Тема 6. Беспроводные системы с расширением спектра.

Рассматриваемые вопросы:

1.Расширение спектра сигнала для понижения уровня шума.

2.Расширение спектра методом прямой последовательности.

3. Многостанционный метод с кодовым разделением каналов.

4. Система со скачкообразным изменением частоты.

5. Расширение спектра с перестройкой во времени.

Основная литерНУра:

1.Радиосвязь/ Под ред. О.В.Головина. – М: Горячая линия - Телеком, 2001.

2.Карташевский В.Г. и др. Сети подвижной связи/ Карташевский В.Г., Семенов С.Н., Фирстова Т.В. – М: Эко- трендз, 2001.

3.Ратынский М.В. Основы сотовой связи/ Под ред. Д.Е.Зимина. – 2-е изд., перераб и доп. – М: Радио и связь, 2000.

Дополнительная литерНУра:

1.Печаткин А.В. Системы мобильной связи (1часть).- Р.: РГАТА им. П.А. Соловьева, 2007.

2.Интернет ресуры.

Различные виды цифровой модуляции были разработаны для того, чтобы максимально использовать ограниченную полосу пропускания, выделенную заданной цифровой системе связи. Клод Шеннон вывел формулу для емкости канала, ограниченного до W (в Гц), в котором сигнал искажается аддитивном белым гауссовым шумом с удельной мощностью N₀/2:

где Р_αν – средняя энергия входного сигнала.

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 тогда, когда количество поднесущих велико. В традиционных системах скорость передачи данных достигает максимума и становится близка к предельной пропускной способности канала при максимизации отношения сигнала к шуму.

Такую же пропускную способность канала можно получить, расширяя спектр сигнала до тех пор, пока уровень сигнала не станет ниже уровня шума. Это наблюдение и используется в системах с расширением спектра.

Самый распространенный тип системы с расширенным спектром, обозначаемый в литерНУре DSSS (расширение спектра методом прямой последовательности, англ. Direct Sequence Spread Spectrum). В системе DSSS спектр цифрового информационного сигнала расширяется путем прямого умножения на псевдослучайную последовательность. Оптимальным для приема сигналов, искаженных белым гауссовым шумом, является корреляционный приемник. Он перемножает искаженный принятый сигнал с известным, синхронизированным по отношению к принятому, опорным сигналом. Опорный – псевдослучайный сигнал, используемый в передатчике для представления информационных битов. Двоичные информационные сигналы имеют биполярное представление, т.е. поляризация псевдослучайной последовательности (ПСП) информационными битами эквивалентна умножению этой последовательности на -1 или +1. На основании выше изложенной можно сделать вывод о том, что ПСП рассматривается в качестве элементарного сигнала, характеризующего один информационный бит, в то время как та же самая последовательность с обратной полярностью представляет собой логическое отрицание бита. Эффект расширения спектра возможен и тогда, когда период псевдослучайной последовательности превышает длительность одного информационного бита. Система DS-SS представляет собой альтернативу системам с узкополосным каналом. Из свойств взаимной корреляции используемых псевдослучайных последовательностей можно вывести интересную особенность систем с расширенным спектром. Благодаря тому, что корреляционные устройства приемника пропускают только единственную последовательность, один и тот же спектр может разделяться между многими пользователями, применяющими различные псевдослучайные последовательности. Это свойство лежит в основе метода многостационного доступа с кодовым разделением каналов (англ.Cоde Division Multiple Access – CDMA). Основа CDMA – использование шумоподобной несущей с очень широкой полосой частот. Меняя фазу узкополосного сигнала в соответствии с псевдослучайной цифровой последовательностью, получаем шумоподобный сигнал с широким спектром, несущий информацию. Информационный сигнал как бы «расплывается» по спектру шумоподобного сигнала. В канале связи к сигналу добавятся помехи и сигналы других передатчиков, но они не совпадают по фазе с использованным шумоподобным сигналом. Поэтому после демодуляции получим почти чистую узкополосную составляющую – переданный поток данных.

Если свойства канала изменяются во времени, то может оказаться достаточно сложно обеспечить синхронный прием и, особенно, реализовать восстановление синхронизации с точностью до доли кодового импульса. В этом случае в системах с расширением спектра используются так называемые скачки частоты. При системе со скачкообразным изменением частоты (англ. Frequency Hopping Spreaс Spectrum – FH-SS) биты данных, которые дополнительно могут кодироваться с упреждающей коррекцией ошибок (FEC), воздействуют на выход модулятора частотной манипуляции (FSK). FSK-сигнал сдвигается по частоте на интервал, определяемый псевдослучайным генератором, который управляет синтезатором частот. Если синтезатор может сгенерировать 2m-1 различных частот, то выходная частота определяется m последовательными битами генератора ПСП. Из-за широкого частотного диапазона генерируемых сигналов очень сложно обеспечить фазовую синхронизацию между несущими, выбираемыми при последовательных скачках. Поэтому в приемнике используется некогерентный FSK-демодулятор. Скачки частоты происходят много раз за период трансляции одного информационного бита. Период FSK-модуляции Т_b разделен на множество коротких временных интервалов Т_h, называемых временем скачка. В этом случае говорят о быстром скачкообразном изменении частоты. Третий тип – системы расширения спектра с (псевдослучайной) перестройкой во времени (англ. Time Hopping Spread Spectrum, TH-SS). В такой системе период передачи информационного бита разделен на М_Т тактов (временных слотов). Генератор ПСП определяет номер временного слота для передачи информационного сигнала. Характерной чертой такой системы является ее пакетная природа. Сигнал передается в течение 1/М_Т-й части периода передачи информации. Обычно значение М_Т примерно равно 1000. Однако такое количество тактов создает серьезные проблемы с синхронизацией, 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. Наибольшее практическое значение имеют системы DS-SS и FH-SS.

Контрольные вопросы:

1. Назовите типы систем с расширенным спектром.

2. За счет чего в системе DS-SS расширяется спектр цифрового информационного сигнала?

3. Какое свойство лежит в основе метода CDMA?

4. В чем заключается принцип системы со скачкообразным изменением частоты (FH-SS)?

5.Поясните принцип работы системы расширения спектра с (псевдослучайной) перестройкой во времени.