Беспроводные системы с расширением спектра

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 литературе 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.

Вам также может быть полезна лекция "2 Воздушно-капельные инфекции".

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. [kgl]

Поделитесь ссылкой:

Популярные услуги

Беспроводные системы с расширением спектра

Рекомендуемые материалы

Рекомендуемые лекции