Расширение спектра скачкообразным изменением частоты. Прямое последовательное расширение спектра. Множественный доступ с кодовым разделением. Технология расширения спектра. Расширение спектра методом прямой последовательности и с перескоком по частотам

СИСТЕМЫ С РАСШИРЕНИЕМ СПЕКТРА

Термин расширение спектра был использован в многочисленных военных и коммерческих системах связи. В системах с расширенным спектром каждый сигнал-переносчик сообщений требует значительно более широкой полосы радиочастот по сравнению с обычным модулированным сигналом. Более широкая полоса частот позволяет получить некоторые полезные свойства и характеристики, которые трудно достичь другими средствами.

Расширение спектра представляет собой метод формирования сигнала с расширенным спектром с помощью дополнительной ступени модуляции, обеспечивающей не только расширение спектра сигнала, но и ослабление его влияния на другие сигналы. Дополнительная модуляция никак не связана с передаваемым сообщением.

Широкополосные системы находят применение благодаря следующим потенциальным преимуществам:

Повышенной помехоустойчивости;

Возможности обеспечения кодового разделения каналов для многостанционного доступа на его основе в системах, использующих технологию CDMA;

Энергетической скрытности благодаря низкому уровню спектральной плотности;

Высокой разрешающей способности при измерениях расстояния;

Защищенности связи;

Способности противостоять воздействию преднамеренных помех;

Повышенной пропускной способности и спектральной эффективности в некоторых сотовых системах персональной связи;

Постепенному снижению качества связи при увеличении числа пользователей, одновременно занимающих один и тот же ВЧ канал;

Низкой стоимости при реализации;

Наличию современной элементной базы (интегральных микросхем).

Рисунок 6.1 – Структура системы с прямым расширением спектра

В соответствии с архитектурой и используемыми видами модуляции системы с расширенным спектром могут быть разделены на следующие основные группы.

С прямым расширением спектра на основе псевдослучайных последовательностей (ПСП), включая системы МДКРК,

С перестройкой рабочей частоты (с «прыгающей» частотой), включая системы МДКРК с медленной и быстрой перестройкой рабочей частоты,

Множественного доступа с расширенным спектром и контролем несущей (CSMA),

С перестройкой временного положения сигналов («прыгающим» временем),

С линейной частотной модуляцией сигналов (chip modulation),

Со смешанными методами расширения спектра.

Прямое расширение спектра с помощью псевдослучайных последовательностей

На рисунке 6.1 приведена концептуальная схема системы с прямым расширением спектра на основе псевдослучайных последовательностей (а - передатчик сигналов с PSK и с последующим спектра, б - передатчик с расширением спектра в полосе модулирующих частот, в - приемник). В первом модуляторе осуществляется фазовая манипуляция (PSK) сигнала промежуточной частоты двоичным цифровым сигналом передаваемого сообщения d(t) в формате без возвращения к нулю (NRZ) с частотой следования символов f b = 1/Т b .

В пределах одной соты системы подвижной радиосвязи, как правило, есть несколько абонентов, одновременно пользующихся связью, причем каждый из них использует одну и ту же несущую частоту fрч и занимает одну и ту же полосу частот Врч.

Процесс формирования сигналов с расширенным спектром в системах с многостанционным доступом происходит в два этапа: модуляция и расширение спектра (или вторичная модуляция посредством ПСП). Вторичная модуляция осуществляется с помощью идеальной операции перемножения g(t)s(t). При таком перемножении формируется амплитудно-модулированный двухполосный сигнал с подавленной несущей. Первый и второй модуляторы можно поменять местами без изменения потенциальных характеристик системы.

Сигнал g(t)s(t) с расширенным спектром преобразуется вверх до нужной радиочастоты. Хотя преобразование частоты вверх и вниз является для большинства систем практически необходимым процессом, все же этот этап не является определяющим. Поэтому в дальнейшем будем считать, что сигнал g(t)s(t) передается и принимается на промежуточной частоте, исключив из рассмотрения подсистемы преобразования частот вверх и вниз.

Таким образом, на вход приемника поступает сумма М независимых сигналов с расширенным спектром, занимающих одну и ту же полосу РЧ.

Концепция систем с расширенным спектром путем программной перестройки рабочей частоты во многом схожа с концепцией систем с прямым расширением спектра. Здесь генератор двоичной ПСП управляет синтезатором частот, с помощью которого осуществляется переход («перескок») с одной частоты на другую из множества доступных частот. Таким образом, здесь эффект расширения спектра достигается за счет псевдослучайной перестройки частоты несущей, значение которой выбирается из имеющихся частот f1,...,fN, где N может достигать значений несколько тысяч и более. Если скорость перестройки сообщений (скорость смены частот) превышает скорость передачи сообщений, то имеем систему с быстрой перестройкой частоты. Если скорость перестройки меньше скорости передачи сообщений, так что в интервале перестройки передается несколько битов, то имеем систему с медленной перестройкой частоты.

Если выбран ансамбль некоррелированных сигналов ПСП, то после операции сжатия спектра сохраняется лишь модулированный полезный сигнал. Все другие сигналы, являясь некоррелированными, сохраняют широкополосность и имеют ширину спектра, превышающую граничную полосу пропускания фильтра демодулятора. На рисунке 6.2 приведены упрощенные временные и спектральные диаграммы, качественно иллюстрирующие процессы расширения и сжатия спектра сигналов. В частности, в них отсутствует сигнал несущей.

Рисунок 6.2 - Диаграммы при расширении спектра

В системах с расширенным спектром путем перестройки рабочей частоты последняя сохраняется постоянной в течение каждого интервала перестройки, но изменяется скачком от интервала к интервалу. Частоты передачи формируются цифровым синтезатором частот, управляемым кодом («словами»), поступающим в последовательном либо параллельном виде и содержащим m двоичных символов (битов) Каждому m-битовому слову или его части соответствует одна из M = 2m частот. Хотя для осуществления перестройки частот имеется M = 2m, m = 2, 3, частот, но не все из них обязательно используются в конкретной системе. Системы с расширением спектра путем программной перестройки рабочей частоты подразделяются на системы с медленной, с быстрой и со средней скоростью перестройки.

В системах с медленной перестройкой скорость перестройки fh, меньше скорости передачи сообщений fb. Таким образом в интервале перестройки, прежде, чем осуществится переход на другую частоту, могут быть переданы два бита сообщения или более (в некоторых системах свыше 1000). В системах со средней скоростью перестройки скорость перестройки равна скорости передачи. Наибольшее распространение получили системы с быстрой и медленной перестройкой рабочей частоты.

Для синхронизации приемников при приеме сигналов с расширенным спектром может потребоваться три устройства синхронизации:

Фазовой синхронизации несущей (восстановления несущей);

Символьной синхронизации (восстановления тактовой частоты);

Временной синхронизации генераторов, формирующих кодовые или псевдослучайные последовательности.

Временная синхронизация обеспечивается в два этапа, в течение которых выполняются:

Поиск (первоначальная, грубая синхронизация);

Слежение (точная синхронизация).

На рисунке 6.3 изображены структурные схемы передающей и приемной частей системы с перестройкой частоты.

Рисунок 6.3 - Система с программной перестройкой частоты

В стандарте GSM применяется спектрально-эффективная гауссова частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Манипуляция называется гауссовой потому, что последовательность ин­формационных битов до модулятора проходит через фильтр нижних час­тот (ФНЧ) с характеристикой Гаусса, что дает значительное уменьшение полосы частот излучаемого радиосигнала. Формирование GMSK радио­сигнала осуществляется таким образом, что на интервале одного инфор­мационного бита фаза несущей изменяется на 90°. Это наименее воз­можное изменение фазы, распознаваемое при данном типе модуляции. Непрерывное изменение фазы синусоидального сигнала дает в результате частотную модуляцию с дискретным изменением частоты. Применение фильтра Гаусса позволяет при дискретном изменении частоты получить «гладкие переходы». В стандарте GSM применяется GMSK-модуляция с величиной нормированной полосы ВТ = 0,3, где В - ширина полосы фильтра по уровню -3 дБ, Т - длительность 1 бита цифрового сообщения. Функциональная схема модулятора показана на рисунке 6.4.

Рисунок 6.4 - Функциональная схема модулятора

Основой формирователя GMSK-сигнала является квадратурный (1/Q) модулятор. Схема состоит из двух умножителей и одного сумматора. За­дача этой схемы заключается в том, чтобы обеспечить непрерывную точ­ную фазовую модуляцию. Один умножитель изменяет амплитуду синусоидального, а второй – косинусоидального колебания. Входной сигнал до умножителя разбивается на две квадратурные составляющие. Разложение происходит в двух обозначенных «sin» и «cos» блоках.

Диаграммы, иллюстрирующие формирование GMSK-сигнала, пока­заны на рисунке 4.9.

Модуляцию GMSK отличают следующие свойства, предпочтитель­ные для мобильной связи:

Постоянную по уровню огибающую, что позволяет использовать эффективные передающие устройства с усилителями мощности в режиме класса С;

Компактный спектр на выходе усилителя мощности передающего устройства, что обеспечивает низкий уровень внеполосного излу­чения;

Хорошие характеристики помехоустойчивости канала связи.

Рисунок 6.5 - Формирование GMSK-сигнала

Обработка речи. Обработка речи в стандарте GSM осуществляется с целью обеспече­ния высокого качества передаваемых сообщений и реализации дополни­тельных сервисных возможностей. Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы преры­вистой передачи речи(Discontinuous Transmission - DTX), которая обес­печивает включение передатчика, когда пользователь начинает разговор, и отключает его в паузах и в конце разговора. DTX управляется детек­тором активности речи (Voice Activity Detector - VAD), который обес­печивает обнаружение и выделение интервалов передачи речи с шумом и шума без речи даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи. В состав системы прерывистой передачи речи входит так­же устройство формирования комфортного шума, который включается и прослушивается в паузах речи, когда передатчик отключен. Экспери­ментально доказано, что отключение фонового шума на выходе прием­ника в паузах при отключении передатчика раздражает абонента и сни­жает разборчивость речи, поэтому применение комфортного шума в пау­зах считается необходимым.. DTX-процесс в приемнике предполагает интерполяцию фрагментов речи, потерянных из-за ошибок в канале.

Расширение спектра

В данной лекции мы рассмотрим основные принципы технологии расширения спектра сигнала.

Расширение спектра – технология, говоря простыми словами, в которой модулированный сигнал представляется сигналом с полосой, намного превышающую полосу информационного сигнала.

Современные мобильные средства коммуникации основаны на технологии расширения спектра и широко распространены под названием «CDMA».

Рассмотрим стандарт CDMA IS-95 (cdmaOne) как наиболее широко используемый в настоящее время. Технология расширения спектра впервые была предложена для мобильных коммуникаторов в 1980-х годах, коммерческим распространением занялась впервые компания Qualcomm Inc, представившая данный стандарт формате DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiple Access). Коммерческая эксплуатация стандарта IS-95 началась в 1996 году в США. Аббревиатура IS (interim standard - временной стандарт) используется для учета в TIA, а цифра означает порядковый номер. Из полного названия стандарта TIA/EIA/IS-95 видно, что в его рассмотрении принимал также участие EIA, который объединяет семь крупных организаций США.

Разновидности множественного доступа: Множественный доступ – проблема нумерации пользователей, которые хотят использовать одинаковый электромагнитный спектр. Она может быть решена несколькими способами:

- Выбор с разделением по частоте (сигналы распространяются только между конкретными коммуникаторами);

- Пространственная фильтрация;

- Множественный доступ с разделением по частоте (FDMA);

- Множественный доступ с разделением по времени (TDMA);

- Множественный доступ с кодовым разделением (CDMA).

TDMA (Time Division Multiple Access- множественный доступ с разделением по времени) - способ использования радиочастот, когда в одном частотном интервале находятся несколько абонентов, разные абоненты используют разные временные слоты (интервалы) для передачи. TDMA предоставляет каждому пользователю полный доступ к интервалу частоты в течение короткого периода времени.

FDMA (Frequency Division Multiple Access- множественный доступ с разделением каналов по частоте) - способ использования радиочастот, когда в одном частотном диапазоне находится только один абонент, разные абоненты используют разные частоты в пределах соты.

CDMA (Code Division Multiple Access- множественный доступ с кодовым разделением) - технология мобильной связи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разную кодовую модуляцию.

В основном CDMA используется в качестве термина для системы модуляции информации в сигнал, имеющий более широкую полосу пропускания, т.е. расширение спектра. Это расширение осуществляется посредством двоичного "кода", который, как правило, очень длинный, и для большинства замечаний и соображений, носит случайный характер. Конечно код не является случайным, он вполне предсказуем, и часто используется термин псевдо-случайный (запутанной термин сам по себе).

Одно из фундаментальных понятий, определяющее помехоустойчивость и эффективность системы CDMA, - «база сигнала» (в англоязычной литературе используется термин «processing gain»). Физический смысл этого понятия - увеличение полосы частот передаваемого сигнала относительно исходного (измеряется в децибелах). Для систем с расширенным спектром база сигнала определяется как отношение ширины полос излучаемого и исходного сигналов. Однако чаще величина базы сигнала (В) вычисляется как произведение ширины спектра (F) на длительность элементарного символа (Т). Для широкополосных сигналов база значительно превышает 1 (В>>1). Ясно, чем шире полоса частот в эфире и ниже скорость входного сигнала, тем больше база сигнала и, соответственно, выше помехоустойчивость.

Однако важно понимать, что база сигнала - это характеристика не всей CDMA-системы, а только ее отдельного канала. Поясним сказанное на примере. Так, при чиповой скорости 1,2288 Мчип/с (IS-95) и информационной скорости 9,6 кбит/c база сигнала равна 21,1 дБ (1,2288x103 /9,6 = 128). База сигнала пропорциональна скорости его передачи.

Широкополосной называется система, которая передает сигнал, занимающий очень широкую полосу частот, значительно превосходящую ту минимальную ширину полосы частот, которая фактически требуется для передачи информации. В широкополосной системе исходный модулирующий сигнал (например, сигнал телефонного канала) с полосой всего несколько килогерц распределяют в полосе частот, ширина которой может быть несколько мегагерц. Это осуществляется путем двойной модуляции несущей передаваемым информационным сигналом и широкополосным кодирующим сигналом. Основной характеристикой широкополосного сигнала является его база B, определяемая как произведение ширины спектра сигнала F на его период Т. В результате перемножения сигнала источника псевдослучайного шума с информационным сигналом энергия последнего распределяется в широкой полосе частот, т.е. его спектр расширяется.

Технология оптимизирована для предоставления высокоскоростных мультимедийных услуг типа видео, доступа в Интернет и видеоконференций; обеспечивает скорости доступа вплоть до 2 Мбит/с на коротких расстояниях и 384 Кбит/с на больших с полной мобильностью. Такие величины скорости

передачи данных требуют широкую полосу частот, поэтому ширина полосы WCDMA составляет 5 МГц.

Технология может быть добавлена к существующим сетям GSM и PDC, что делает стандарт WCDMA наиболее перспективным с точки зрения использования сетевых ресурсов и глобальной совместимости.

В передатчике узкополосный информационный сигнал умножается на опорную псевдошумовую N-символьную последовательность, а полученный сигнал модулируется методом BPSK или QPSK (прямая операция). База результирующего сигнала равна числу символов псевдослучайной последовательности (B = N). При этом использование шумоподобных сигналов с высокой тактовой частотой приводит к тому, что исходный узкополосный

сигнал «размазывается» в широкой полосе и становится меньше уровня шума.

В приемнике исходный сигнал восстанавливается с помощью псевдослучайной последовательности известной структуры (обратная операция). Иные сигналы, поступающие на данный приемник, воспринимаются как шум.

Аналогичным образом происходит подавление мощных узкополосных помех от других работающих передатчиков. В приемнике такая помеха тоже «размазывается» в широкой полосе частот и после фильтрации лишь незначительно ухудшает качество связи. При дальнейшей цифровой обработке помехи можно подавить полностью.

Кроме наиболее часто применяемого метода DS-CDMA существуют и другие технологии расширения спектра, например с помощью нескольких несущих - MC-CDMA (Multi-Carrier CDMA) или скачкообразной перестройки частоты - FHCDMA (Frequency Hopping CDMA). Особенности этих технологий будут рассмотрены в следующих номерах журнала.

Цифровая обработка сигнала в реальном масштабе времени до передачи по РЧ. Принцип построения передатчика/приемника тот же, что и при DS-CDMA, только к ЦАП поступает уже конечный модулированный сигнал. В передатчике/приемнике используется особый фильтр, имеющий название фильтр приподнятого косинуса, который минимизирует межсимвольные искажения путем представления части спектра простейшей формы в косинусоиду, приподнятую таким образом, что чтобы она «сидела» на горизонтальной оси.

Чиппинг - любая операция, посредством которой символы (биты) разбиваются (чиппуются) на меньшие интервалы по времени. Операции скрэмблирования, каналообразования и расширения представляют собой оперцию чиппинга.

Скрэмблирование - это обратимое преобразование цифрового потока без изменения скорости передачи с помощью случайной последовательности. После скремблирования появление «1» и «0» в выходной последовательности равновероятны. Скремблирование - обратимый процесс, то есть исходное сообщение можно восстановить применив обратный алгоритм.

Каналообразование - обратимое преобразование цифрового потока путм разбиения информационного сигнала на чипы с помощью фиксированной последовательности.

Комплексное представление.

Отметим, что комплексное представление является чисто математическим и вводится для удобства записи. В сетях третьего поколения CDMA используются все три представления в комплексном виде. Каналообразование в Uplink-системе осуществляется первым методом представления, а в Downlink-системе – вторым.

Каждый пользователь имеет уникальный расширяющий/ каналообразующий код, скорее всего, ортогональный код Уолша. При нисходящей передачи сигнала берется за основу реальная часть при комплексном представлении чиппованной последовательности и передается с той же скоростью. Переданные закодированные сигналы будут синхронизированы. Каждая подвижная станция знает код скремблирования текущей базовой станции, и ее установленный (и единственный) код расширения - отсюда и восстанавливаются переданные данные.

Логические каналы линии «вниз» включают:

Пилотный канал;

Канал синхронизации;

Канал персонального вызова;

Канал прямого трафика.

В прямом канале (от БС к подвижной) модуляция сигнала функциями Уолша (бинарная фазовая манипуляция) используется для различения разных физических каналов данной БС; модуляция длинной ПСП (бинарная фазовая

манипуляция) - с целью шифрования сообщений; модуляция короткой ПСП (квадратурная фазовая манипуляция двумя ПСП одинакового периода) - для расширения полосы и различения сигналов разных БС.

Различение сигналов разных станций обеспечивается тем, что все БС используют одну и ту же пару коротких ПСП, но со сдвигом на 64 дискрета между разными станциями, т.е. всего в сети 511 кодов; при этом все физические каналы одной БС имеют одну и ту же фазу последовательности.

На БС формируется 4 типа каналов: канал пилот-сигнала (PI), синхроканал (SYNC), вызывной канал (РСН) и канал трафика (ТСН).

Сигналы разных каналов взаимно ортогональны, что гарантирует отсутствие взаимных помех между ними на одной БС. Внутрисистемные помехи в основном возникают от передатчиков других БС, работающих на той же частоте, но с иным циклическим сдвигом.

Излучение пилот-сигнала происходит непрерывно. Для его передачи используют функцию Уолша нулевого порядка (W0 ). Пилот-сигнал - это сигнал несущей, который используется ПС для выбора рабочей ячейки (по наиболее мощному сигналу), а также в качестве опорного для синхронного детектирования сигналов информационных каналов. Обычно на пилот-сигнале излучается около 20% общей мощности, что позволяет мобильной станции (МС) обеспечить точность выделения несущей частоты и осуществить когерентный прием сигналов.

В синхроканале (SYNC) входной поток со скоростью 1,2 кбит/с перекодируется в поток, передаваемый со скоростью 4,8 кбит/с. Синхросообщение содержит технологическую информацию, необходимую для установления начальной синхронизации на МС: данные о точном системном времени, о скорости передачи в канале РСН, о параметрах короткого и длинного кода. Скорость передачи в синхроканале ниже, чем в вызывном (РСН) или канале графика (ТСН), благодаря чему повышается надежность его работы. По завершении процедуры синхронизации МС настраивается на канал вызова РСН и постоянно контролирует его. Для кодирования синхроканала используется функция W32 .

В обратном канале (линии «вверх») асинхронный вариант кодового разделения реализуется в комбинации с некогерентным приемом сигналов на БС. Благодаря этому отпадает необходимость в пилотном канале и канале синхронизации. В итоге остаются лишь два типа логических каналов линии «вверх»:

Канал доступа;

- канал обратного трафика.

Асинхронность кодового разделения делает нерациональным применение функций Уолша в роли каналообразующих последовательностей (сигнатур) физических каналов, так как при относительных временных сдвигах они не могут сохранять ортогональность и имеют весьма непривлекательные взаимные корреляционные свойства.

Канал доступа обеспечивает соединение МС и БС, пока МС не настроилась на назначенный ей канал обратного трафика. Процесс выбора канала доступа случаен – МС произвольно выбирает номер канала из определенного диапазона. Канал доступа используется для регистрации МС в сети, передачи на БС запроса на установление соединения, ответа на команды, переданные по каналу вызова и др. Скорость передачи данных по каналу доступа фиксирована и составляет 4,8 кбит/с.

Канал обратного трафика обеспечивает передачу речевой информации и данных абонента, а также управляющей информации с МС на БС, когда МС уже занимает выделенный ей физический канал.

Коды Уолша.

В стандарте CDMA для кодового разделения каналов используются ортогональные коды Уолша. Коды Уолша формируются из строк матрицы Уолша:

Особенность этой матрицы состоит в том, что каждая ее строка ортогональна любой другой или строке, полученной с помощью операции логического отрицания. В стандарте IS-95 используется матрица 64-го порядка. Для выделения сигнала на выходе приемника применяется цифровой фильтр. При ортогональных сигналах фильтр можно настроить таким образом, что на его выходе всегда будет логический «0», за исключением случаев, когда принимается сигнал, на который он настроен. Кодирование по Уолшу применяется в прямом канале (от БС к AT) для разделения пользователей. В системах, использующих стандарт IS-95, все АС работают одновременно в одной полосе частот. Согласованные фильтры приемников БС квазиоптимальны в условиях взаимной интерференции между абонентами одной соты и весьма чувствительны к эффекту «далекоблизко». Для максимизации абонентской емкости системы необходимо, чтобы терминалы всех абонентов излучали сигнал такой мощности, которая обеспечила бы одинаковый уровень принимаемых БС сигналов. Чем точнее управление мощностью, тем больше абонентская емкость системы.

Псевдо-случайная последовательность.

ПСП – это детерминированный периодический сигнал, который известен обоим корреспондентам. Он имеет все статистические свойства белого шума и для третьей стороны он будет казаться абсолютно случайным - псевдошумовым сигналом. Для того, чтобы ПСП была случайным процессом, необходимо выполнение ряда условий:

- число двоичных единиц не должно отличаться от числа двоичных нулей не более, чем на один элемент;

- ПСП должна обладать хорошими корреляционными свойствами, а, именно, уровни боковых лепестков АКФ такой последовательности должны иметь минимальный уровень.

Таким свойствам удовлетворяет множество последовательностей - последовательности Уолша, Баркера, Голда, М-последовательности и многие другие.

Регистр сдвига с обратной связью по переносу (FCSR, Feedback with carry shift register) - сдвиговый регистр, функция обратной связи и регистр переноса. Длина сдвигового регистра - количество битов. Когда нужно извлечь бит, все биты сдвигового регистра сдвигаются вправо на одну позицию. Новый крайний слева бит и новое значение регистра переноса определяются функцией остальных битов сдвигового регистра и регистра переноса (их биты складываются). Младший бит результата и становится новым крайним левым битом, а новым значением регистра переноса становится остальные биты результата (кроме младшего).

В отличие от LFSR, для FCSR существует задержка, прежде чем он перейдёт в циклический режим, то есть начнёт генерировать циклически повторяемую последовательность. В зависимости от выбранного начального состояния возможны 4 различных случая:

1. Начальное состояние может оказаться частью максимального периода.

2. Начальное состояние может перейти в последовательность максимального периода, после некоторой начальной задержки.

3. Начальное состояние может после начальной задержки породить последовательность нулей.

4. Начальное состояние может после начальной задержки породить последовательность единиц.

Последовательность Голда - псевдослучайная последовательность, образуемая путем сложения по модулю 2 двух псевдослучайных последовательностей.

Касами - тип псевдослучайных последовательностей. Применяются в CDMA. Значимость этих последовательностей происходит из-за их очень низкой взаимной корреляции. Код Касами длиныN = 2m − 1, где m - четное целое число, может быть получен, беря периодические выборки из М-

последовательности и выполняя суммирование по модулю 2 на циклически сдвигаемых последовательностях. Выборки берутся через каждые s = 2m / 2 + 1 элементов М-последовательности, чтобы сформировать периодическую последовательность и затем прибавляя эту последовательность постепенно к первоначальной М-последовательности по модулю 2, чтобы сформироватьs = 2m / 2 последовательностей Касами. Взаимная корреляционная функция двух последовательностей Касами принимает значения [-1, -s, s-2].

Ортогональные коды

Возможность адаптации системы к различным скоростям передачи обеспечивается за счет применения так называемых каналообразующих кодов (channelization code). Принцип их генерации можно проиллюстрировать (рис. 1) схемой кодового дерева для ортогональных кодов переменной длины

(Orthogonal Variable Spreading Factor, OVSF).

На каждом уровне этого кодового дерева определены свои кодовые слова, длина каждого из которых равна коэффициенту расширения спектра (SF). Полное кодовое дерево содержит 8 уровней (последний, восьмой, соответствует коэффициенту SF=256).

Структура кодового дерева такова, что на каждом последующем уровне удваивается возможное число каналообразующих кодов. Так, если на уровне 2 образуется только 2 кода (SF=2), то на уровне 3 генерируется уже 4 кодовых слова (SF=4) и т.д. Ансамбль кодов OVSF не является фиксированным, а зависит от коэффициента расширения SF, т. е. фактически от скорости передачи по каналу.

Проблема ортогональности.

Предположим, существует простая система с двумя пользователями и двумя путями распространения сигнала. Два пути обладают относительной задержкой в один чип. Ортогональные коды Уолша используются для распространения последовательности данных.

В этом случае приемник будет извлекать из канала два различных сигнала для каждого пользователя, соответствующие двум различным путям, относительная задержка между ними будет один чип.

Для каждого пользователя, приемник будет получать два сигнала из канала, полезный сигнал (ПСП синхронизирован с этим сигналом) и его версия с задержкой.

Результат сужения четырех принимаемых сигналов в случае двухканальной передачи двум пользователям будет:

B N (bit of interest) от сужения нужного сигнала пользователя;

- 0 из сужения ортогональных шумоподобных сигналов, отсутствие помехи из-за использования кодов Уолша;

- нежелательные условия, когда сужение является причиной задержки полезного сигнала и помехи.

Многолучевость.

Для кодовой последовательности с идеальными корреляционными свойствами, автокорреляционная функция дает ноль а выходе в интервале , где Tc – время чипа. Это значит, что полезный сигнал (основной путь) и задержанная версия этого сигнала на время, большее 2Tc , приняты на приемнике, тогда, с условиями когерентной демодуляции/сужения спектра, приемник определит задержанный сигнал как помеху. К тому же уровень мощности задержанного сигнала меньше, чем полезного в виду отражений при многолучевости, следовательно, задержанный сигнал в виде помехи «размазывается» по всей пропускной полосе, а приемник принимает лишь полезный сигнал.

Проблема «близкий - далекий».

Несмотря на высокую эффективность технологии CDMA у нее есть и ряд недостатков. Один из них - высокая чувствительность к разбросу мощностей мобильных станций. Наиболее сложная ситуация возникает вследствие проблемы «дальний-ближний» (far-near problem), когда мобильная станция, расположенная вблизи базовой, работает на большой мощности, создавая недопустимо высокий уровень помех при приеме других, «дальних» сигналов, что приводит к снижению пропускной способности системы в целом. Эта проблема существует у всех систем мобильной связи, однако наибольшие искажения сигнала возникают именно в CDMA-системах, работающих в общей полосе частот, в которых используются ортогональные шумоподобные сигналы. Если бы в этих системах отсутствовала регулировка мощности, то они существенно уступали бы по характеристикам сотовым сетям на базе TDMA. Поэтому ключевой проблемой в CDMA-системах можно считать индивидуальное управление мощностью каждой станции.

Детектирование.

Приемник имеет доступ к банку кодов, который хранит все коды, выделяемые на базовых станциях (БС). Для конкретного пользователя, БС знает, какой код ожидать и детектирование кода происходит путем сопоставления полученной последовательности с ожидаемым кодом. Операция корреляции осуществляется сужением, которое может выполняться в согласованном фильтре. Перед началом корреляции получатель должен знать точный момент времени. Синхронизация достигается при использовании пилот-сигнала, который расположен перед передаваемой информацией. Пилот-сигнал одинаков для всех пользователей. Когда синхронизация выполнена, согласованный фильтр начинает операцию корреляции: если корреляция выше заранее определенного порога, согласованный фильтр положительно определен пользователем.

Перемножение принятого сигнала и сигнала такого же источника псевдослучайного шума (ПСП), который использовался в передатчике, сжимает спектр полезного сигнала и одновременно расширяет спектр фонового шума и других источников интерференционных помех. Результирующий выигрыш в отношении сигнал/шум на выходе приемника есть функция отношения ширины полос широкополосного и базового сигналов: чем больше расширение спектра, тем больше выигрыш. Во временной области - это функция отношения скорости передачи цифрового потока в радиоканале к скорости передачи базового информационного сигнала. Для стандарта 1S-95 отношение составляет 128 раз, или 21 дБ. Это позволяет системе работать при уровне интерференционных помех, превышающих уровень полезного сигнала на 18 дБ, так как обработка сигнала на выходе приемника требует превышения уровня сигнала над уровнем помех всего на 3 дБ. В реальных условиях уровень помех значительно меньше. Кроме того, расширение спектра сигнала (до 1,23 МГц) можно рассматривать как применение методов частотного разнесения приема. Сигнал при распространении в радиотракте подвергается замираниям вследствие многолучевого характера распространения. В частотной области это явление можно представить как воздействие режекторного фильтра с изменяющейся шириной полосы режекции (обычно не более чем на 300 кГц). В стандарте AMPS это соответствует подавлению десяти каналов, а в системе CDMA подавляется лишь около 25% спектра сигнала, что не вызывает особых затруднений при восстановлении сигнала в приемнике.

Rake-приемник.

Оцифрованные выборки входных сигналов принимаются от входных каскадов ВЧ и представляются в виде квадратурных ветвей I и Q (т.е. в формате комплексного числа фильтра нижних частот на выходе приемника). Генераторы кода и коррелятор осуществляют сжатие и суммирование символов передачи данных пользователя. Устройство канала использует пилот-символы для оценки состояния канала, влияние которого затем будет скомпенсировано фазовращателем для принятых символов. Задержка компенсируется разницей во времени прибытия символов в каждый тракт. Далее сумматор Rake складывает компенсированные канальные символы, обеспечивая тем самым разнесение при многолучевом распространении как средство борьбы с замираниями.

Показан также согласованный фильтр, используемый для определения и обновления текущего профиля задержки при многолучевом распространении в канале. Этот измеренный и возможно усредненный профиль задержки при многолучевом распространении используется затем для сложения сигналов с выходов трактов приемника Rake с наибольшими пиковыми значениями.

В типичных реализациях приемник Rake, осуществляющий обработку со скоростью передачи чипов (коррелятор, генератор кодов, согласованный

1.1. Краткая характеристика расширения спектра сигналов методом ППРЧ

1.1.1. Основные принципы и методы расширения спектра сигналов

В случае, когда перед исследователями и разработчиками систем радиосвязи (СРС) встает проблема обеспечения надежной связи в условиях организованных и непреднамеренных помех, многолучевого распространения радиоволн, а также осуществления многостанционного доступа при работе в пакетных сетях радиосвязи, наилучшие результаты могут быть получены при использовании в СРС сигналов с расширением спектра . Основные принципы известных методов расширения спектра сигналов, адекватно отражающие их физическую сущность, приведены в : ...расширение спектра сигнала есть способ передачи, при котором сигнал занимает полосу частот более широкую по сравнению с полосой, минимально необходимой для передачи информации; расширение полосы частот сигнала обеспечивается специальным кодом, который не зависит от передаваемой информации; для последующего сжатия полосы частот сигнала и восстановления данных в приемном устройстве также используется специальный код, аналогичный коду в передатчике СРС и синхронизированный с ним... Таким образом, способ передачи информации с расширением спектра заключается: на передающей стороне – в одновременной и независимой модуляции параметров сигнала специальным кодом (расширяющей спектр функцией) и передаваемым сообщением; на приемной стороне – в синхронной демодуляции сигнала в соответствии с расширяющей спектр функцией и восстановлении переданного сообщения .

Несмотря на то, что принципы расширения спектра сигналов в общем виде были известны уже в 20-30-х годах XX века, теоретической базой для разработки СРС с такими сигналами стала фундаментальная формула К.Е. Шеннона

которая, характеризуя предельные возможности гауссовского канала, кардинальным образом расширяет представление о возможности передачи информации по каналам радиосвязи с ограниченным по полосе аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ).

Так, из (1.1) следует, что пропускная способность (бит/с) канала радиосвязи, после того как она задана, в условиях действия аддитивной гауссовской помехи (шума) с ограниченной средней мощностью (Вт) может быть обеспечена либо использованием широкой полосы частот (Гц) с малым отношением сигнал-помеха , либо – узкой полосы частот (Гц) с более высоким отношением сигнал-помеха , где - средняя мощность сигнала. Следовательно, между полосой пропускания канала и отношением сигнал-помеха в этом канале возможен взаимообмен. При этом в соответствии с зависимостью (1.1) наиболее целесообразным является обмен мощности сигнала на полосу пропускания канала. Например, требуется обеспечить пропускную способность бит/с при отношении сигнал-помеха =. На основе (1.1) канал радиосвязи должен иметь полосу МГц. При большем отношении сигнал-помеха, например , пропускная способность канала радиосвязи бит/с может быть реализована достаточно узкой полосой частот кГц. Формула (1.1) указывает и на то, что при заданном отношении сигнал-помеха в канале радиосвязи с АБГШ пропускная способность может быть увеличена путем соответствующего расширения спектра си шала .

При малых отношениях сигнал-помеха выражение (1.1) принимает вид:

где 1,44 - модуль перехода от двоичных логарифмов к натуральным; в случае больших отношений из (1.1) с хорошим приближением следует, что

Предельное значение пропускная способность для гауссовского канала радиосвязи имеет при

где - односторонняя спектральная плотность мощности белого шума.

Выражение (1.2в) указывает на то, что в канале с шумами даже в предельном случае при отношение сигнал-помеха должно превышать определенное пороговое значение. Так, для передачи бита информации требуемая энергия сигнала (или ) .

Если пропускная способность равна требуемой скорости передачи информации , то из (1.1) и (1.2) видно, что при канал радиосвязи может работать при значительном превышении мощности помехи над мощностью полезного сигнала . Поэтому методы расширения спектра сигналов находят широкое применение в специальных СРС, которые должны обеспечивать надежную связь в условиях радиоэлектронного подавления (РЭП).

Методы расширения спектра могут базироваться на изменении (модуляции) амплитуды, фазы, частоты и временного положения (задержки) сигнала в соответствии со специальным кодом, формируемым на основе псевдослучайной последовательности.

Однако амплитудная модуляция для формирования сигнала с расширением спектра, как правило, не применяется, так как при этом получается сигнал с большим значением пиковой (мгновенной) мощности, который достаточно легко обнаруживается простыми приемниками станций радиотехнической разведки (РТР) .

Из-за недостаточной помехозащищенности самостоятельное применение в СРС не находит и метод расширения спектра за счет модуляции временного положения (задержки) сигнала, так называемый метод псевдослучайной время-импульсной модуляции (ПВИМ) . При методе ПВИМ расширение спектра достигается путем сжатия информационного сигнала во временной области. Сокращение времени передачи каждого информационного сигнала в раз приводит к расширению спектра сигнала в раз и уменьшает до общее время передачи. Информация передается только в заданные интервалы времени, которые следуют друг за другом в соответствии с выбранным кодом. При использовании метода ПВИМ, как и метода расширения спектра за счет амплитудной модуляции, имеет место большой пикфактор, что приводит к нерациональному расходованию мощности передатчика СРС.

Основными, базовыми методами расширения спектра сигналов, широко применяемыми в современных СРС, системах управления и распределения информации, являются:

Метод непосредственной модуляции несущей псевдослучайной последовательностью (ПСП);

Метод псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ);

Метод совместного (комплексного) использования различных методов; например, метода непосредственной модуляции несущей ПСП и метода ППРЧ; метода ППРЧ и метода ПВИМ и другие сочетания.

При первом методе расширение спектра сигнала достигается за счет непосредственной модуляции несущей частоты ПСП , элементы которой генерируются со скоростью , значительно превышающей скорость передачи элементов информационной последовательности , и затем накладываются на каждый информационный символ. Типовым примером таких сигналов являются фазоманипулированные широкополосные сигналы (ФМШПС) . При прямоугольной форме элементов информационной последовательности и при использовании ПСП , обеспечивающей расширение спектра сигнала, двоичный ФМШПС можно описать выражением

На рис.1.4, а, б в идеализированном виде изображены спектральные плотности мощности сигнала и узкополосной помехи в характерных точках структурных схем передатчика и приемника СРС с ФМШПС.

На рис. 1.4 видно, как происходит преобразование спектра полезного сигнала и расширение спектра узкополосной помехи в передающем и приемном устройствах СРС с ФМШПС.

Изначально метод расширенного спектра создавался для разведывательных и военных целей. Основная идея метода состоит в том, чтобы распределить информационный сигнал по широкой полосе радиодиапазона, что в итоге позволит значительно усложнить подавление или перехват сигнала. Первая разработанная схема расширенного спектра известна как метод перестройки частоты. Более современной схемой расширенного спектра является метод прямого последовательного расширения. Оба метода используются в различных стандартах и продуктах беспроводной связи.

Расширение спектра скачкообразной перестройкой частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS)

Для того чтобы радиообмен нельзя было перехватить или подавить узкополосным шумом, было предложено вести передачу с постоянной сменой несущей в пределах широкого диапазона частот. В результате мощность сигнала распределялась по всему диапазону, и прослушивание какой-то определенной частоты давало только небольшой шум. Последовательность несущих частот была псевдослучайной, известной только передатчику и приемнику. Попытка подавления сигнала в каком-то узком диапазоне также не слишком ухудшала сигнал, так как подавлялась только небольшая часть информации.

Идею этого метода иллюстрирует рис. 1.10 .

В течение фиксированного интервала времени передача ведется на неизменной несущей частоте. На каждой несущей частоте для передачи дискретной информации применяются стандартные методы модуляции , такие как FSK или PSK . Для того чтобы приемник синхронизировался с передатчиком, для обозначения начала каждого периода передачи в течение некоторого времени передаются синхробиты. Так что полезная скорость этого метода кодирования оказывается меньше из-за постоянных накладных расходов на синхронизацию.

Рис. 1.10.

Несущая частота меняется в соответствии с номерами частотных подканалов, вырабатываемых алгоритмом псевдослучайных чисел. Псевдослучайная последовательность зависит от некоторого параметра, который называют начальным числом. Если приемнику и передатчику известны алгоритм и значение начального числа, то они меняют частоты в одинаковой последовательности, называемой последовательностью псевдослучайной перестройки частоты.

Если частота смены подканалов ниже, чем скорость передачи данных в канале, то такой режим называют медленным расширением спектра (рис. 1.11а); в противном случае мы имеем дело с быстрым расширением спектра (рис. 1.11б).

Метод быстрого расширения спектра более устойчив к помехам, поскольку узкополосная помеха, которая подавляет сигнал в определенном подканале, не приводит к потере бита, так как его значение повторяется несколько раз в различных частотных подканалах. В этом режиме не проявляется эффект межсимвольной интерференции, потому что ко времени прихода задержанного вдоль одного из путей сигнала система успевает перейти на другую частоту.

Метод медленного расширения спектра таким свойством не обладает, но зато он проще в реализации и сопряжен с меньшими накладными расходами.

Методы FHSS используются в беспроводных технологиях IEEE 802.11 и Bluetooth .

В FHSS подход к использованию частотного диапазона не такой, как в других методах кодирования - вместо экономного расходования узкой полосы делается попытка занять весь доступный диапазон. На первый взгляд это кажется не очень эффективным - ведь в каждый момент времени в диапазоне работает только один канал. Однако последнее утверждение не всегда справедливо - коды расширенного спектра можно использовать и для мультиплексирования нескольких каналов в широком диапазоне. В частности, методы FHSS позволяют организовать одновременную работу нескольких каналов путем выбора для каждого канала таких псевдослучайных последовательностей , чтобы в каждый момент времени каждый канал работал на своей частоте (конечно, это можно сделать, только если число каналов не превышает числа частотных подканалов).

Прямое последовательное расширение спектра (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS)

В методе прямого последовательного расширения спектра также используется весь частотный диапазон, выделенный для одной беспроводной линии связи. В отличие от метода FHSS , весь частотный диапазон занимается не за счет постоянных переключений с частоты на частоту, а за счет того, что каждый бит информации заменяется N-битами, так что тактовая скорость передачи сигналов увеличивается в N раз. А это, в свою очередь, означает, что спектр сигнала также расширяется в N раз. Достаточно соответствующим образом выбрать скорость передачи данных и значение N, чтобы спектр сигнала заполнил весь диапазон.

Цель кодирования методом DSSS та же, что и методом FHSS , - повышение устойчивости к помехам. Узкополосная помеха будет искажать только определенные частоты спектра сигнала, так что приемник с большой степенью вероятности сможет правильно распознать передаваемую информацию.

Код, которым заменяется двоичная единица исходной информации, называется расширяющей последовательностью , а каждый бит такой последовательности - чипом.

Соответственно, скорость передачи результирующего кода называют чиповой скоростью. Двоичный нуль кодируется инверсным значением расширяющей последовательности. Приемники должны знать расширяющую последовательность, которую использует передатчик, чтобы понять передаваемую информацию.

Количество битов в расширяющей последовательности определяет коэффициент расширения исходного кода. Как и в случае FHSS , для кодирования битов результирующего кода может использоваться любой вид модуляции, например BFSK .

Чем больше коэффициент расширения, тем шире спектр результирующего сигнала и выше степень подавления помех. Но при этом растет занимаемый каналом диапазон спектра. Обычно коэффициент расширения имеет значение от 10 до 100.

Большинство современных цифровых камер предлагают пользователям возможность выбирать между применением штатного диапазона ISO и его расширенным режимом.

Опытные фотографы хорошо понимают, какие функции камеры реально полезны, а какие в работе практически не используются и добавлены производителем в качестве маркетингового хода. Новички же при выборе фотоаппарата могут легко запутаться во всем многообразии опций, например, что такое ISO и как правильно выбрать рабочий диапазон ISO.

Выбор между штатным и расширенным диапазоном ISO

При изменении значения ISO на цифровой фотокамере пользователь регулирует силу сигнала, меняя тем самым отношение принудительного усиления к считывающей способности световоспринимающего сенсора. Существуют определенные минимальные и максимальные значения усиления ISO - именно этот диапазон называется штатным. После уменьшения или превышения штатных показателей датчики камеры не смогут адекватно считывать данные.

До некоторого времени верхний порог значения светочувствительности считался незыблемым, однако бурное развитие аппаратной части и программного обеспечения современных фотокамер позволило замахнуться на невероятные высоты. То же самое касается и нижнего значения диапазона ISO - современная техника позволяет существенно снизить его. По сути, фотосъемка с использованием расширенного диапазона ISO напоминает постобработку фотографии в компьютере, только этот процесс происходит непосредственно в самой камере.

Как увеличенный диапазон ISO может повлиять на снимки

В камерах с большим диапазоном ISO используют датчики со стандартной светочувствительностью, такие же, как и в обычных фотоаппаратах. Расширенные диапазоны ISO, такие как, например, ISO 12800, ISO 25600, ISO 51200, ISO 102400 получаются путем использования обычных сенсоров и электронных схем, светочувствительность которых повышается с помощью программного обеспечения. Из этого следует, что расширенный диапазон ISO - это не более чем маркетинговый ход.

Заявления о том, что камера может снимать до ISO 102400, впечатляют начинающих фотографов, но это не значит, что при покупке камеры они покупают датчик с такой высокой светочувствительностью. На самом деле эти значения достигаются, благодаря программному обеспечению, и проявляются зачастую в низком качестве снимков с большим количеством цифрового шума.

Фотографии, полученные на экстремально высоких значениях ISO, будут хорошо выглядеть только при условии черно-белой съемки, что сводит на нет подобное преимущество камер с расширенным диапазоном ISO.

Внимательный пользователь обязательно заметит, что камера в расширенном диапазоне ISO делает кадры в формате JPEG, но не в RAW. Это связано с тем, что при съемке в режиме RAW формируется цифровой негатив с минимальной обработкой, так как это расширяет возможности при постобработке кадров с использованием фоторедакторов. (Стоит, правда, оговориться, что некоторые производители допускают возможность использования расширенного диапазона ISO при фотосъемке в RAW-формате.)

Определенная польза от использования увеличенного диапазона значений ISO может быть для фотографов, снимающих в формате JPEG, кто не обрабатывает в последствии изображения. Необходимо все-таки учесть, что на качество придется закрыть глаза.