Скляр Б. Цифровая связь (2003) (1151859), страница 168
Текст из файла (страница 168)
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 расширяюи(его (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. Преимущества систем связи расширенного спектра 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 (см. раздел 3.1.3).
Для типичного видеосигнала 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 (коммерческое использование данных систем рассматривается в разделах 12.7 и 12.8).
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, ис- Г~ яюя 19 хватали ляг ~ * а г "псмтон пользуемое в данный момент. Количество координат для сигнала с шириной полосы И' и длительностью Т будет приблизительно равно 2И"Т [2].
При определенном построении системы вероятность ошибки в ней будет функцией только ЕЛУь. При наличии белого гауссова шума бесконечно большой мощности использование расширения (т.е, больших значений 2И'Т) не улучшает качества связи. В то же время, сели шум происходи~ от постановщика помех с постоянной конечной мощностью и нельзя точно установить координаты сигнала в пространстве сигналов, то лля 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 на каждой координате 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 Об) до расширения и О„(г) после расширения. Для простоты на рисунке рассматривается только частотный диапазон.
Как показано на рис. 12.1, а, односторонняя спектральная плотносп мошносги белого шума !Уь не изменяется при расширении полосы сигнала с И' до И'„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 Х Спектральная плотность мощности в данном примере равна Ге=ЛИ', где И' — ширина нерасширенной полосы, подвергающейся воздействию помех.
После расширения диапазона сигнала станция намеренных помех может испопьзовать один из двух изложенных выше методов. Для метода 1 зто означает рассеивание спектральной плотности шумов Уь по всему диапазону сигнала (на единицу ширины полосы теперь приходится в (И!И') раз меньшая мошносгь помех). Получаемую спектральную плотность шумов 2ь = ЛИ'„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 Уь до .9р (О< р< !), где р — часть полосы расширенного спектра, в которой создаются помехи.
При неудачном выборе координат постановки помех средняя их зффективносп будет ниже, чем при удачном. Чем больше набор координат для передачи сигнала, тем сложнее задача по его подавлению, и соответственно, связь будет более защищенной ог преднамеренных помех. Сравнение систем связи с расширенным спектром и нерасширенным должно производиться в предположении о равной полной средней мощности обеих систем. Поскольку плошадь под кривыми спектральной плотности мощности (ро!гег зресгга! г(епзйу — РЯЭ) представляет собой полную среднюю мощность, плошадь под кривыми РБР для расширенного и нерасширенного спектров должна быль неизменной. Таким образом, должно быть очевидно, что графики гл (1) на рис.
12.1, а и б имеют рззный масштаб. Возникновение помех не всегда является результатом преднамеренных действий. В некоторых случаях помехи могут быть следствием природных явлений. Кроме того, так называемый многолучевой э(й(сект способен вызвать самоинтерференцию, т.е. основной сигнал и его отражения, имеющие различные направления распространения, интерферируют между собой. з2 ! Рпепиоанннй сппмт До расширения иг До расширения = Гс(И(/(мти) Подавление после расширения (ввривнт т) блт(т) пм(П ~ — — и„— После расширения в) Подавление после расширения (ввриент 2) е) Рис.
!21. Расширение слектрш а) нри наличии белого шума; б) при постановке наме- ренных помех 12.1.1.2. Синя(ение плотности энергии Представим себе ситуацию, когда сигнал в процессе связи не должен быть получен никем, кроме определенного приемника. Устройства, используемые в таких случаях, называют системами связи с низкой вероятностью детектирования (ЕРЕ) — 1отн ргоЬаЫ!!(у ог" де(ес(юп) или же системами с низкой вероятностью перехвата (1Р1 — 1отт ргоЬаЫрду ог пцегсер(). Основной особенностью этих систем является минимальная вероятность детектирования сеанса связи кем-либо, кроме определенного приемника, при использовании минимальной мощности сигнала и оптимальной схемы передачи.
Следовательно, в контексте систем связи расширенного спектра распределение по множеству координат приводит к тому, что сигнал более равномерно и менее плотно (по сравнению с традиционными схемами модуляции) распределяется в заданной области спектра. Таким образом, не только повьцпается помехоустойчивость сигнала, но и снижается вероятность его перехвата. Для того, кто не располагает синхронизированной копией расширенного сигнала, данный сигнал будет теряться в шуме.
Для детектирования расширенного сигнала в заданном диапазоне )и' может быть использован радиометр. Как видно из рис. 12.2, раднометр состоит из полосового фильтра (Ьапдразз б1(ег — ВРР) с полосой И', схемы возведения в квадрат, которая обеспечивает положительную выходную мощность (поскольку детектируется энергия сигнала), а также интегрирующей схемы. В момент времени г= Т выход интегратора сравнивается с порогом. Если выход больше порога, считается, что сигнал присутствует, в противном случае считается, что сигнала нет. Подробное описание возможности детектирования сигналов расширенного спектра с помощью радиомстра и более сложных устройств, использующих особенности сигналов, приводится в работах 13, 4].
Глинн т 2 Моголы оасшиоенного спектра Решение Рис. 122 Родисметр 12.1.1.3. Хорошая временная раарвшающая способность Сигналы расширенного спектра могут использоваться для определения местоположения. Расстояние можно определить с помошью измерения задержки распространения импульсного сигнала. Как следует из рис. 12.3, погрешность такого измерения, Лг, прямо пропорциональна времени нарастания сигнала, которое, в свою очередь, обратно пропорционально ширине полосы сигнала: 1 сьг и' (12.1) Импульсный сигная вл и Время нарастания импуяьса 1 Иг Рис.
!23. Измерение времени задержки распространения При создании систем ЬР! может проявляться эффект снижения вероятности определения местопололгения (!.РРŠ— 1ош ргоЬаЬ!1Ху о! роз!!!оп бх), т.с. даже при детектировании наличия сигнала затруднительно определить местоположение передатчика. В некоторых системах связи расширенного спектра применяется метод снилсенил вероятности использования сигнала (!.РВŠ— 1оьу ргоЬаЬ(!11у оГ з!Впа! ехр!ойабоп), что усложняет идентификацию передатчика. Метод расширенного спектра может применяться для уменьшения плотности энергии сигнала, что иногда требуется для согласования систем связи с государственными стандартами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
