretržitú presnú fázovú moduláciu. Jeden multiplikátor mení amplitúdu sínusoidy a druhý kosínusovú osciláciu. Vstupný signál pred multiplikátorom je rozdelený na dve kvadratúrne zložky. Rozklad prebieha v dvoch blokoch označených ako „sin“ a „cos“.

Diagramy znázorňujúce tvorbu signálu GMSK sú znázornené na obrázku 4.9.

Modulácia GMSK má nasledujúce vlastnosti, ktoré sú preferované pre mobilnú komunikáciu:

Konštantná úroveň obálky, ktorá umožňuje použitie efektívnych vysielacích zariadení s výkonovými zosilňovačmi v režime triedy C;

Kompaktné spektrum na výstupe výkonového zosilňovača vysielacieho zariadenia, ktoré poskytuje nízku úroveň vyžarovania mimo pásma;

Dobré charakteristiky odolnosti komunikačného kanála voči šumu.

Obrázok 6.5 - Vznik signálu GMSK

Spracovanie reči. Spracovanie hlasu v štandarde GSM sa vykonáva za účelom zabezpečenia vysokej kvality prenášaných správ a implementácie doplnkových služieb. Spracovanie reči prebieha v rámci prijatého systému diskontinuálneho prenosu reči (DTX), ktorý zabezpečuje, že sa vysielač zapne, keď používateľ začne konverzáciu, a vypne ho počas prestávok a na konci konverzácie. DTX je riadený detektorom hlasovej aktivity (VAD), ktorý detekuje a izoluje hlučnú reč a hluk bez reči, aj keď je hladina hluku porovnateľná s úrovňou reči. Systém diskontinuálneho prenosu reči obsahuje aj zariadenie na generovanie komfortného šumu, ktoré sa zapína a počúva počas prestávok reči, keď je vysielač vypnutý. Experimentálne bolo dokázané, že vypnutie hluku pozadia na výstupe prijímača počas prestávok, keď je vysielač vypnutý, obťažuje účastníka a znižuje zrozumiteľnosť reči, preto sa použitie komfortného šumu počas prestávok považuje za nevyhnutné.. Proces DTX v prijímač predpokladá interpoláciu fragmentov reči stratených v dôsledku chýb kanála.

Techniky rozprestretého spektra

Spočiatku sa pri vývoji vojenských riadiacich a komunikačných systémov používali metódy rozprestretého spektra (PC alebo SS - Spread-Spectrum). Počas 2. svetovej vojny sa v radaroch využívalo rozptýlené spektrum na boj proti úmyselnému rušeniu. V posledných rokoch sa vývoj tejto technológie vysvetľuje túžbou vytvoriť efektívne rádiové komunikačné systémy na zabezpečenie vysokej odolnosti proti šumu pri prenose úzkopásmových signálov cez hlučné kanály a komplikuje ich odpočúvanie.

Komunikačný systém je systém s rozprestretým spektrom v týchto prípadoch:

Frekvenčné pásmo používané na prenos je oveľa širšie ako minimum potrebné na prenos aktuálnych informácií. Energia informačného signálu sa v tomto prípade rozšíri po celej šírke pásma s nízkym odstupom signálu od šumu, v dôsledku čoho je signál ťažko detekovateľný, zachytiteľný alebo zabránenie jeho prenosu rušením. Hoci celkový výkon signálu môže byť veľký, pomer signálu k šumu v akomkoľvek frekvenčnom rozsahu je malý, čo sťažuje detekciu signálu s rozprestretým spektrom pri rádiovej komunikácii a v kontexte skrývania steganografických informácií je ťažké ho rozlíšiť pre ľudí. .

Šírenie sa vykonáva pomocou takzvaného rozširovacieho (alebo kódového) signálu, ktorý je nezávislý od prenášanej informácie. Prítomnosť energie signálu vo všetkých frekvenčných pásmach robí rádiový signál s rozprestretým spektrom odolným voči rušeniu a informácia vložená v kontajneri metódou rozprestretého spektra je odolná voči jeho eliminácii alebo odstráneniu z kontajnera. Kompresia a iné typy útokov na komunikačný systém môžu odstrániť energiu signálu z niektorých častí spektra, ale keďže tá bola rozložená v celom rozsahu, v iných pásmach je dostatok údajov na obnovenie informácií. Výsledkom je, že ak, samozrejme, nezverejníte kľúč, ktorý bol použitý na generovanie kódového signálu, pravdepodobnosť získania informácií neoprávnenými osobami sa výrazne zníži.

Obnova primárnej informácie (to znamená "zúženie spektra") sa uskutočňuje porovnaním prijatého signálu a synchronizovanej kópie kódového signálu.

Existujú tri hlavné spôsoby šírenia spektra v rádiovej komunikácii:

S pomocou priameho PSP (RSPP);

Používanie frekvenčného skákania;

Prostredníctvom kompresie pomocou chirp.

Pri šírení spektra priamou sekvenciou je informačný signál modulovaný funkciou, ktorá nadobúda pseudonáhodné hodnoty v rámci špecifikovaných limitov a je vynásobený časovou konštantou - frekvenciou (rýchlosťou) čipov (čipov). Tento pseudonáhodný signál obsahuje zložky na všetkých frekvenciách, ktoré pri šírení modulujú energiu signálu v širokom rozsahu.

Vo frekvenčnom skokovom spektre vysielač okamžite zmení jednu nosnú frekvenciu na druhú. V tomto prípade je tajným kľúčom pseudonáhodný zákon variácie frekvencie.

Pri cvrlikovej kompresii je signál modulovaný funkciou, ktorej frekvencia sa v čase mení.

Je zrejmé, že ktorákoľvek z týchto metód môže byť rozšírená na použitie v priestorovej doméne pri konštrukcii steganografických systémov.

Uvažujme o jednom z variantov implementácie metódy RSPP, ktorej autormi sú J. R. Smith a V. O. Comiskey. Modulačný algoritmus je nasledujúci: každý bit správy je reprezentovaný nejakou základnou funkciou, pričom rozmer sa v závislosti od bitovej hodnoty (1 alebo 0) vynásobí +1 alebo -1:

(11.7)

Modulovaná správa prijatá v tomto prípade sa pridáva pixel po pixeli s obrázkom kontajnera, ktorý sa používa ako obrázok v odtieňoch sivej. Výsledkom je stegano obrázok, s .

Rozprestreté spektrum hrá v rádiokomunikačných technológiách mimoriadne dôležitú úlohu. Táto metóda nespadá do žiadnej z kategórií definovaných v predchádzajúcej kapitole, pretože ju možno použiť na prenos digitálnych aj analógových údajov pomocou analógového signálu.

Rozprestreté spektrum bolo pôvodne vytvorené na spravodajské a vojenské účely. Hlavnou myšlienkou metódy je distribúcia informačného signálu v širokom pásme rádiového dosahu, čo vo výsledku výrazne skomplikuje potlačenie alebo zachytenie signálu. Prvá vyvinutá schéma rozprestretého spektra je známa ako technika frekvenčného skoku. Modernejšou schémou rozprestretého spektra je metóda priamej sekvencie. Obe metódy sa používajú v rôznych bezdrôtových štandardoch a produktoch.

Nižšie, po krátkom prehľade, sú uvedené techniky rozprestretého spektra podrobne diskutované. Okrem toho sa táto kapitola bude zaoberať technikou viacnásobného prístupu s rozprestretým spektrom.

Akokoľvek to môže znieť neuveriteľne, hollywoodska filmová hviezda Hedy Lamarr vynašla rozšírenie spektra frekvenčným ladením v roku 1940 vo veku 26 rokov. V roku 1942 si Lamarr patentovala svoj vynález (US patent 2 292 387 z 11. augusta 1942) s partnerom, ktorý sa na práci začal podieľať o niečo neskôr. Dievča nezískalo z patentu žiadny zisk, pretože spôsob komunikácie, ktorý objavila, považoval za príspevok k účasti Spojených štátov v druhej svetovej vojne.

7.1. Koncept rozprestretého spektra

Na obr. 7.1 sumarizuje kľúčové prvky systému rozprestretého spektra. Vstupný signál sa privádza do kanálového kódovača, ktorý generuje analógový signál s relatívne úzkou šírkou pásma so stredom na špecifickej frekvencii. Signál je potom modulovaný sekvenciou čísiel nazývanou kód šírenia alebo sekvencia šírenia. Zvyčajne, aj keď nie vždy, je kód šírenia generovaný generátorom náhodných čísel. V dôsledku modulácie sa výrazne rozširuje šírka pásma prenášaného signálu (inými slovami, rozširuje sa spektrum signálu). Po prijatí sa signál demoduluje pomocou rovnakého kódu šírenia. Posledným krokom je privádzanie signálu do kanálového dekodéra na obnovu dát.

Ryža. 7.1. Všeobecná schéma digitálneho komunikačného systému využívajúceho rozprestreté spektrum

Prebytok spektra umožňuje získať nasledujúce výhody.

Odolnosť signálu voči rôznym druhom šumu, ako aj skresleniam spôsobeným viaccestným šírením. Toto bolo prvýkrát, čo sa rozprestreté spektrum použilo na vojenské účely kvôli odolnosti rozšíreného signálu proti pokusom o rušenie.

Rozprestreté spektrum vám umožňuje skrývať a šifrovať signály. Zašifrované údaje môže obnoviť iba používateľ, ktorý pozná kód rozšírenia.

Viacerí používatelia môžu súčasne využívať rovnaké frekvenčné pásmo s veľmi malým vzájomným rušením. Táto vlastnosť sa používa v mobilnej komunikačnej technológii známej ako multiplexovanie s kódovým delením (CDM) alebo viacnásobný prístup s kódovým delením (CDMA).