Тема 5 расширение спектра средств подвижной связи

Рассмотренные виды цифровой модуляции были разработаны для того, чтобы мак - симально использовать ограниченную полосу пропускания, выделению заданной цифро - вой системе связи.

Клод Шеннон (Claude Shannon) ввел формулу для емкости канала, ограниченного до W (в Гц), в котором сигнал искажается аддитивным белым гауссовым шумом с удельноймощностью N₀/2.

Эта формула имеет следующий вид:

(5.1)

где P_av – энергия входного сигнала; N ₀– удельная мощность шума.

Формула получена в результате выполнения процедуры оптимизации по отношению к свойствам входного сигнала. Оказывается, что количество информации, которую можно переслать по каналу с аддитивным белым гауссовым шумом, достигает своей верхней границы, называемой пропускной способностью канала, в случае гауссового входного сигнала.

Цифровой сигнал с МС - модуляцией будет иметь гауссово распределение только то - гда, когда количество поднесущих велико. Многие другие сигналы с цифровой модуляци - ей имеют негауссово распределение вероятности.

В традиционных системах скорость передачи данных достигает максимума и стано -

вится близка к предельной пропускной способности канала при максимизации отношения сигнала к шуму, описываемого выражением P_av/WN₀. Для решения этой труднодостижи - мой задачи приходиться применять такие сложные методы, как решетчатое кодирование, применение эквалайзера и т. д.

Такую же пропускную способность канала можно получить, расширяя спектр сигна - ла (если подобное возможно с точки зрения, как распределения спектра, так и техниче - ской реализации) до тех пор, пока уровень сигнала не станет, ниже уровня шума. Это и используется в системах с расширением спектра.

Рассмотрим самый распространенный тип системы с расширенным спектром, обо -

значаемый в литературе DSSS (расширение спектра методам прямой последователь-

ности), (англ. Direct Sequence Spread Spectrum).

В системе DSSS спектр цифрового информационного сигнала расширяется путем прямого умножения на псевдослучайную последовательность.

Пусть T_b – длительность информационного символа (бита). Для представления одно - го информационного символа используется двоичная последовательность длиной М. Каж - дый элемент двоичной последовательности, называемый чипом, длится Т_с = T_b / М секунд. Последовательность выбирается таким образом, чтобы стороннему наблюдателю она ка - залась случайной, т. е. с его точки зрения ее свойства должны быть похожи на свойства шума. Поскольку длительность кодового импульса в М раз меньше длительности инфор - мационного бита, то спектр сигнала с представлением информационных битов в виде псевдослучайной последовательности в М раз шире спектра первоначального информаци - онного сигнала.

Из теории систем связи известно, что оптимальным для приема сигналов, искажен - ных белым гауссовым шумом, является корреляционный приемник. Он перемножает ис - каженный принятый сигнал с известным, синхронизированным по отношению к принято - му, опорным сигналом. В нашем случае опорный – псевдослучайный сигнал, используе - мый в передатчике для представления информационных битов.

На рисунке 5.1 изображены передатчик и приемник системы DS-SS. Предполагается, что двоичные информационные сигналы, приведенные на рисунке 5.1, имеют биполярное

представление, т. е. поляризация псевдослучайной последовательности (ПСП) информаци - онными битами эквивалентна умножению этой последовательности на -1 или +1.

Рисунок 5.1 – Обобщенная структура системы DS-SS

На основании схемы, представленной на рисунке 5.1, можно сделать вывод о том, что ПСП рассматривается в качестве элементарного сигнала, характеризующего один ин - формационный бит, в то время как та же самая последовательность обратной полярностью представляет собой логическое отрицание бита.

Эффект расширения спектра возможен и тогда, когда период псевдослучайной по - следовательности превышает длительность одного информационного бита.

Система DS-SS представляет собой альтернативу системам с узкополосным сигна -

лом.

Рассмотрим преимущества этой системы.

Ранее системы с расширением спектра применялись только в военных целях. Псев - дошумовой сигнал с мощностью, не превышающей уровня шума, очень трудно обнару - жить. Для возможности его распознавания приемник должен знать конкретную псевдо - случайную последовательность, используемую в передатчике, и быть с ним синхронизо - ван.

В реальных системах используются псевдослучайные последовательности с перио - дом от нескольких десятков до многих тысяч битов. Количество различных последова - тельностей тем больше, чем больше их период. Выбор последовательности производится таким образом, чтобы ее автокорреляционная функция была приблизительно равна нулю независимо от временного сдвига между последовательностью и ее сдвинутой копией. Исключение составляет нулевой сдвиг, при котором автокорреляционная функция прини - мает свое максимальное значение.

В то же самое время функция взаимной корреляции различных последовательностей одной и той же длины должна быть равна нулю для любого временного сдвига между коррелированными последовательностями.

Нулевая автокорреляционная функция для любых отличных от нуля временных сдвигов делает систему устойчивой к многолучевому распространению. Такая устойчи - вость возникает, если длительность чипа короче наименьшей разности между задержками распространения сигнала различными путями.

Сигнал приходит в приемник в виде нескольких сдвинутых во времени копий - реплик. Разности между временными сдвигами обычно больше длительности чипа. Сле - довательно, приемник синхронизируется с сильнейшей составляющей принятого сигнала.

В результате корреляционной обработки все остальные реплики сигнала отбрасываются. Точно так же, благодаря нулевой взаимной корреляции между двумя различными после - довательностями, отбрасываются сигналы других пользователей. Однако мы должны об - ратить внимание на то, что игнорирование всех принимаемых реплик сигнала (за исклю - чением самой сильной) не является оптимальной стратегией. Оно приводит к потере ин - формации, содержащейся в отбрасываемых эхо - сигналах.

Реплики можно использовать после выделения и суммирования таким образом, что - бы энергия суммы сигналов была максимальной. Эта операция реализуется в RAKE- при -

емнике. RAKE – это основной тип приемника, используемого в каналах с многолучевым распространением.

Из свойства взаимной корреляции используемых псевдослучайных последовательно - стей можно вывести интересную особенность систем с расширенным спектром. Благодаря тому, что корреляционные устройства приемника, пропускают только единственную по - следовательность, один и тот же спектр может разделяться между многими пользователя - ми, применяющими различные псевдослучайные последовательности. Это свойство лежит в основе метода многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (англ.

Code Division Multiple Access – CDMA).

Разработчики военных систем были заинтересованы в системах с расширением спек - тра потому, что эти системы обладают естественной устойчивостью к узкополосным ис - кажениям.

На рисунке 5.2 эта особенность хорошо продемонстрирована. На нем также показана схема работы системы DS-SS в определенной частотной области. Используются следую - щие сокращения S_b(f) – спектр сигнала, содержащего информацию, S_c(f) – спектр расши - ряющей кодовой последовательности, S_mod(f) – спектр сигнала на выходе модулятора с двоичной фазовой модуляцией (BPS К - модулятора), S_dem(f) – спектр на выходе BPSK- демодулятора. Н _int(f) – передаточная функция интегрирующей цепи и S_out(f) – спектр вы - ходного сигнала.

В результате корреляционной обработки, состоящей из умножения на ПСП и после - дующего интегрирования, спектр узкополосного искажения расширяется.

Спектр псевдослучайной последовательности очень широк, и произведение искаже - ния на псевдослучайный сигнал во временном интервале эквивалентно свертке их спек - тров. Таким образом, на выходе интегратора остается только малая часть энергии иска - жающего сигнала.

Существуют другие варианты широкополосных систем. Несмотря на это, система DS-SS чаще других применяется во втором и третьем поколениях сотовой телефонии, а также в беспроводных абонентских шлейфах; она будет использоваться и в персональных системах спутниковой связи.

Если свойства канала изменяются во времени, то может оказаться достаточно слож - но обеспечить синхронный прием и, особенно, реализовать восстановление синхрониза - ции с точностью до доли кодового импульса. В этом случае в системах с расширением спектра используются так называемые скачки частоты.

Рисунок 5.2 – Спектры сигналов в различных частях DSSS- системы при наличии узкополосного искажения

Система со скачкообразным изменением частоты ( англ. Frequency Hopping SpreadSpectrum – FH-SS) изображена на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 – Обобщенная структурная схема FH-SS

Биты данных, которые дополни - тельно могут ко - дироваться с уп - реждающей кор -

рекцией ошибок (FEC), воздейст -

вуют на выход модулятора час - тотной манипуля -

ции (FSK). FSK-

Рисунок5.5 –Обобщенная схема системыTH-SS

сигнал сдвигается по частоте на интервал, определяемый псевдослучайным генератором, который управляется синтезатором частот.

Если синтезатор может сгенерировать 2 т - 1 различных частот, то выходная часто - та определяется т последовательными битами генератора ПСП.

Из - за широкого частотного диапазона генерируемых сигналов очень сложно обес - печить фазовую синхронизацию между несущими частотами, выбираемыми при последо - вательных скачках. Поэтому в приемнике используется некогерентный FSK- демодулятор. Обратим внимание на то, что скачки частоты происходят много раз за период трансляции одного информационного бита. Период FSK- модуляции Т_ь разделен на множество корот - ких временных интервалов T_h, называемых временем скачка. В этом случае говорят о бы-

стром скачкообразном изменении частоты.

На рисунке 5.4 изображена схема работы с Ть = 8 T_h, при которой изменение часто -

ты несущей происходит в процессе обработки каждого информационного блока только один раз. Такая система реализует так называемое медленное скачкообразное изменение частоты ¹.

Ри c унок 5.4 – Иллюстрация скачкообразного изменения частоты в системе FH-SS

Методы FS-SS часто применяют - ся в военных системах. Они обладают

устойчивостью к преднамеренному глушению, поскольку каждая несущая

частота используется очень короткий промежуток времени, что не позволяет

передатчику преднамеренных помех настроиться на эту частоту. Использо -

вание медленного скачкообразного изменения частоты совместно с F ЕС - кодированием позволяет многим поль - зователям разделять общий спектр.

Этот метод может быть применен для увеличения производительности сото -

вых систем.

Третий тип – системы расширения спектра с (псевдослучайной) перестройкой во времени (англ. Time Hopping Spread Spectrum, TH-SS). В такой системе (рисунок 5.5) пери -

од передачи информационного бита разделен на М_Т – тактов временных слотов).

Генератор ПСП определяет, номер

временного слота для передачи информаци - онного сигнала. Ха - рактерной чертой та -

кой системы является пакетная природа.

Сигнал передает -

ся в течение 1/ М_Т – й части периода передачи информации. Обычно значение М_Т пример - но равно 1000. Однако такое количество тактов создает серьезные проблемы с синхрони - зацией, решить которые намного сложнее, чем проблемы с синхронизацией в системе DS-SS. Для обеспечения равномерной передачи информации по системе TH-SS передатчик и приемник должны быть оснащены буферами памяти.

¹ В системе сотовой связи GSM термин «медленное скачкообразное изменение частоты» обозначает псевдослучайное изме - нение частоты канала, которое происходит только один раз за время передачи целого пакета данных, состоящего из 148 битов.

Имеются гибридные системы, сочетающие в себе особенности всех трех вышепе - речисленных типов систем с широкополосным спектром. Однако наибольшее практиче - ское значение имеют системы DS-SS и FH-SS.

Дата добавления: 2014-01-15