Методы разнесения сигналов

МЕТОДЫ РАЗНЕСЕНИЯ СИГНАЛОВ

Для обеспечения вы­сокой надежности передачи данных без чрезмерного увеличения, как мощности передатчика, так и интервала повторного использования ча­стот желательно иметь иной метод борьбы с влиянием быстрых зами­раний из-за многолучевости. Известно, что разнесенный прием явля­ется одним из наиболее эффективных средств, предназначенных для решения этой задачи.

Различные методы разнесения были предложены и проанализиро­ваны применительно к системам KB, тропосферной связи, а также микроволновым радиорелейным системам, работающим в пределах прямой видимости. Методы разнесения применительно к ОВЧ, УВЧ и микро­волновым системам подвижной радиосвязи анализировались в течение последних 20 лет.

Хотя большинство из них относилось к аналоговым системам подвижной радиосвязи, однако, в принципе, они могут найти примене­ние и в цифровых сотовых системах. Выигрыш, получаемый за счет разнесения, увеличивается по мере возрастания требований к качеству обслуживания в цифровых системах подвижной радиосвязи, поскольку более существенное влияние быстрых замираний многолучевости про­является при цифровой передаче.

Методы разнесения требуют организации ряда путей передачи сиг­налов, называемых ветвями разнесения, и схемы их комбинирования или выбора одного из них. В зависимости от характеристик распростране­ния радиоволн в системах подвижной радиосвязи существует несколько методов построения ветвей разнесения, которые могут быть разбиты на следующие группы, объединяющие:

- пространственное,

- угловое,

- поляризационное,

- частотное,

- временное разнесение.

Пространственное разнесение. Этот метод наиболее широко используется из-за своей простоты и низкой стоимости. Он требует од­ной передающей антенны и нескольких приемных антенн. Расстояние между соседними приемными антеннами выбирается с таким расчетом, чтобы замирания из-за многолучевости в каждой ветви разнесения бы­ли некоррелированными.

Угловое разнесение. Этот метод, который получил название раз­несения по направлению, требует несколько направленных антенн. Ка­ждая антенна независимо реагирует на волну, приходящую под определенным углом или с определенного направления, и формирует некор­релированные замирающие сигналы.

Поляризационное разнесение. Этот метод позволяет реализовать только две ветви разнесения. Он использует тот факт, что сигналы, переданные с помощью двух ортогонально-поляризованных радиоволн, характерных для ОВЧ и УВЧ сухопутных систем подвижной радиосвя­зи, в точке приема имеют некоррелированные статистики замираний из-за многолучевости.

Частотное и временное разнесение. Различия в частоте и/или вре­мени передачи могут быть использованы для организации ветвей разне­сения с некоррелированными статистиками замираний.

Требуемый разнос по времени и частоте можно определить, исхо­дя из имеющихся характеристик временного рассеяния и максимальной доплеровской частоты. Основное преимущество этих двух методов разнесения по сравнению с пространственным, угловым, поляризационным состоит в том, что для их реализации требуется лишь одна передаю­щая и одна приемная антенны, а недостаток — в том, что требуется более широкая полоса частот.

Кодирование с исправлением ошибок может рассматриваться как один из вариантов временного разнесения в цифровых системах пере­дачи.

Следует отметить, что для всех перечисленных методов разнесения, за исключением поляризационного, в принципе не существует ограниче­ния на количество ветвей разнесения. Например, в некоторых системах радиосвязи, работающих в диапазоне 2,4 ГГц, при организации про­странственного разнесения используется до пяти приемных антенн.

Разнесение позволяет существенным образом улучшить характери­стики помехоустойчивости приема и надежность цифровых систем ра­диосвязи. Наличие двух ве­твей разнесения позволяет снизить значение C/I с 30 дБ, соответствую­щее отсутствию разнесения, до 15 дБ при частоте ошибок на бит (BER), равной 10^-3. При более низких значениях BER, например BER = 10^-6, выигрыш за счет разнесения составляет 30 дБ.

Достаточно малогабарит­ные и относительно недорогие системы разнесения в настоящее время широко используются в системах мобильной радиосвязи, сотовой те­лефонии и передачи данных.

Разнесенный прием. Различные методы разнесения были предложены и проанализиро­ваны применительно к системам KB, тропосферной связи, а также микроволновым радиорелейным системам, работающим в пределах прямой видимости. Методы разнесения применительно к ОВЧ, УВЧ и микро­волновым системам подвижной радиосвязи анализировались в течение последних 20 лет.

Хотя большинство из них относилось к аналоговым системам подвижной радиосвязи, однако, в принципе, они могут найти примене­ние и в цифровых сотовых системах. Выигрыш, получаемый за счет разнесения, увеличивается по мере возрастания требований к качеству обслуживания в цифровых системах подвижной радиосвязи, поскольку более существенное влияние быстрых замираний многолучевости про­является при цифровой передаче.

Методы разнесения требуют организации ряда путей передачи сиг­налов, называемых ветвями разнесения, и схемы их комбинирования или выбора одного из них. В зависимости от характеристик распростране­ния радиоволн в системах подвижной радиосвязи существует несколько методов построения ветвей разнесения, которые могут быть разбиты на следующие группы, объединяющие:

- пространственное,

- угловое,

- поляризационное,

- частотное,

- временное разнесение.

Пространственное разнесение. Этот метод наиболее широко используется из-за своей простоты и низкой стоимости. Он требует од­ной передающей антенны и нескольких приемных антенн. Расстояние между соседними приемными антеннами выбирается с таким расчетом, чтобы замирания из-за многолучевости в каждой ветви разнесения бы­ли некоррелированными.

В диапазоне 900 МГц, используя пространственное разнесение, можно достичь усиления сигнала в 3 dB, при этом расстояние между антеннами должно быть 5 – 6 метров (12…18 l) для горизонтального разнесения и 2 – 5 метров (12…18 l) для вертикального разнесения. В диапазоне 1800 МГц, расстояние должно быть уменьшено из-за меньшего значения длины волны.

Используя данный метод и выбирая сигнал с большим уровнем можно в значительной степени уменьшить воздействие замираний сигнала.

Следует отметить, что пространственное разнесение даёт немного большее усиление сигнала, чем при использовании поляризационного приёма, но, в свою очередь требует большего пространства для монтажа антенн.

Угловое разнесение. Этот метод, который получил название раз­несения по направлению, требует несколько направленных антенн. Ка­ждая антенна независимо реагирует на волну, приходящую под определенным углом или с определенного направления, и формирует некор­релированные замирающие сигналы.

Поляризационное разнесение. Этот метод позволяет реализовать только две ветви разнесения. Он использует тот факт, что сигналы, переданные с помощью двух ортогонально-поляризованных радиоволн, характерных для ОВЧ и УВЧ сухопутных систем подвижной радиосвя­зи, в точке приема имеют некоррелированные статистики замираний из-за многолучевости.

При использовании поляризационного приёма антенны разнесённого приёма заменяются одной антенной с двойной поляризацией. Данная антенна имеет нормальный корпус, но имеет две различные поляризационные антенные решетки. Самые популярные антенны – это антенны с горизонтальной/вертикальной поляризацией и антенны, имеющие наклонную поляризацию в 45^о. Две антенные решётки соединяются в одну соединительную схему. Две антенные решетки могут быть использованы как совмещённые антенны. На практике считается, что коэффициент усиления с использованием двух типов разнесённого приёма, пространственного и поляризационного, одинаков, но в случае поляризационного приёма экономится размер монтажной площадки антенно-фидерной системы.

Частотное и временное разнесение. Различия в частоте и/или вре­мени передачи могут быть использованы для организации ветвей разне­сения с некоррелированными статистиками замираний.

Требуемый разнос по времени и частоте можно определить, исхо­дя из имеющихся характеристик временного рассеяния и максимальной доплеровской частоты. Основное преимущество этих двух методов разнесения, по сравнению с пространственным, угловым, поляризационным, состоит в том, что для их реализации требуется лишь одна передаю­щая и одна приемная антенны, а недостаток – в том, что требуется более широкая полоса частот.

Кодирование с исправлением ошибок может рассматриваться как один из вариантов временного разнесения в цифровых системах пере­дачи.

Следует отметить, что для всех перечисленных методов разнесения, за исключением поляризационного, в принципе не существует ограниче­ния на количество ветвей разнесения. Например, в некоторых системах радиосвязи, работающих в диапазоне 2,4 ГГц, при организации про­странственного разнесения используется до пяти приемных антенн.

Разнесение позволяет существенным образом улучшить характери­стики помехоустойчивости приема и надежность цифровых систем ра­диосвязи. Наличие двух ве­твей разнесения позволяет снизить значение C/I (отношение сигнал/шум) с 30 дБ, соответствую­щее отсутствию разнесения, до 15 дБ при частоте ошибок на бит (BER), равной 10^-3. При более низких значениях BER, например BER = 10^-6, выигрыш за счет разнесения составляет 30 дБ.

Достаточно малогабарит­ные и относительно недорогие системы разнесения в настоящее время широко используются в системах мобильной радиосвязи, сотовой те­лефонии и передачи данных.

Работа с расширением спектра. Многолучевое распространение может вызывать ряд нежелательных эффектов. Радиосигналы, доходя до получателя разными путями, будут испытывать соответственно разные временные задержки. В точке приема сигналы суммируются. Если при этом среди отраженных сигналов преобладают сигналы, синфазные прямому сигналу, сигнал усиливается, если больше противофазных – ослабевает. Такие явления, называемые в радиотехнике замираниями или федингами (fading), обычно наблюдаются в ограниченных пространственных областях, чьи форма и расположение определяются расположением зданий и длиной волны, на которой ведется передача.

Широкополосный сигнал значительно меньше страдает от помех, особенно узкополосных. Узкополосная помеха способна "испортить" широкополосный сигнал только в каком-то относительно узком частотном диапазоне, и полезная информация может быть восстановлена по неповрежденным участкам несущего диапазона.

Это относится и к федингам, о которых говорилось выше: интерференция прошедших разными путями сигналов приводит к снижению суммарной интенсивности лишь в достаточно узком частотном диапазоне, и снова полезную информацию можно восстановить по неповрежденной части сигнала.

Рисунок 5.1 - Воздействие узкополосных помех (а) и федингов (б) на широкополосный сигнал

Конечно, сигнал несколько ухудшается, однако это несопоставимо с потерями качества связи при использовании обычных методов модуляции. Влияние помех и федингов на широкополосные сигналы показано на рисунке 5.1.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

- при перемещении точки приема условия периодически изменяются, так как сложение волн, приходящих с разных направлений, создает пространственную интерференционную картину (этот эффект особенно сильно сказывается на мобильных пользователях и типичен для узкополосных систем). Для систем с расширенным спектром (Spread Spectrum) действие этого эффекта сильно ослабляется из-за того, что на разных частотах в пределах его широкого спектра создаются разные интерференционные картины, что и вызывает выравнивание результирующего сигнала;

- время задержки сигналов при прохождении больших расстояний может меняться из-за изменений характеристик среды распространения, причем это сказывается по-разному на сигналах, приходящих разными путями, что при сложении вызывает временные флуктуации уровня сигнала (замирания). Несинфазное изменение уровня сигнала на разных частотах спектра (Spread Spectrum ) сигнала приводит к сильному ослаблению этого эффекта на подобные системы.

Скачки по частоте. Это один из методов расширения спектра, принципиально отличающийся от методов CDMA. Несущая частота для каждого ФК периодически изменяется, т. е. каждый ФК периодически переходит на новый частотный канал. Поскольку релеевские замирания являются частотно-селективными, то, если при работе на некоторой частоте имело место замирание, при изменении рабочей частоты на 100-300 кГц замираний с большей вероятностью не будет. Следовательно, при достаточно частых изменениях частоты существенно снижается вероятность длительных замираний и, в сочетании с перемежением снижается вероятность групповых ошибок, а с одиночными ошибками можно успешно бороться с помощью помехоустойчивого канального кодирования.

Различают медленные и быстрые скачки по частоте. При медленных скачках период изменения частоты много больше длительности символа передаваемого сообщения, а при быстрых скачках – много меньше длительности символа.

Изменение частоты в пределах доступного диапазона может быть как регулярным (циклическим), так и нерегулярным (псевдослучайным), причем может быть выбран любой из имеющихся в наборе вариантов псевдослучайности. Режим работы со скачками по частоте не является обязательным и назначается по команде из центра коммутации.

Одна из особенностей формирования сигналов в стандарте GSM - использование медленных скачков по частоте в процессе сеанса связи – рисунок 5.2. Главное назначение таких скачков (SFH - Slow Frequency Hopping) – обеспечение частотного разнесения в радиоканалах, функционирующих в условиях многолучевого распространения радиоволн.

Рисунок 5.2- Формирование медленных скачков по частоте в стандарте GSM

SFH используется во всех подвижных сетях, что повышает эффективность кодирования и перемежения при медленном движении абонентских станций. Принцип формирования медленных скачков по частоте состоит в том, что сообщение, передаваемое в выделенном абоненту временном интервале TDMA кадра (577 мкс), в каждом последующем кадре передается (принимается) на новой фиксированной частоте. В соответствии со структурой кадров время для перестройки частоты составляет около 1 мс.

В процессе скачков по частоте постоянно сохраняется дуплексный разнос 45 МГц между каналами приема и передачи. Всем активным абонентам, находящимся в одной соте, ставятся в соответствие ортогональные формирующие последовательности, что исключает взаимные помехи при приеме сообщений абонентами в соте. Параметры последовательности переключения частот (частотно-временная матрица и начальная частота) назначаются каждой подвижной станции в процессе установления канала. Ортогональность последовательностей переключения частот в соте обеспечивается начальным частотным сдвигом одной и той же (по алгоритму формирования) последовательности. В смежных сотах используются различные формирующие последовательности.

Эквалайзинг. Эквалайзинг используется в узкополосных TDMA-системах для компенсации межсимвольных искажений. Он предназначен для компенсации той разности хода между составляющими лучами при многолучевом распространении, которая приводит к межсимвольной интерференции. Эквалайзер – это адаптивный фильтр, настраиваемый таким образом, чтобы сигнал на его выходе был максимально очищен от межсимвольных искажений, содержащихся во входном сигнале.С помощью эквалайзера осуществляется создание модели канала и корректировка сигнала (рисунок 5.3).

Рисунок 5.3 - Принцип работы эквалайзера

Спецификация GSM предусматривает, что эквалайзер должен обеспечивать выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс. Работа эквалайзера основана на использовании алгоритма Витерби. В формате передаваемого сигнала предусматривается наличие стандартной кодовой комбинации. На приемном конце принятая кодовая комбинация S’ сравнивается с эталонной S, и по результатам сравнения вырабатывается модель канала. После создания модели принятый сигнал корректируется, при этом маловероятные комбинации за счет использования алгоритма Витерби не учитываются для сокращения вычислений. Таким образом, для устранения помех, вызываемых временной дисперсией, необходима передача дополнительной информации, обеспечивающей функционирование эквалайзера.

Дата добавления: 2014-11-08