Ипатов В. Широкополосные системы и кодовое разделение сигналов (2007), страница 4

Примером этого может служить канал «вверх» (между абонен гом и базовой станцией) в сетях мобильной телефонии ОБМ. При начальной скорости передачи оцифрованной речи в 9,6 кбит/с абонентский сигнал занимает полосу порядка 200 кГц, что может спровоцировать отнесение 6ЯМ к разряду широкополосных систем. Однако расширение полосы обратного канала СБМ системы не связано с идеей широкополосной передачи: единственной причиной значительного превышения полосы над скоростью является использование множественного доступа с временным разделением, который вынуждает работать с символами гораздо меньшей длительности, чем временной интервал, приходящийся на один бит информации.

Существует еще один стимул к поиску альтернативных определений. Даже если игнорировать упомянутые несоответствия, привязка понятия широкополосности к скорости передачи или полосе, занимаемой сообщением, возможна только в применении к системам передачи данных, тогда как обсуждаемая философия характерна и для многих других приложений,таких как радиолокация, гидролокация,навигация, управление удаленными объектами, разрешение сигналов и пр. Более того, назван- ные приложения были в числе первых, где преимущества широкополосной технологии получили практическое подтверждение. В них, однако, такие категории, как «информационная скорость» или «полоса сообщения», нередко оказываются довольно надуманными или, по крайней мере, не имеют отношения к концепции широкополосности. Для универсализации определения широкополосности, охвата им не только систем связи, но и других приложений, более подходящей представляется следующая трактовка.

Обратимся к принципу неопределенности Габера, согласно которому произведение длительности на полосу сигнала (часп«отно-временное произведение) удовлетворяет неравенству ЪУТ > а, в котором константа а зависит от способа определения длительности и полосы, однако в любом случае имеет порядок единицы. Сигнал, для которого %Т = 1 и, значит, длительность и полоса строго связаны друг с другом, может быть назван просп»ь«м (в противоположность широкополосному).

Единственным способом расширения полосы простого сигнала является уменьшение его длительности, т.е. укорочение. С другой стороны, детерминированный сигнал, для которого И' Т» 1 и полосой которого можно управлять независимо от длительности, называется сигналом с расширенным спектром или широкополосным (другие названия — сложный, шумоподобный). Другими словами, энергия широкополосного сигнала более или менее равномерно «размазана» по прямоугольнику на плоскости время — частота, площадь которого значительно больше единицы. Данное определение автоматически распространяется и на системы: система, использующая сигналы с расширенным (распределенным) спектром, является широкополосной. Отметим, что в приведенном определении особо подчеркнута независимость длительности и полосы, означающая возможность расширения спектра (увеличения длительности) без укорочения сигнала во временной (частотной) области.

Тем самым акцентируется преимущественная роль угловой (частотной или фазовой) модуляции в любых технологиях расширения спектра. Действительно, каким образом амплитудная модуляция может способствовать расширению спектра? Единственный ответ— только сокращением временной зоны, в которой сконцентрирована основная энергия сигнала, т. е.

за счет уменьшения эффективной длительности. Тем самым, лишь угловая модуляция позволяет расширять спектр сигнала, не оказывая влияния на распределение его энергии во временной области. Иллюстрацией вышесказанному служит рис. 1.2, на котором представлены два прямоугольных импульса одинаковой длительности Т и несущей частоты 1е: сигнал без внутренней модуляции (а) и сигнал с линейной частотной модуляцией с девиацией И~а = 20(Т 1б). Нижние кривые со- ~.а.кр ш ° р -м кр ДЗ ответствуют энергетическим спектрам этих сигналов. Для рисунка (а) полоса И' — ЦТ, а значит, энергия сигнала в частотной области сконцентрирована на интервале, примерно обратном длительности импульса, т. е.

длительность и полоса жестко связаны, частотно — временное произведение фиксировано н, следовательно, расширение спектра может быть достигнуто только в обмен на укорочение импульса. В свою очередь полоса, занимаемая импульсом (б), близка к значению девиации (И' — И'4) н значительно больше, чем величина, обратная длительности. В результате независимо от длительности сигнала полоса легко регулируется изменением лишь девиации. В свете введенного определения первый сигнал является простым, а второй — широкополосным. л11) 1,О л(1) 1,0 0,5 о,е о,о о,о -0,5 -1,О -1,О 0,0 0,2 0,4 0,8 0,8 1,0 1,2 1,4 0,0 0,2 0„4 0,8 0,8 1,0 1,2 1,4 — 1ООΠ—" 8ОО 1ООО е 800 еоо еоо 4ОО 4ОО 2ОО 200 о б) а) Рис.

1.2. Немодулированный (а) и частотно-модулированный (б) прямоугольные импульсы и их спектры ! .2. Краткий исторический обзор История широкополосной технологии охватывает более шести десятилетий и может служить предметом отдельного исследования. Читатель, Заметим, что упомянутое определение широкополосности было исторически первым в применении к радиолокационным и родственным им системам, однако оно хорошо согласуется и с задачами передачи информации.

Поэтому оно и принято за основу в последующих разделах книги. ~~~24 Глава 1. Широкополосные сиеналы и системы интересующийся хронологией ключевых событий, может обратиться к подробным (хотя и ограничивающимся в основном итогами развития данного направления в США) обзорам в ~9, 10). Здесь же уместно лишь кратко остановиться на главных исторических вехах. По-видимому, первый патент на радар, который в современной терминологии можно без сомнения отнести к широкополосным, был получен Г. Гуанеллой (Спапе11а) в 1938 г.

Во время Второй мировой войны и после нее интенсивные исследования в области разработки широкополосных РЛС были предприняты в Германии, США, Великобритании и СССР. Одновременно с развитием технологической и технической базы проводились фундаментальные теоретические исследования, нацеленные на повышение точности и разрешающей способности радара. Наиболее важные и глубокие результаты в этом направлении были опубликованы в книге П.М. Вудворда (Жоо«Ькаг«1) в 1953 г. Попутно можно заметить, что многие из этих результатов связаны с фундаментальными положениями работ К.

Шеннона и В.А. Котельникова 1946 — 48 гг., роль которых, тем самым, выходит далеко за рамки «чисто«коммуникационных приложений. Неудивительно, что в течение длительного периода значительная доля информации о новых практических разработках в области широкополосной радиолокации и навигации была засекречена, поскольку большинство подобных проектов курировались военными и разведывательными службами.

Тем не менее, многие идеи, по мере их материализации в системах массового применения, обретали широкую известность. Ярким примером подобного рода может служить всемирная радионавигационная система «Лоран — С«, поэтапно развертывавшаяся с начала 60-х годов, в которой наземные длинноволновые радиомаяки излучают «подлинно» широкополосные (фззоманипулированные) сигналы с частотно-временным произведением И~У = 16. Чтобы подчеркнуть жизнеспособность этой системы, отметим, что после перманентных доработок и модернизации она действует и в третьем тысячелетии.

Еще один прорыв в практическом применении широкополосной концепции в дальномерно — временных измерительных системах был сделан в конце 80-х — начале 90-х годов в ходе создания спутниковых радионавигационных систем второго поколения СРБ (США) и ГЛОНАСС (СССР/ Россия). Сигналы с очень большим значением частотно — временного произведения, измеряемого тысячами, составляют основу упомянутых систем, которые в настоящее время превратились в составную часть человеческой цивилизации наряду со спутниковым телевидением и мобильной связью.

Ранние работы по использованию широкополосных принципов в телекоммуникациях стимулировались главным образом задачами маскировки ««.«р ~ р г«р 2«у передаваемой речи и защиты информации. Перед Второй мировой войной они активно велись в Германии и вскоре были подхвачены в США, СССР и других странах. Интрига знаменитого романа А. Солженицына «В круге первом«разворачивается в специальной тюрьме (шарашке), где осужденные ученые и инженеры разрабатывали систему замаскированной шумом передачи речи. Среди поворотных событий в развитии широкополосной связи следует выделить появление алгоритма ВАКЕ, предложенного в 1957 г.

Р. Прайсом (РНсе) и П. Грином (Сгееп) и положившего начало технологии, впоследствии названной многолучевым разнесением (шпН1ра1Ь «11чегз1$у). Работы 60-х годов С. Голомба (Со1ошЬ), Н. Цирлера (Жет1ег), Р. Голда (Со14), Т. Касами (Каваш1) и других в области синтеза дискретных последовательностей со специальными корреляционными свойствами сыграли ключевую роль в совершенствовании широкополосной технологии и ее многочисленных практических приложениях. Старт эры коммерческого внедрения широкополосной идеологии пришелся на конец 70-х годов, когда сотовая телефония начала свое триумфальное покорение мира.

Первые предложения по созданию сетей на основе СОМА в США и Европе (1978 — 1980) были отвергнуты в пользу альтернативных проектов, зволюционировавших позднее в стандарты СБМ и ПАМР8. Однако в середине 90-х годов был разработан и реализован стандарт второго поколения 18-95, полностью основанный на платформе СПМА. С космической скоростью сети этого стандарта (позднее названного с«1шаОпе) распространились в странах Америки, Азии и на пространстве бывшего Советского Союза. Впечатляющий успех стандарта 18-95, подкрепленный тщательным анализом, дальнейшими экспериментами и доработками, привел к признанию широкополосной передачи и СПМА в качестве базовой платформы для основных проектов мобильной связи 3-го поколения: ЛОМТЯ (ЪУСПМА) и с«1ша2000. На момент завершения книги оба эти проекта находились в предэксплуатационной стадии, обещая материализоваться в виде основного инструмента мобильной связи на предстоящие десятилетия. Завершая вводную главу, необходимо добавить несколько слов о развитии широкополосных технологий в Советском Союзе и позже в России.

Обзоры, публикуемые на Западе, обычно весьма скудно освещают уровень отечественных достижений в данной области. Объективными причинами этого, характерными для периода холодной войны, были самоизоляция страны, жесткие ограничения на контакты отечественных специалистов с зарубежными коллегами и публикации за рубежом, непомерная и зачастую ненужная секретность и т.п. К тому же серьезным препятствием был и языковый барьер.