6.1. Кодовые последовательности для расширения спектра в радиосистеме

Содержание
  1. Кодовое разделение каналов CDMA — подробный разбор
  2. Временное разделение каналов (TDMA)
  3. Частотное разделение каналов FDMA
  4. Комбинация FDMA и TDMA
  5. Кодовое разделение каналов CDMA
  6. Как формируются сигналы при CDMA
  7. Структура модулятора CDMA
  8. Пример модели в Simulink
  9. Кодовые последовательности Уолша
  10. Выделение требуемого канала и демодуляция
  11. Демодуляция сигнала на примере
  12. Структура демодулятора CDMA
  13. Расширение спектра
  14. Необходимость синхронизации
  15. Ёмкость системы
  16. Получение последовательностей Уолша. Матрица Адамара
  17. 12. Методы расширенного спектра. Теоретические основы цифровой связи
  18. 12.1. Расширенный спектр
  19. 12.1.1.1. Подавление помех
  20. 19.Расширение спектра. Цели и методы, типичные заблуждения. Метод прямой последовательности. Роль синхронизации приемника сигнала с расширенным спектром
  21. Методы расширения спектра
  22. Технология расширения спектра методом прямой последовательности (dsss)

Кодовое разделение каналов CDMA — подробный разбор

6.1. Кодовые последовательности для расширения спектра в радиосистеме

В этой статье рассмотрим три способа разделения каналов, временное разделение, частотное и кодовое разделение каналов. Особое внимание будет уделено кодовому разделению каналов. Приятного чтения!

Если есть радиотехническая система (РТС) включающая в себя множество устройств и между этими устройствами необходимо выполнять обмен информацией, необходимо разделять каналы. 

Для примера рассмотрим сотовую связь.

Есть базовая станция (БС) и множество абонентских устройств. Между БС и мобильными телефонами образуется канал, сколько мобильных устройств столько и каналов. Задача — организовать разделение каналов таким образом, чтобы работа одного устройства, не создавала помех для другого устройства. 

Способы разделения каналов:

  1. временное разделение каналов (TDMA);
  2. частотное разделение каналов (FDMA);
  3. кодовое разделение каналов (CDMA);
  4. комбинированные.

Временное разделение каналов (TDMA)

При временном разделении каналов информация от каждого абонента делится на пакеты (блоки), и пакеты от разных абонентов передаются по очереди. Передача осуществляется на одной частоте. 

На примере представлено, информацию передают 3 абонента. Сначала Абонент 1 передал информацию, потом он закончил и сделал паузу, потом 2 и 3 и так далее. То время, которое выделяется каждому абоненту, называется временной слот (time slot).

 А тот временной отрезок, который выделяется для всех абонентов называется кадром. В течении кадра все абоненты передали свои пакеты и когда  начнется следующий кадр все начнется заново. Соответственно, сколько временных слотов в кадре столько абонентов и могут передавать информацию. 

Частотное разделение каналов FDMA

Если при временном разделении каналов все абоненты вели передачу на одной частоте, в случае частотного разделения каналов, все абоненты передают информацию на разных частотах. 

С точки зрения исторического процесса развития радиотехнических систем, частотное разделение каналов — это самый первый способ разделения каналов. Каждому устройству необходимо задать разные частоты и тогда они не будут создавать помех друг для друга. Но так как они передают информацию на разных частотах, следовательно могут работать одновременно. 

При частотном разделении каналов информация каждому абоненту выделяется своя частота. Передача может осуществляться одновременно.

Количество частот определяют ёмкость системы, т.е. сколько абонентов могут передавать информацию одновременно. 

Комбинация FDMA и TDMA

Часто используется комбинация FDMA и TDMA, т.к. это обеспечивает большее количество каналов. 

Представлен пример для комбинированного частотного и временного разделения каналов. Если говорим о GSM то там, на 1 несущую приходится 8 таймслотов, соответственно, если выделена одна частота, одновременно могут разговаривать не более 8 абонентов. Для увеличения ёмкости системы требуется увеличение количества несущих. 

В примере ёмкость системы увеличена до 9 абонентов, 9 человек могут одновременно вести переговоры по 3 абонента на каждой частоте и по 3 таймслота в каждом кадре. 

Кодовое разделение каналов CDMA

При кодовом разделении каналов на одной фиксированной частоте все абоненты передают информацию одновременно.  Они пересекаются по частоте и по времени. Тогда почему они друг другу не мешают?

Как формируются сигналы при CDMA

Рассмотрим? как формируется сигнал для кодового разделения каналов на примере 2-ФМн сигнала и кодах Уолша.

На осциллограмме (1) присутствует информационный сигнал, т.е. полезная информация. Информационный сигнал (1) перемножаем с кодовой последовательностью Уолша (2). У последовательности Уолша есть длина, у нее 8 импульсов на последовательности. Вся длина последовательности должна уложиться в длину символа. Длительность последовательности = длительности символа. 

Когда начинает передаваться следующий символ, кодовая последовательность начинает опять циклически повторяться от символа к символу. Когда символы “1” и “2” перемножаем с кодовой последовательностью Уолша получаем модулирующую последовательность (3). 

Осциллограмму (3) и будем подавать на модулятор. Если символ “1”, тогда кодовая последовательность какая была, такая и осталась. Если символ “0”, тогда последовательность перевернулась. 

Когда осциллограмму (3) подаем на модулятор формируется сигнал с двоичной фазовой модуляцией (2-ФМн), но фаза здесь меняется не каждый информационный символ, а будет определяться частотой следования импульсов кодовой последовательности. Скорость манипуляции — как часто меняется параметра гармонического сигнала. В даннам случае фаза. Здесь скорость манипуляции в 8 раз больше, чем символьная скорость. 

Структура модулятора CDMA

На рисунке выше (способ 1) есть последовательно Уолша, Ts — это длительность информационного символа, а Tch — длительность чипа. N — длина кодовой последовательности (КП). Длительность чипа будем 8 раз меньше длительности символа.  

Второй пример формирования cdma. Изменен порядок перемножения. Один импульс кодовой последовательности называется чипом. В примере последовательность включает 8 чипов. 

Информационный символы (1) подаем на фазовый модулятор и уже сигнал (2) перемножаем с кодовой последовательностью Уолша (3). В этом примере переставили порядок действий, но результат получился тот же самый. 

Во втором способе сначала подали сигнал на модулятор, а затем перемножили с последовательность Уолша. 

На картинке видим источник сигнала (Random Integer), подаем сигнал сначала на модулятор и потом перемножаем (Product) с последовательностью Уолша (Walsh Code Generator). 

Кодовые последовательности Уолша

Разберемся каким свойство обладает последовательность Уолша, которая позволяет разделять один канал от другого. 

Коды Уолша – совокупность двоичных ортогональных кодовых последовательностей, принимающих значения +1 и −1.

N последовательностей Уолша длиной N образуют ортогональную систему. Любая последовательность из этой системы ортогональна с любой другой из этой же системы.

Совокупность, есть множество КП Уолша. Они двоичны и принимаю два значения, иногда пишут, что они принимают значение {1;-1} или {1;0}. Но мы будем использовать {1;-1}. 

Ключевое свойство, которое обеспечивает разделение каналов это свойство ортогональности. 

Коды Уолша применяются для кодового разделения каналов, так как они ортогональны друг с другом. Если возьмем N последовательностей Уолша, эти последовательности тоже будут иметь длину N и вот эта совокупность из N последовательностей будет образовывать ортогональную систему.

Например, у нас 8 последовательностей Уолша, и эти 8 последовательностей будут образовывать ортогональную систему. Если из этой системы, любые две последовательности возьмем и посчитаем для них корреляцию и если корреляция будет равна нулю, то последовательности ортогональны.

 

Четыре последовательности в в каждой последовательности 4 переменные. Если возьмем любые две последовательности и посчитаем для них корреляцию. Рассмотрим ортогональную систему последовательностей Уолша 4×4:

a1 — одна последовательность и a3 — другая последовательность, нужно их посимвольно перемножить одну с другой. 

И результат перемножения суммируем. Если в результате получился 0, то такие коды являются ортогональными. 

Выделение требуемого канала и демодуляция

Теперь рассмотри, как сигнал принимается, демодулируется. 

Есть принятый сигнал CDMA (1) с двоичной фазовой модуляцией, сначала подаем его на фазовый демодулятор (2), получаем двоичную последовательность и нужно осциллограмму (2) перемножить с КП Уолша (3), которая циклически повторяется.

В данном случаем последовательность в приемнике такая же, как и последовательность, которая была в передатчике, с помощью которой был сформирован сигнал. В этом случае результат перемножения (2) и (3) даст сигнал на выходе коррелятора (4).

  

Но процесс демодуляции не закончен. Мы перемножили принятый сигнал (2) и КП Уолша (3), теперь должны все просуммировать. Если каждую точку (4) обозначить S1, S2, S3 … S8 — это результат перемножения. Затем все эти точки нужно просуммировать. И чтобы нормировать поделить все на N. 

Передавали символ 1 и получили на выходе 1, и передавали символ 0 и получили на выходе -1. Есть порог принятия решения, если импуль получился выше порога, считаем что приняли 1, импульс ниже порога, считаем, что приняли 0 (5). 

Другой пример. Формирующая последовательность в передатчике не совпадает с последовательностью на приемнике. 

Сигнал тот же самый приняли (1), подали сигнал на демодулятор (2), получили демодулированные последовательности. Процедуру повторяем, сначала перемножаем (4), потом суммируем (5), в результате получим 0.

Если последовательность Уолша в приемнике и передатчике не совпадает, то приемник такой сигнал от передатчика не воспринимает.

Когда совпадает, сигнал восстанавливается, когда не совпадает сигнала как будто бы нет. 

Демодуляция сигнала на примере

В результате кодового разделения каналов, один информационный символ превращается в кодовую последовательность, получается что один информационный символ у одного передатчика будет ортогонален с информационным символом другого передатчика. 

РТС включает в себя множество радиотехнических устройств, множество передатчиков и все они работают одновременно. Рассмотрим пример, каждый информационный символ превращается в последовательность Уолша. Если множество передатчиков работают одновременно, то их сигналы в эфире складываются, мы принимаем сумму всех сигналов. 

Например, есть 4 передатчика каждый вместо информационного символа передает кодовую последовательность, если передатчик передает информационный символ “1” эта последовательность, какая была такая и осталась, если передается “0”, то у этой последовательности меняется знак. 

Рассмотрим, когда все передатчики передают символ “1”. Так как все передатчики работают одновременно сигнал просто суммируется. Выделять информацию приемник будет с первого передатчика (а1). А остальные передатчики (a0 a2 a3) не должны создавать помех. 

Получили групповой сигнал 4 0 0 0. Теперь нужно выделить один из каналов, выберем первый (а1). Нужно перемножить с той последовательностью Уолша с которой был сигнал сформирован для первого передатчика. Получим в результате 4 и разделим на длину последовательности на 4, получим 1. Передавался символ “1” приняли тоже “1”.

Рассмотрим случай, когда все передатчики передают символ 1, т.е. значения у a0 a2 и a3 не меняются, а меняется значение на противоположное у передатчика a1. 

Групповой сигнал перемножаем с оригинальной последовательностью а1. Передавался символ 0 получили -1. Из группового сигнала успешно извлекаем информацию по передатчику. Сигнал от других передатчиков не создает помех. 

Структура демодулятора CDMA

Приняли сигнал CDMA из эфира, подали на демодулятор, появилась некоторая демодулированная последовательность и перемножали ее с КП Уолша, а затем результат суммировали. Когда мы что-то перемножаем, потом интегрируем это вычисление корреляции. Мы вычисляли корреляцию между принятым сигналом (групповым) и последовательностью Уолша. 

Рассмотрим более сложную структуру демодулятора. 

Квадратурный демодулятор преобразует ВЧ сигнал в сигнал с нулевой несущей. Первым делом нужно выделить сигнал из шумов с помощью согласованного фильтра (СФ). Дальше взять выборку в нужный момент времени. 

Устройство выборки работает на чиповой скорости. Выделили принятую последовательность и нужно вычислить корреляцию между групповым сигналом и КП Уолша. В корреляторе сначала перемножаем, потом суммируем. Дальше стоит устройство выборки, которое осуществляет работу на символьной скорости. И сигнал поступает на устройство принятия решения. 

Кодовое разделение каналов выполняется за счет свойства ортогональности. Каждый информационный символ превращается в КП, и КП одного передатчика ортогональна с КП другого передатчика. Символы между разными передатчиками ортогональны и они никак не взаимодействуют. 

Расширение спектра

Кодовое разделение каналов CDMA приводит к расширению спектра. Спектр расширяется в N раз, где N – длина кодовой последовательности (количество чипов на символ).

За счет чего идет расширение спектра? Если подавать информационный сигнал напрямую на фазовый модулятор, скорость манипуляции совпадала бы с информационной, символьной скоростью.

Но из-за того что мы информационный сигнал перемножаем с КП Уолша, а КП идет быстрее, в нашем случае в 8 раз, то и скорость манипуляции будет быстрее в 8 раз. Фаза в 8 раз чаще изменяет свое положение.

Спектр расширяется в N раз, где N — длина кодовой последовательности. 

На картинке выше представлен спектр фазоманипулированного сигнала и спектр CDMA сигнала. Средняя мощность у них постоянная. Площадь у графиков одинаковая. Чтобы определить среднюю мощность сигнала по спектральной плотности мощности, нужно рассчитать площадь. Если площадь постоянна, если растягиваем вширь, соответственно высота должна уменьшиться. 

Системы с расширенным спектром более устойчивы к узкополосным помехам по частотно-селективным замираниям. Когда говорим о кодовом разделении каналов, расширение спектра происходит как побочное действие, потому что скорость манипуляции увеличивается. 

Расширенный спектр дает преимущества. Узкополосная помеха — помеха у которой ширина спектра намного уже, чем ширина сигнала. 

На картинке выше спектр без расширения и с расширением и присутствует узкополосная помеха. Из рисунка видно, какую часть повреждает узкополосная помеха без расширения и с расширением. Видим, что у расширенного спектра повреждена совсем малая часть, по сравнению со спектром без расширения. 

Замирания появляются при многолучевом распространении, когда сигналы отражаются от множества объектов и в передатчик приходит множество лучей с разными фазами и когда они складываются с разными фазами у них амплитуда может увеличиться либо уменьшиться. 

Когда спектр сигнала узкополосный, то вследствие замираний, будем наблюдать, как будто бы у него изменяется амплитуда, вплоть до того, что сигнал может потеряться в шумах и потеряется возможность к демодуляции сигнала. 

А когда спектр сигнала широкий, больше мегагерца, десятки МГц, получается не на всех частотах сигнал складывается в одних и тех же фазах. Лучи приходят с одинаковой задержкой, но задержка по времени на частоте f1 и f2 она превращается в разные сдвиги фаз. 

За счет расширения спектра повышается устойчивость к узкополосным помехам и частотно-селективным замираниям, это одно из достоинств применения кодового разделения каналов. 

С одной стороны, расширение спектра идет, как побочное действие, потому что скорость манипуляции увеличилась, но за счет этого мы получили достоинство. 

Необходимость синхронизации

Почему рассинхронизация приводит к увеличению ошибки? Для корректной работы системы с кодовым разделением каналов необходима точная временная синхронизация всех приемников и передатчиков. 

Если синхронизация будет нарушена, то сигналы будут неортогональны. Это приведет к тому, что сигналы будут помехой друг для друга.

Рассмотрим пример. На один символ приходит КП из 4-х элементов. На каждом интервале времени равным длительности символа, проверяем ортогональность и выясняем, что они ортогональны, не создают помех друг другу.

Но что будет, если синхронизация нарушится, один сигнал передается с опережением или запаздыванием, т.е. они сдвинуты друг относительно друга. Во втором случае при перемножении и сложении в результате получили значение 4, а не 0, следовательно ортогональность нарушена. И сигналы будут создавать помехи друг другу и увеличится вероятность ошибки. 

Ёмкость системы

Емкость системы, т.е. максимальное количество абонентов, которые могут одновременно передавать информацию определяется количеством последовательностей Уолша в ортогональной системе. Каждому передатчику должна быть выделена своя кодовая последовательность. 

Если ортогональная система состоит из 8 последовательностей, то только 8 передатчиков могут одновременно передавать информацию и не создавать помеху друг другу. 

Длина последовательности Уолша равна количеству последовательностей в ортогональной системе.

Получение последовательностей Уолша. Матрица Адамара

Одним из способов получения последовательностей Уолша – взять матрицу Адамара.

Каждая строка (столбец) матрицы Адамара – это последовательность Уолша.

Матрица Адамара – это полная ортогональная система последовательностей Уолша.

Получение матрицы Адамара:

Для кодового разделения каналов необязательно применение кодов Уолша. Возможно применение других ортогональных кодов и слабо коррелированных кодов.

Слабо коррелированные коды:

  • М-последовательности;
  • коды Голда;
  • коды Касами и др. 

Спасибо за прочтение статьи, переходи в раздел “радиосвязь”, там много полезной информации. 

Источник: https://ZvonDoZvon.ru/radiosvyaz/cdma

12. Методы расширенного спектра. Теоретические основы цифровой связи

6.1. Кодовые последовательности для расширения спектра в радиосистеме

12.1. Расширенный спектр

12.1.1. Преимущества систем связи расширенного спектра

12.1.1.1. Подавление помех

12.1.1.2. Снижение плотности энергии

12.1.1.3. Высокая временная разрешающая способность

12.1.1.4. Множественный доступ

12.1.2. Методы расширения спектра

12.1.3. Моделирование подавления интерференции с помощью расширения спектра методом прямой последовательности

12.1.4. Историческая справка

12.1.4.1. Передача или хранение опорного сигнала

12.1.4.2. Шумовые колеса

12.2. Псевдослучайные последовательности

12.2.1. Свойства случайной последовательности

12.2.2. Последовательности, генерируемые регистром сдвига

12.2.3. Автокорреляционная функция псевдослучайного сигнала

12.3. Системы расширения спектра методом прямой последовательности

12.3.1. Пример схемы прямой последовательности

12.3.2. Коэффициент расширения спектра и производительность

12.4. Системы со скачкообразной перестройкой частоты

12.4.1. Пример использования скачкообразной перестройки частоты

12.4.2. Устойчивость

12.4.3. Одновременное использование скачкообразной перестройки частоты и разнесения сигнала

12.4.4. Быстрая и медленная перестройка частоты

12.4.5. Демодулятор FFH/MFSK

12.4.6. Коэффициент расширения спектра сигнала

12.5. Синхронизация

12.5.1. Первоначальная синхронизация

12.5.1.1. Структуры корреляторов

12.5.1.2. Последовательный поиск

12.5.1.3. Последовательная оценка

12.5.2. Сопровождение

12.6. Учет влияния преднамеренных помех

12.6.1. «Состязание» с помехами

12.6.1.1. Типы преднамеренных помех

12.6.1.2. Защита от помех

12.6.1.3. Отношение J/S

12.6.1.4. Порог сопротивляемости помехам

12.6.2. Подавление сигнала широкополосным шумом

12.6.3. Подавление сигнала узкополосным шумом

12.6.4. Подавление сигнала разнотонными помехами

12.6.5. Подавление сигнала импульсными помехами

12.6.6. Создание ретрансляционных помех

12.6.7. Система BLADES

12.7. Использование систем связи расширенного спектра в коммерческих целях

12.7.1. Множественный доступ с кодовым разделением

12.7.2. Каналы с многолучевым распространением

12.7.3. Стандартизация систем связи расширенного спектра

12.7.4. Сравнительные характеристики систем DS и FH

12.8. Сотовые системы связи

12.8.1. CDMA/DS

12.8.2. Сравнительный анализ аналоговой частотной модуляции, TDMA и CDMA

12.8.3. Системы, ограниченные интерференцией и пространственными факторами

12.8.4. Цифровые сотовые системы связи CDMA стандарта IS-95

12.8.4.1. Прямой канал связи

12.8.4.2. Обратный канал связи

12.8.4.3. Типы приемников

12.8.4.4. Регулировка мощности

12.8.4.5. Алгоритм типичного телефонного звонка

12.1. Расширенный спектр

Изначально методы расширенного спектра (spread-spectrum — SS) применялись при разработке военных систем управления и связи.

К концу второй мировой войны в радиолокации расширение спектра применялось для борьбы с преднамеренными помехами [1], а в последующие годы развитие данной технологии объяснялось желанием создать помехоустойчивые системы связи.

В процессе исследований расширенному спектру нашлось и другое применение — снижение плотности энергии, высокоточная локация и использование при множественном доступе. Все эти практические приложения расширенного спектра будут рассмотрены в данной главе.

Методы расширенного спектра получили свое название благодаря тому, что полоса, используемая для передачи сигнала, намного шире минимальной, необходимой для передачи данных. Система связи называется системой с расширенным спектром в следующих случаях.

1. Используемая полоса значительно шире минимальной, необходимой для передачи данных.

2. Расширение спектра производится с помощью так называемого расширяющего (или кодового) сигнала, который не зависит от передаваемой информации. Подробное описание таких сигналов приводится в последующих разделах главы.

3. Восстановление исходных данных приемником («сужение спектра») осуществляется путем сопоставления полученного сигнала и синхронизированной копии расширяющего сигнала.

Следует отметить, что расширение спектра сигнала также происходит при использовании некоторых стандартных схем модуляции, таких как частотная и импульсно-кодовая модуляция. Однако эти схемы не относятся к методам расширенного спектра, поскольку не удовлетворяют всем приведенным выше условиям.

12.1.1.1. Подавление помех

По определению белый гауссов шум — это математическая модель шума бесконечно большой мощности, равномерно распределенного по всему спектру частот.

Наличие такого шума не обязательно означает отсутствие эффективной связи, поскольку интерферировать с сигналом могут лишь шумовые составляющие ограниченной мощности, находящиеся в сигнальном пространстве (другими словами, имеющие те же координаты, что и компоненты сигнала). Прочие составляющие эффективно отсеиваются детектором. Для типичного узкополосного сигнала это означает, что характеристики связи ухудшают только шумы, находящиеся в диапазоне сигнала. Поскольку изначально методы расширенного спектра разрабатывались для военных систем связи, работающих при повышенном уровне помех, создаваемых противником, вначале будет рассмотрена помехоустойчивость данных методов.

Рассмотрим основополагающий принцип применения расширенного спектра для создания помехоустойчивых систем связи. Предположим, что для передачи сигнала можно использовать множества ортогональных координат (или измерений), причем в каждый момент времени используется только малая их часть.

Допустим также, что станция-постановщик помех не способна определить подмножество координат, используемое в данный момент. Количество координат для сигнала с шириной полосы W и длительностью Т будет приблизительно равно 2WT [2].

При определенном построении системы вероятность ошибки в ней будет функцией только Eb/N0. При наличии белого гауссова шума бесконечно большой мощности использование расширения (т.е. больших значений 2WT) не улучшает качества связи.

В то же время, если шум происходит от постановщика помех с постоянной конечной мощностью и нельзя точно установить координаты сигнала в пространстве сигналов, то для подавления сигнала можно использовать только следующие методы.

1. Создание помех равной мощности во всем сигнальном пространстве. В таком случае мощность помех на каждой координате будет небольшой.

2. Создание помех большей мощности для небольшого количества координат диапазона (более общий случай — создание помех различной мощности для всех координат диапазона).

На рис. 12.1 приводится сравнение систем с расширенным спектром при наличии белого шума и при постановке преднамеренных помех. Спектральная плотность мощности сигнала обозначается G(f) до расширения и GSS(f) после расширения.

Для простоты на рисунке рассматривается только частотный диапазон. Как показано на рис. 12.1, а, односторонняя спектральная плотность мощности белого шума N0 не изменяется при расширении полосы сигнала с W до Wss. Средняя мощность белого шума (площадь под кривой спектральной плоскости) является бесконечной.

Следовательно, расширение не улучшает качества связи. На рис. 12.1, б (верхняя диаграмма) представлено создание намеренных помех ограниченной мощности J.

Спектральная плотность мощности в данном примере равна f0=J/W, где W — ширина нерасширенной полосы, подвергающейся воздействию помех. После расширения диапазона сигнала станция намеренных помех может использовать один из двух изложенных выше методов.

Для метода 1 это означает рассеивание спектральной плотности шумов f0 по всему диапазону сигнала (на единицу ширины полосы теперь приходится в (W/WSS) раз меньшая мощность помех).

Получаемую спектральную плотность шумов J0=J/WSS называют спектральной плотностью шума широкополосного постановщика помех. При использовании метода 2 уменьшается количество точек диапазона, в которых создаются помехи. В то же время постановщик помех может увеличить спектральную плотность шумов с J0 до J0/ (0

Источник: https://siblec.ru/telekommunikatsii/teoreticheskie-osnovy-tsifrovoj-svyazi/12-metody-rasshirennogo-spektra

19.Расширение спектра. Цели и методы, типичные заблуждения. Метод прямой последовательности. Роль синхронизации приемника сигнала с расширенным спектром

6.1. Кодовые последовательности для расширения спектра в радиосистеме

Широкоераспространение методы SS получилиблагодаря ряду своих особенностей,важнейшая из которых — возможностьработать, не мешая друг другу, в соседствес другими системами радиосвязи (например,сотовыми или радиорелейными). Этопозволяет развертывать и эксплуатироватьтакие сети с соблюдением сравнительномягких условий лицензирования, а вомногих странах получение  лицензийна них вообще не требуется.

Существуютдва основных  метода широкополосноймодуляции сигнала: с прямым расширениемспектра (Direct Sequence Spread Spectrum — DSSS) и cперескоком частоты (Frequency Hopping SpreadSpectrum — FHSS).

В обоих случаях формируетсярадиосигнал, полоса частот которогозначительно превышает спектр сигналаисходного сообщения (последний как бы»размазывается» по всему рабочемудиапазону).

При этом, в отличии оттрадиционных радиотехнологий сузкополосной модуляцией, энергияполезного сигнала не сосредоточена нанебольшом интервале вокруг центранесущего диапазона, а распределена повсему спектру.

В результате введениятакой частотной избыточности сигналстановится более устойчивым к помехами интерференции с сигналами другихсистем или с собственными отраженнымисигналами. Малая спектральная плотностьмощности радиосигнала ограничиваетрадиус зоны покрытия систем SS (что иявляется одной из причин отсутствияжесткого лицензирования), однако длябольшинства их приложений оказываетсявполне достаточной.

Методы расширения спектра

Прирасширеннии спектра информационногосигнала,ширина полосы частот полученного сигналастановится во много раз шире, чем полосаисходного сигнала.

  • FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) — расширение спектра со скачкообразной перестройкой частоты. Метод формирования сигнала, основанный на использовании широкополосных сигналов со скачкообразной перестройкой частоты.

  • DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) — расширение спектра методом прямой последовательности. Метод формирования широкополосного сигнала, при котором исходный двоичный сигнал преобразуется в псевдослучайную последовательность для манипуляции несущей. В эфир передается шумоподобный сигнал, обладающий всеми свойствами аддитивного белого шума.

Технология расширения спектра методом прямой последовательности (dsss)

Основнаяидея технологии расширения спектра(Spread Spectrum, SS) заключается в том, чтобы отузкополосного спектра сигнала,возникающего при обычном потенциальномкодировании, перейти к широкополосномуспектру. Именно это позволяет значительноповысить помехоустойчивость передаваемыхданных. Рассмотрим более детально, какэто происходит.

Припотенциальном кодировании информационныебиты 0 и 1 передаются прямоугольнымиимпульсами напряжений.

Из курса математикии физики хорошо известно, что любуюфункцию и соответственно любой сигнал(ограничения, налагаемые на функцию, мыдля простоты опускаем) можно представитьв виде дискретного или непрерывногонабора гармоник — синусоидальныхсигналов с определенным образомподобранными весовыми коэффициентамии частотами. Такое представление называютпреобразованием Фурье, а сами частотыгармонических сигналов образуютспектральное разложение функции.

Кпримеру, при передаче прямоугольногоимпульса длительностью T спектр сигналаописывается функцией

 ,где   —частота спектральной составляющей.

Рис. 4. Спектр прямоугольного импульса длительностью T

Несмотряна бесконечный спектр сигнала, наиболеевесомые гармоники, то есть вносящиезначительный вклад в результирующийсигнал, сосредоточены в небольшойчастотной области, ширина которойобратно пропорциональна длительностиимпульса.

Таким образом, с хорошейстепенью точности исходный сигнал можнопредставить как суперпозицию гармоникв спектральной полосе, ширина которойравна длительности импульса T.Соответственно, чем меньше длительностьимпульса, тем больший спектральныйдиапазон занимает такой сигнал.

Длятого чтобы повысить помехоустойчивостьпередаваемого сигнала, то есть увеличитьвероятность безошибочного распознаваниясигнала на приемной стороне в условияхшума, можно воспользоваться методомперехода к широкополосному сигналу,добавляя избыточность в исходный сигнал.

Для этого в каждый передаваемыйинформационный бит «встраивают»определенный код, состоящий изпоследовательности так называемыхчипов

Рис. 5. Изменение спектра сигнала при добавлении шумоподобного кода

Фактическиинформационный бит, представляемыйпрямоугольным им­пульсом, разбиваетсяна последовательность более мелкихимпульсов-чипов. В результате спектрсигнала значительно уширяется, так какширину спектра можно с хорошей степеньюточности считать обратно пропорциональнойдлительности одного чипа. Такие кодовыепоследовательности часто называютшумоподобными кодами.

Дело в том, чтонаряду с уширением спектра сигналауменьшается и спектральная плотностьэнергии. То есть энергия сигнала как бы«размазывается» по всему спектру.Результирующий сигнал становитсяшумоподобным в том смысле, что его теперьтрудно отличить от естественного шума.

Возникает вопрос — для чего усложнятьпервоначальный сигнал, если в результатеон становится неотличимым от шума? Делов том, что кодовые последовательностичипов обладают уникальным свойствомавтокорреляции. Попробуем на интуитивномуровне пояснить, в чем смысл корреляции.

Под корреляцией в математике понимаютстепень взаимоподобия двух функций, тоесть насколько две различные функциипохожи друг на друга. Соответственнопод автокорреляцией понимается степеньподобия функции самой себе в различныемоменты времени.

Например, если некотораяфункция зависит (меняется) от времении эта зависимость выражается в виде ,то можно рассмотреть функцию в некоторыймомент времени ив момент времени .Степень соответствия этих двух функцийдруг другу в различные моменты времении называется автокорреляцией.

Оказывается,что можно подобрать такую последовательностьчипов, для которой функция автокорреляции,отражающая степень подобия функциисамой себе через определенный временнойинтервал, будет иметь резко выраженныйпик лишь для одного момента времени.

Тоесть функция будет подобна самой себетолько для одного момента времени исовсем не похожа на себя для всехостальных моментов времени. Одна изнаиболее известных (но не единственная)таких последовательностей — кодБаркера длиной в 11 чипов: 11100010010. КодыБаркера обладают наилучшими средиизвестных псевдослучайных последовательностейсвойствами шумоподобности, что иобусловило их широкое применение. Дляпередачи единичного и нулевого символовсообщения используются соответственнопрямая и инверсная последовательности.

Дляупрощенного вычисления автокорреляционнойфункции последовательности Баркераможно рассчитать разницу между числомсовпадений и несовпадений междуотдельными чипами последовательностипри их циклическом почиповом сдвигеотносительно друг друга.

Таблица1. Вычисление автокорреляционной функциипоследовательности Баркера

Сдвиг

Последовательность

Результат корреляции

0

1

1

1

0

0

0

1

0

0

1

0

1

0

1

1

1

0

0

0

1

0

0

1

-1

2

1

0

1

1

1

0

0

0

1

0

0

-1

3

0

1

0

1

1

1

0

0

0

1

0

-1

4

0

0

1

0

1

1

1

0

0

0

1

-1

5

1

0

0

1

0

1

1

1

0

0

0

-1

6

0

1

0

0

1

0

1

1

1

0

0

-1

7

0

0

1

0

0

1

0

1

1

1

0

-1

8

0

0

0

1

0

0

1

0

1

1

1

-1

9

1

0

0

0

1

0

0

1

0

1

1

-1

10

1

1

0

0

0

1

0

0

1

0

1

-1

11

1

1

1

0

0

0

1

0

0

1

0

11

Каквидно из Таблицы 1. последовательностьБаркера обладает ярко выраженнымавтокорреляционным пиком, соответствующимналожению функции самой на себя. Проведяаналогичные расчеты, нетрудно убедиться,что другие последовательности необладают подобным свойством, то естьимеют несколько пиков корреляции,которые значительно снижаютпомехоустойчивость передаваемогосигнала.

Вприемнике полученный сигнал умножаетсяна код Баркера (вычисляется корреляционнаяфункция сигнала), в результате онстановится узкополосным, поэтому егофильтруют в узкой полосе частот, равнойудвоенной скорости передачи.

Любаяпомеха, попадающая в полосу исходногоширокополосного сигнала, после умноженияна код Баркера, наоборот, становитсяширокополосной, поэтому в узкуюинформационную полосу попадает лишьчасть помехи, по мощности примерно в 11раз меньшая чем помеха, действующая навходе приемника.

Итак,основной смысл использования кодовБаркера заключается в том, чтобы, имеявозможность передавать сигнал практическина уровне помех, гарантировать высокуюстепень достоверности принимаемойинформации.

Какизвестно, радиоволны приобретаютспособность переносить информацию втом случае, если они определенным образоммодулируются.

При этом необходимо, чтобымодуляция синусоидального несущегосигнала соответствовала требуемойпоследовательности информационныхбит. Существует три основных типамодуляции: амплитудная, частотная ифазовая. В стандарте IEEE 802.

11 для передачисигналов используют фазовую модуляцию,поэтому остановимся на ней болееподробно.

МетодыDSSS и FHSS

Обетехнологии расширения спектра DSSS и FHSSоснованы на применении  двухэтапноймодуляции несущей.

Пометоду DSSS каждый бит исходного сообщенияпредставляется специальными 11-разряднымикодовыми комбинациями (путем выполнениялогической операции «исключающееИЛИ» ) и уже результирующаяпоследовательность модулируетпередаваемый в эфир радиосигнал (приэтом используется фазовая модуляциянесущей PSK: при каждом изменениилогического уровня из 0 в 1 или из 1 в 0происходит смещение фазы снусоидальногоколебания). Псевдослучайные кодовыекомбинации, придают радиосигналухарактер шума, в 11 раз увеличивая спектрчастот исходного узкополосного сигналаи распределяя его мощность по всемудиапазону. Для выделения полезнойинформации приемная сторона используетту же кодовую последовательность.Поддержание синхронности фазы несущегоколебания в приемнике и передатчикеосуществляется последним посредствомформирования через определенныепромежутки времени специальногосинхросигнала.

Согласнометоду FHSS модулирование несущегорадиосигнала выполняется непосредственноисходным сообщением с использованиемчастотной модуляции, при которой передачалогических уровней 0 и 1 осуществляетсяна частотах, расположенных нескольковыше или ниже центральной.

Расширениеспектра производится периодическим, всоответствии с заданной последовательностью,используемой и передатчиком и приемником,изменением значения самой центральнойчастоты (стандартом IEEE 802.

11 предусмотрены79 возможных значений несущего колебания),причем длительность удержания частотына каждом уровне (dwell time) составляет 20мс.

  Строго говоря, сигнал FHSS можносчитать широкополосным только надостаточно большом интервале времени,включающем много периодов удержания,поскольку на каждом из последних диапазончастот передаваемого радиосигналаопределяется спектром исходногосообщения, т.е. фактически являетсяузкополосным.

Помехоустойчивость

Узкополосныепомехи

Всистемах DSSS энергия полезного сигналараспределена по всему диапазону радиоволн(для обеспечения максимальной скоростипередачи данных 11 Мбит/с, предусмотреннойстандартом IEEE 802.11, требуется полосачастот примерно 22 МГц), поэтому во входныхцепях приемных устройств используютсяширокополосные фильтры.

Наличиеузкополосных помех небольшой интенсивностина любой из частот диапазона не приводитк сбоям (информация восстанавливаетсяв приемнике из «неповрежденных»участков спектра), однако если по энергиипомеха сопоставима с полезным сигналом,то работа системы может быть полностьюзаблокирована.

В системах FHSS вероятность появления помех повышаетсяза счет более широкого диапазонаиспользуемых частот (83,5 МГц), однакоесли паразитный сигнал занимает узкийучасток спектра, то его  воздействиескажется только на отдельных скачкахс близким значением несущей.

Результатомбудет лишь некоторое снижениепроизводительности системы (из-занеобходимости повторения испорченногофрагмента сообщения на следующемскачке).

Широкополосныепомехи

Активностьнескольких радиосистем, расположенныхпо-соседству, может приводить к повышениюобщего уровня зашумленности эфира на достаточно протяженных участкахспектра.

И хотя, в принципе, применяемаяв системах DSSS фазовая модуляциярадиосигнала позволяет работать приболее высоком отношении сигнал/шум, чемчастотная модуляция несущей, используемаяв устройствах FHSS, вероятность появленияпомехи, охватывающей полосу в 20 МГц значительно выше, чем весь 80-МГц диапазон.

Поэтому на практике системы FHSS оказываютсяболее устойчивыми к широкополоснымпомехам и могут продолжать работать(хотя и с пониженной пропускнойспособностью) в условиях, когда системыDSSS уже не способны нормально восприниматьполезный сигнал.

Интерференционныепомехи

Интерференционныепомехи, возникающие из-за многократногоотражения радиоволн от окружающихпредметов, проявляются в одновременномпоступлении в приемник множества «копий»полезного сигнала со смещеными фазами,что может приводить к его ослаблениюили даже полному исчезновению наотдельных участках спектра (так называемый»фединг»).

При одних и тех же внешнихусловиях системы DSSS оказываются болееустойчивыми к федингу, чем FHSS (как и вслучае узкополосных помех, полезныйсигнал оказывается искаженным толькона отдельных частотах), однако онигораздо чувствительнее к смещению вовремени продетектированного двоичногосигнала —  из-за значительно болеекороткой (примерно в десять раз)длительности импульсов возрастаетвероятность неправильной интерпретацииуровней 0 или 1 при стробировании.

Пропускнаяспособность

Длясистем DSSS и FHSS, основанных на спецификацияхбазового стандарта IEEE 802.11, определенаскорость передачи данных 1 и 2 Мбит/с.

Поскольку здесь имеются ввиду все битысообщения, а полезная информациясоставляет лишь часть кадра, включающеготакже служебные разряды (например,контрольные), то реальная пропускнаяспособность системы оказывается меньше.

Дополнительные «накладные расходы»вносят и сами протоколы передачи данных(процедуры обмена служебными кадрамипри «опознавании» рабочих станций,для целей синхронизации, повторнойпередачи информационных кадров приобнаружении ошибок и т.д.)

Всреднем системы DSSS, работающие наскорости 2 Мбит/с, имеют пропускнуюспособность 1,4 Мбит/с. Для систем FHSS этотпоказатель несколько ниже из-задополнительных потерь на синхронизациюпередатчика  и приемника после каждогопереключения на новую частоту.

Увеличениеобщей пропускной способности можнополучить за счет развертывания в однойзоне нескольких систем.  В случаеDSSS это  можно было бы сделать на основетехнологии кодового разделения каналовCDMA, т.е.

применяя в них различные,некоррелированные между собой (такназываемые ортогональные) кодовыепоследовательности. Свойствоортогональности  позволяет приемнымустройствам надежно выделятьпредназначенную им информацию,восприннимая радиосигналы от другихсистем как шум.

Однако практическомуиспользованию метода CDMA препятствуетбыстрый рост длины ортогональныхпоследовательностей  с увеличениемих числа.

  Так, например, для развертывания6 независимых систем DSSS потребовалосьбы использовать 31-разрядныепоследовательности (представляющиекаждый бит информационного сообщения)и необходимая полоса частот дляобеспечения максимальной скоростипередачи данных в 11 Мбит/с превысила бывесь отведенный для таких системдиапазон.

Источник: https://studfile.net/preview/7334370/page:9/

Scicenter1
Добавить комментарий