Общее описание и преимущества CDMA

11 апреля 2013 - Админ

1. Общее описание и преимущества стандарта CDMA.

1.1 История развития

 

В последние годы значительный прогресс в телекоммуникационных технологиях достигнут благодаря переходу на цифровые виды связи, которые, в свою очередь, базируются на стремительном развитии микропроцессоров. Один из ярких примеров этого - появление и быстрое внедрение технологии связи с цифровыми шумоподобными сигналами и с методами многостанционного доступа с кодовым разделением каналов, теория которого была разработана в 1935 г. Хронология становления CDMA выглядит так:

  • 1935 г. - В СССР опубликована первая работа посвящённая обработке сложных сигналов - "Основы теории линейной селекции. Кодовое разделение каналов". Сборник ЛЭИС. Ее написал профессор Дмитрий Васильевич Агеев .Работа вышла небольшой брошюрой и содержала основы ортогонального разделения сигналов, разделения сигналов по форме.

  • 1942 г. - Голливудская актриса Хедди Ламарк во время второй мировой войны оставила свою профессию и занялась частотным кодированием. Она одной из первых разработала frequency hopping, "перескок частоты". Эти работы велись под грифом "секретно". Примерно в одно и то же время появились работы "Математическая теория связи" Клода Э. Шеннона и "Теория потенциальной помехоустойчивости" Владимира Александровича Котельникова. Шеннон и Котельников по сути создали научную базу для разработки технологии МДКР .

    •  

    1943 г. - В США описана система скрытой передачи речи, в которой информационный сигнал, сформированный с помощью узкополосной частотной модуляции гармонической поднесущей речевым сообщением, перемножался с широкополосным сигналом.
  • 1956 г. - Лабораторией Линкольна Массачусетского технологического института разработана и испытана в реальных условиях система телеграфной КВ радиосвязи "Rake" с разделением лучей и суммированием их энергий.

Филипп Годварт опубликовал принципиальнейшую работу "Принцип неопределенности в радиолокации", в которой было отмечено, что можно создать сигналы с базой значительно больше единицы. Это первый сигнал, относящийся к разряду широкополосных (ШПС). Параллельно в нашей стране был создан радиолокатор с линейно-частотной модуляцией. Начинались разработки систем МДКР именно с радиолокации, а только потом эти методы стали использоваться в радиоуправлении.

  • 1960 г. - В США выпущена система связи ARC-50. Ее экспериментальные исследования начались в 1956г. Система связи использовалась для организации обмена речевыми сообщениями между самолётом и наземными службами, а также для определения расстояния до самолёта. В ARC-50 впервые были использованы технические решения, которые в дальнейшем стали базовыми при проектировании систем связи с шумоподобными сигналами (ШПС).
  • 1960 г. - В США разработана специальная система телефонной связи с использованием ШПС RACEP, обеспечивающая связь с подвижными наземными абонентами.
  • 60-е годы - По мере развития методов аналого-цифрового преобразования речевых сигналов появились первые предложения использовать ШПС в коммерческих системах связи. В это же время фирмой Motorola предложена широкополосная система передачи речи с использованием дельта-функции.
  • 70-80 годы - В США активно внедрялись системы спутниковой связи, авиационные, сухопутной подвижной связи. Наиболее крупной явилась объединённая система распределения тактической информации JTIDS, созданная для нужд ВВС США. Другая военная система с ШПС SINCGARC предназначалась для обеспечения связи между наземными объектами и самолётами. Были созданы такие спутниковые системы как MIL-STAR для нужд стратегической и тактической связи, FLEITSATCOM для нужд тактической связи ВМС США и др.
  • Конец 80-х годов - В США развёрнута первая спутниковая система связи коммерческого назначения по технологии CDMA Omni TRACKS, разработанная компанией Qualcomm.

1988 г. - Ассоциация производителей оборудования сотовой связи (CTIA) опубликовала документ UPR, который определял требования к ССПС (Системам Сухопутной Подвижной Связи). К их числу относились:

  • десятикратное увеличение эффективности использования частотного спектра по сравнению с существующими аналоговыми системами;
  • обратная совместимость с существующими аналоговыми системами;
  • разумная стоимость абонентского терминала;
  • возможность введения новых услуг;
  • качественное улучшение предоставляемых услуг
  • 1991 г. - Компанией Qualcomm разработан проект стандарта IS-95.
  • 1993 г. - Ассоциацией производителей оборудования связи (TIA) утверждена базовая версия IS-95, и в июле 1993 г. Федеральная комиссия по связи США (FCC) признала в качестве стандарта IS-95 предложенную компанией Qualcomm технологию цифровой сотовой связи на основе CDMA.
  • 1995 г. - Эксплуатация первой коммерческой сотовой системы мобильной связи на базе технологии CDMA IS-95 в Гонконге.

.. На сегодня уже многие специалисты в сфере телекоммуникаций полагают, что технология сотовой связи с кодовым разделением каналов CDMA (Code Division Multiple Access) в ближайшие годы нового столетия затмит собой все остальные, вытесняя аналоговые NMT, AMPS и другие, составляя серьезную конкуренцию цифровым технологиям на базе TDMA.

1.2 Особенности

 

CDMA обеспечивает cущественное увеличение емкости сети. Как и метод множественного доступа, он подразумевает передачу голосовой информации только в оцифрованном виде. Не случайно подчеркивается, что этот метод возник недавно именно в телефонии - в основе его лежит давно применяемый в военной радиосвязи метод модуляции с использованием шумоподобного или широкополосного сигнала (ШПС: в англоязычной литературе используется термин spread spectrum, что переводится на русский язык как "распределенный", или "растянутый", "размытый" спектр). Полезная информация как бы "размазывается" по частотному диапазону, существенно более широкому, чем при традиционных способах модуляции сигнала (в данном контексте такой сигнал часто называют узкополосным). Осуществляется это за счет перемножения последовательности полезных битов информации на псевдослучайную последовательность более коротких импульсов. Полосы информационных сигналов могут быть расширены с коэффициентами от 10 до 10000 за счет представления их специальными двоичными последовательностями с использованием нескольких различных методов, описываемых ниже . В результате получается сигнал, который занимает больший частотный диапазон и имеет значительно меньшую интенсивность, чем получаемый при узкополосной модуляции.

В этом случае информацию можно принять , только зная последовательность, на которую был перемножен полезный сигнал при передаче, - в противном случае он будет выглядеть как шум (отсюда и название). В военных приложениях данный метод используется в первую очередь для защиты канала связи от перехвата (intercepting), помех (jamming) и подслушивания (covertness) . Для понимания принципа работы важно следующее: если два абонентских телефона, находящихся в зоне действия одной базовой станции, работают на общей частоте, но с разными кодирующими последовательностями, то эти сигналы практически не будут создавать помех друг для друга.

Все абонентские телефонные аппараты, работающие в зоне действия одной базовой станции, используют одну и ту же несущую частоту. Для передачи информации отводятся частотный диапазон ( для IS-95: шириной 1,25 МГц) и фрагменты общей "большой" псевдослучайной последовательности, по-разному смещенные от условно выбранного начала этой последовательности. Емкость ячейки сети CDMA определяется тем, насколько независимы друг от друга коды, используемые абонентскими аппаратами. При работе по этой технологии размер ячейки, качество звука и емкость оказываются тесно взаимосвязанными, поэтому при проектировании сети следует выбирать некое оптимальное решение; улучшить одну из этих характеристик можно только за счет ухудшения другой. Дело тут в следующем. Чем больше CDMA-каналов в данной ячейке сети, тем выше уровень взаимных помех из-за неполной независимости кодовых последовательностей. Отсюда ясно, что чем более низкое качество передачи звука считается приемлемым, тем больше каналов можно разместить в ячейке сети. Взаимная зависимость между размерами ячейки и емкостью сети обусловлена тем, что можно обеспечить заданное качество передачи речи, только если соотношение сигнал/шум оказывается выше определенного значения. Чем слабее сигнал (а при заданной мощности оборудования с увеличением размера ячейки сигнал становится слабее), тем меньшим должен быть уровень помех - а он зависит от числа используемых каналов.

Общеизвестно, что мобильный телефон обеспечивает не слишком высокое качество связи. В городах, где обычно и развертываются сети мобильной связи, имеется много индустриальных помех. Распространяясь между базовой станцией и мобильным аппаратом, радиоволна многократно отражается от препятствий; в результате интерференции сигналов, прошедших разными путями, интенсивность принимаемого сигнала может внезапно упасть. То есть сигнал от отправителя к получателю попадает не только по самому короткому пути - прямой, но и другими путями. Это свойство распространения радиосигнала называется многолучевостью. Многолучевое распространение может вызывать ряд нежелательных эффектов. Радиосигналы, доходя до получателя разными путями, будут испытывать соответственно разные временные задержки. В точке приема сигналы суммируются. Если при этом среди отраженных сигналов преобладают сигналы, синфазные прямому, сигнал усиливается, если больше противофазных - ослабевает. Такие явления, называемые в радиотехнике замираниями или федингами (fading), обычно наблюдаются в ограниченных пространственных областях, чьи форма и расположение определяются расположением зданий и длиной волны, на которой ведется передача. Наконец, качество связи заметно снижается при переходах мобильного абонента от одной ячейки сети к другой: во многих стандартах сотовой связи осуществляется так называемое "жесткое переключение" (hard handoff), при котором сначала разрывается связь с покидаемой ячейкой и только после этого устанавливается связь с новой.

С этих позиций очень большие преимущества с точки зрения качества связи дает применение широкополосной модуляции сигнала . Широкополосный сигнал значительно меньше страдает от помех, особенно узкополосных. Узкополосная помеха способна "испортить" широкополосный сигнал только в каком-то относительно узком частотном диапазоне, и полезная информация может быть восстановлена по неповрежденным участкам несущего диапазона. Это относится и к федингам, о которых говорилось выше: интерференция прошедших разными путями сигналов приводит к снижению суммарной интенсивности лишь в достаточно узком частотном диапазоне, и снова полезную информацию можно восстановить по неповрежденной части сигнала. Конечно, сигнал несколько ухудшается, однако это несопоставимо с потерями качества связи при использовании обычных методов модуляции.

Picture_2

Воздействие узкополосных помех (а) и федингов (б) на широкополосный сигнал.

Таким образом, можно сделать следующие выводы :

  • При перемещении точки приема условия периодически изменяются, так как сложение волн, приходящих с разных направлений, создает пространственную интерференционную картину (этот эффект особенно сильно сказывается на мобильных пользователях и типичен для узкополосных систем). Для систем со Spread Spectrum действие этого эффекта сильно ослабляется из-за того, что на разных частотах в пределах его широкого спектра создаются разные интерференционные картины, что и вызывает выравнивание результирующего сигнала.

  • Время задержки сигналов при прохождении больших расстояний может меняться из-за изменений характеристик среды распространения, причем это сказывается по-разному на сигналах, приходящих разными путями, что при сложении вызывает временные флуктуации уровня сигнала ( замирания). Несинфазное изменение уровня сигнала на разных частотах спектра Spread Spectrum сигнала приводит к сильному ослаблению этого эффекта на подобные системы.

 

Помимо повышения качества связи, устойчивость CDMA к федингам приводит к значительной экономии ресурса источников питания и улучшению экологических параметров мобильных телефонов. В других сетях мобильные телефоны обычно работают на более высокой мощности, чем это нужно для устойчивой связи с базовой станцией, что позволяет при внезапном возникновении фединга не потерять связь (происходит лишь значительное снижение ее качества). В CDMA же такой резерв не нужен, поэтому телефон может работать с меньшей мощностью передаваемого сигнала.

Этим не ограничиваются преимущества технологии CDMA, связанные с использованием широкополосной модуляции сигнала. Вместо жесткого переключения (hard handoff, или break before make) от ячейки к ячейке, принятого во всех прочих сотовых сетях, в CDMA можно использовать мягкий переход (soft handoff, или make before break): мобильный аппарат сначала устанавливает связь с базовой станцией, в зону действия которой он переходит, и только после этого освобождает канал в покидаемой ячейке. Это возможно за счет того, что и в покидаемой, и в новой ячейке используется одна и та же несущая частота. Данное преимущество заметнее всего сказывается на работе телефонов, находящихся в пограничной зоне между двумя ячейками, где уровни сигналов от базовых станций примерно одинаковы. Тогда выбор базовой станции в значительной степени определяется случайными причинами, и абонент подключается то к одной, то к другой станции. При жестком переходе частые переключения значительно ухудшают качество связи и даже могут привести к ее обрыву, а при мягком переходе ничего подобного не происходит.

Нижеследующее изложение принципов CDMA будет частично построено на описании некоторых действующих стандартов, таких как IS-95 и RadioEthernet (802.11).

 

2. Принципы кодового разделения каналов

Принципы кодового разделения каналов связи CDMA как уже отмечалось,основаны на использовании широкополосных сигналов (ШПС), полоса которых значительно превышает полосу частот, необходимую для обычной передачи сообщений, например, в узкополосных системах с частотным разделением каналов (FDMA). Основной характеристикой ШПС является база сигнала, определяемая как произведение ширины его спектра F на его длительность Т :

В= F*T

В результате перемножения сигнала источника псевдослучайного шума с информационным сигналом энергия последнего распределяется в широкой полосе частот, т. е. его спектр расширяется. В радиоустройствах, построенные по технологии Spread Spectrum (распределенный спектр),расширение спектра передаваемого сигнала осуществляется при помощи псевдослучайной последовательности (Pseudorandom Number, PN), задающей алгоритм распределения. Каждое приемное устройство для декодирования сообщения должно знать кодирующую последовательность. Устройства, имеющие различные PN, фактически не "слышат" друг друга. Так как мощность сигнала распределяется по широкой полосе, сам сигнал оказывается "спрятанным" в шумах и по своим спектральным характеристикам также напоминает шум в радиоканале.

Метод широкополосной передачи был подробно описан К. Е. Шенноном, который первым ввел понятие пропускной способности канала и установил связь между возможностью осуществления безошибочной передачи информации по каналу с заданным отношением сигнал/шум и полосой частот, отведенной для передачи информации. Для любого заданного отношения сигнал/шум малая частота ошибок при передаче достигается при увеличении полосы частот, отводимой для передачи информации.

В цифровых системах связи, передающих информацию в виде двоичных символов, длительность ШПС Т и скорость передачи сообщений С связаны соотношением Т = 1/С. Поэтому база сигнала В = F/C характеризует расширение спектра ШПС (Sшпс) относительно спектра сообщения. Расширение спектра частот передаваемых цифровых сообщений может осуществляться разными методами и/или их комбинацией. Перечислим основные:

  • прямым расширением спектра частот (DSSS-CDMA);
  • с многоканальным расширением спектра частот (MC-CDMA)
  • скачкообразным изменением частоты несущей (FHSS-CDMA).

 

2.1. DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

При первом способе узкополосный сигнал (рис. 1) умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом повторения Т, включающую N бит последовательности длительностью to каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП N .

 

Рис. 1

 

Таким образом, для сдвига фазы несущей используется быстрый поток битов. Полоса расширяется искусственно за счет увеличения скорости передачи данных (увеличения количества передаваемых бит). Это сделано посредством замены каждого информационного бита пачкой из десяти или больше бит, называемых "чипами". При этом пропорционально расширяется и полоса частот. Такие битовые последовательности называются шумоподобными или PN .Эти двоичные последовательности специально генерируются таким образом, чтобы в них количество нулей и единиц было приблизительно равное. . Каждый из нулевых битов информационного потока заменяется PN-кодом, а единицы - инвертированным PN-кодом. Эта модуляция так и называется - модуляцией с разрядной инверсией. В результате этого смешивания получается PN-сигнал В корреляторе неинвертированный PN-код, близко совпадающий с локальным PN-кодом, генерирует бит информации "0". В то же время последовательность, соответствующая "1", приводит к полной декорреляции, так как для этого информационного бита PN-код инвертирован. Таким образом, коррелятор будет производить поток единиц для инвертированной PN-последовательности и поток нулей - для неинвертированной, что в конечном счете и будет означать восстановление переданной информации.. Иногда для передачи результирующего битового потока используется фазовый сдвиг 180 градусов, который называется двоичной фазовой модуляцией (манипуляцией) (binary phase-shift keying - BPSK). Или же (чаще всего) передача реализуется квадратурно-фазовой модуляцией (quadrature phase-shift keying - QPSK), то есть одновременно передается по два бита (число от 0 до 4), закодированных четырьмя различными сдвигами фаз несущей частоты . Передатчик с одним PN-кодом не может создать точно те же боковые полосы (спектральные составляющие) как другой передатчик, использующий другой PN-код.

Перемножение принятого сигнала и сигнала такого же источника псевдослучайного шума (ПСП), который использовался в передатчике, сжимает спектр полезного сигнала и одновременно расширяет спектр фонового шума и других источников интерференционных помех. Результирующий выигрыш в отношении сигнал/шум на выходе приемника есть функция отношения ширины полос широкополосного и базового сигналов: чем больше расширение спектра, тем больше выигрыш. Во временной области - это функция отношения скорости передачи цифрового потока в радиоканале к скорости передачи базового информационного сигнала. Для стандарта IS-95 отношение составляет 128 раз, или 21 дБ. Это позволяет системе работать при уровне интерференционных помех, превышающих уровень полезного сигнала на 18 дБ, так как обработка сигнала на выходе приемника требует превышения уровня сигнала над уровнем помех всего на 3 дБ. В реальных условиях уровень помех значительно меньше. Кроме того, расширение спектра сигнала (до 1,23 МГц) можно рассматривать как применение методов частотного разнесения приема. Сигнал при распространении в радиотракте подвергается замираниям вследствие многолучевого характера распространения. В частотной области это явление можно представить как воздействие режекторного фильтра с изменяющейся шириной полосы режекции (обычно не более чем на 300 кГц). В стандарте AMPS это соответствует подавлению десяти каналов, а в системе CDMA подавляется лишь около 25% спектра сигнала, что не вызывает особых затруднений при восстановлении сигнала в приемнике.

Чрезвычайно полезное свойство DSSS-устройств заключается в том, что благодаря очень низкому уровню мощности своего сигнала они практически не создают помех обычным радиоустройствам (узкополосным большой мощности), так как эти последние принимают широкополосный сигнал за шум в пределах допустимого. В другую же сторону - обычные устройства не мешают широкополосным, так как их сигналы большой мощности "шумят" каждый только в своем узком канале и не могут заглушить широкополосный сигнал весь целиком. Это как если бы тонким карандашом, но крупно написанная буква была бы заштрихована жирным фломастером - если штрихи легли не подряд, мы сможем прочесть букву.

В результате можно сказать, что использование широкополосных технологий дает возможность использовать один и тот же участок радиоспектра дважды - обычными узкополосными устройствами и "поверх них" - широкополосными.(например, сети AMPS/D-AMPS и IS-95)

Суммируя, мы можем выделить следующие свойства ШПС-технологии, по крайней мере для метода прямой последовательности:

  • Помехозащищенность.

  • Не создаются помехи другим устройствам.

  • Конфиденциальность передач.

  • Экономичность при массовом производстве.

  • Возможность повторного использования одного и того же участка спектра.

 

2.1.1 MC-CDMA (Multi Carrier - CDMA)

Данный метод является разновидностью DSSS . В 1993 г., Институт Технологий Связи (Institute for Communications Technology) представил новую синхронную схему совместного доступа. Предложенная схема объединяет преимущества метода DS-CDMA с эффективным Ортогональным Мультиплексированием с Разделением Частоты (OFDM) . Новая схема совместного доступа упоминается как многочастотная CDMA (MC-CDMA) или как OFDM-CDMA , и характеризуется высокой гибкостью и эффективностью использования частотного диапазона, сравнимой с DS-CDMA.

В системе MC-CDMA биты после канального кодирования преобразуются в чипы путем перемножения с кодовой последовательностью разделения пользователей, что необходимо для минимизации интерференции между абонентам. Для формирования этих кодов используется ортогональные функции Уолша . Ключевое свойство системы MC-CDMA в том, что все чипы, сопоставленные одному биту кода , передаются параллельно в узкополосных подканалах , с применением OFDM.

Наглядно это можно представить себе , рассмотрев эту технологию на основе стандарта 802.11. Представим, что вся используемая "широкая" полоса частот делится на некоторое число подканалов - (по стандарту 802.11 этих каналов 11 ). Каждый передаваемый бит информации превращается, по определенному алгоритму, в последовательность из 11 бит, и эти 11 бит передаются одновременно и параллельно, используя все 11 подканалов. При приеме, полученная последовательность бит декодируется с использованием того же алгоритма, что и при ее кодировке. Другая пара приемник-передатчик может использовать другой алгоритм кодировки-декодировки, и таких различных алгоритмов может быть очень много.

Очевидный результат применения этого метода - защита передаваемой информации от подслушивания ("чужой" приемник использует другой алгоритм и не сможет декодировать информацию не от своего передатчика). Но более важным оказалось другое свойство описываемого метода. Оно заключается в том, что благодаря 11-кратной избыточности передачи можно обойтись сигналом очень маленькой мощности (по сравнению с уровнем мощности сигнала при использовании обычной узкополосной технологии), не увеличивая при этом размеров антенн. При этом сильно уменьшается отношение уровня передаваемого сигнала к уровню шума, (т.е. случайных или преднамеренных помех), так что передаваемый сигнал уже как бы неразличим в общем шуме. Но благодаря его 11-кратной избыточности принимающее устройство все же сумеет его распознать. Это как если бы нам написали 11 раз одно и то же слово, и некоторые экземпляры оказались бы написаны неразборчивым почерком, другие полустерты или на обгоревшем клочке бумаги - но все равно в большинстве случаев мы сумеем определить, что это за слово, сравнив все 11 экземпляров.

На данном этапе для систем MС-CDMA используется полоса частот в 1.25 Мгц с разделением на 512 поднесущих . Как установлено в ходе тестирования, они менее чувствительны к проблеме "ближней-дальней" зоны, чем DS-CDMA системы.

2.2 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

Скачкообразное изменение частоты несущей во втором способе (рис. 2), осуществляется за счет быстрой перестройки выходной частоты синтезатора в соответствии с законом формирования псевдослучайной последовательности (ППРЧ, Frequency hopping CDMA [FHSS-CDMA] ). Каждая несущая частота и связанные с ней боковые полосы должны оставаться в пределах ширины полосы, определяемой FCC. Только в случае, когда предполагаемый получатель знает последовательность прыжков частоты передатчика, его приемник может следовать этим прыжкам частоты.

 

Рис. 2

При кодировке по методу частотных скачков (FHSS) вся отведенная для передач полоса частот подразделяется на некоторое количество подканалов (по стандарту 802.11 этих каналов 79). Каждый передатчик в каждый данный момент использует только один из этих подканалов, регулярно перескакивая с одного подканала на другой. Стандарт 802.11 не фиксирует частоту таких скачков - она может задаваться по-разному в каждой стране. Эти скачки происходят синхронно на передатчике и приемнике по заранее определенной псевдослучайной последовательности, известной обоим; ясно, что не зная последовательности переключений, принять передачу также нельзя.

Другая пара передатчик-приемник будет использовать другую последовательность переключений частот, заданную независимо от первой. В одной полосе частот и на одной территории прямой видимости (в одной "ячейке") таких последовательностей может быть много. Ясно, что при возрастании числа одновременных передач возрастает и вероятность коллизий, когда, например, два передатчика одновременно перескочили на частоту № 45, каждый в соответствии со своей последовательностью, и заглушили друг друга. Для случаев, когда два передатчика пытаются использовать ту же самую частоту одновременно, предусмотрен протокол разрешения столкновений, по которому передатчик делает попытку повторно послать данные на следующей в последовательности частоте.

Ниже приводятся диаграммы для некоторых видов частотной манипуляции (ЧМ) FHSS с разными размерностями базового набора частот.

  • Медленные " прыжки": Длительность передачи символа меньше времени нахождения на одной из подчастот. (т.е. , на каждом подканале может быть передано более одного символа)

Рис. 2.0.1

  • .Быстрые "прыжки" : Длительность передачи символа больше времени нахождения на одной из подчастот ( на каждом подканале передается лишь часть кода символа).

Рис.2.0.2

 

Как видно на нижней диаграмме, каждый символ передается одновременно на 2-х подчастотах , число чипов L=2.


Рис 2.0.3

  • Двоичная ЧМ занимает только часть общего диапазона.
  • Приемник осуществляет прием и принимает решение о принятом символе по мягкому или жесткому алгоритму.

2.2.1 Быстрая ППРЧ ЧМ в условиях многостанционного доступа

Передатчик имеет в своем составе:

  • Преобразователь "бит->символ"; M-позиционный.
  • Перемножитель с адресным кодом ( для абонентского разделения )
  • Синтезатор частот.

Представление сигналов посредством матрицы показывают планы частотного распределения

Пример: M=8 (8-позиционная ЧМ), L=4 (4 чипа/символ)

Рис.2.0.4

Каждый символ перемножается с адресным кодом корреспондента. Таким образом, исходный бит информации расширяется до 4-х (вводится избыточность), затем по определенному алгоритму в соответствии с адресом корреспондента формируется выходная параллельная частотная последовательность.

Рис.2.0.5.

На приеме происходит свертка сигнала в соответствии с принятым алгоритмом и адресной частью, как показано рис2.0.5.

Метод частотных скачков, так же как и описанный выше метод прямой последовательности, обеспечивает конфиденциальность и некоторую помехозащищенность передач, устойчивость к селективным замираниям. Помехозащищенность обеспечивается тем, что если на каком-нибудь из 79 подканалов передаваемый пакет не смог быть принят, то приемник сообщает об этом, и передача этого пакета повторяется на одном из следующих (в последовательности скачков) подканалов. С другой стороны, поскольку при использовании метода частотных скачков, в отличие от метода прямой последовательности, на каждом подканале передача ведется на достаточно большой мощности (сравнимой с мощностью обычных узкополосных передатчиков), про этот метод нельзя сказать, что он не мешает другим видам передач.

2.3. Сравнение методов

Сравнивнительный анализ двух методов показывает, что метод со скачками по частоте в общем случае обеспечивает лучшую избирательность по соседнему каналу. Однако, существующие правила требуют использования большого числа каналов псевдослучайным образом для обеспечения равномерной загрузки частотного диапазона. Селективное использование избранных каналов в методе FH запрещено. FCC позволяет FH-системам определять свой собственный канал, с шириной полосы частот вплоть до 1 MHz на 2.4 GHz. Время, в течение которого сигнал может присутствовать на любом из каналов, называется интервалом. Для устранения помех стандартному пользователю FCC требует, чтобы интервал был очень коротким и не превышал 10 миллисекунд, а количество каналов должно быть не меньше заданной величины. В нашей стране данный метод не получил широкого распространения из-за высокой стоимости госпошлин при регистрации радиооборудования в ГосСвязьнадзоре.

Пользователи систем Direct Sequence (DS) имеют определенную свободу в выборе каналов, что может улучшить надежность при работе в сильно загруженных диапазонах. DS-сигнал имеет меньшую мощность на заданной частоте, чем более узкополосный FH-сигнал. Иногда говорят, что DS -сигнал со своим расширенным спектром имеет худшее отношение сигнал-шум, чем более узкий (в каждый момент времени) FH сигнал. Смысл в том, что DS - модуляция приводит к понижению мощности сигнала на каждой конкретной частоте. Тем не менее прирост уровня полезного сигнала в процессе обработки в корреляторе восстанавливает явный недостаток мощности, когда коррелятор свертывает сигнал обратно вплоть до ширины полосы частот данных. В этом случае говорят об эффекте прироста сигнала в процессе корреляции (processing gain of the despreading correlation process). Это приводит к увеличению отношения сигнал-шум, что и необходимо для успешной передачи данных. Увеличение прироста соответствует количеству чипов на бит данных и может регулироваться разработчиком системы для получения необходимых характеристик системы. В действительности DS Spread Spectrum сигнал может быть принят, даже если уровень его сигнала ниже уровня шума.

 

2.4 Математическая база

2.4.1 Характеристики шумоподобных сигналов

Важным параметром ШПС-системы является (processing gain)- выигрыш при обработке (ВО). ВО показывает степень улучшения отношения сигнал/шум при преобразовании полученного приемником шумоподобного сигнала в требуемый информационный сигнал. Эта процедура получила название сжатия или дераспределения (despreading). Согласно классическому определению, ВО равен:


BO = 10 Lg [Ck / Cи] .

  • Ck - частота следования чипов псевдослучайной последовательности, чип/с;

  • Cи - скорость передачи информации, бит/с.

По этому определению система, которая имеет скорость передачи информации 1 Мбит/с и частоту следования чипов 11 Мчип/с (а значит, каждый бит информации кодируется псевдослучайной последовательностью из 11 битов), будет иметь ВО, равный 10,41 дБ. Полученный результат показывает, что работоспособность системы передачи информации сохранится с тем же коэффициентом BER, если полезный сигнал на входе уменьшится на 10,41 дБ.

В обычных коммерческих шумоподобных радиомодемах, таких как Arlan, Wavelan и т.п., наибольшее значение зачастую уделяется скорости передачи информации, а не скрытности или помехоустойчивости. Поскольку инструкциями Федеральной комиссии по связи в США для подобных устройств предусмотрено минимальное значение ВО = 10 дБ, а также выделена минимально допустимая ширина полосы частот одного канала (что накладывает ограничения на максимальную частоту следования чипов Сk), то длина псевдослучайной кодовой последовательности должна быть не менее 10 чипов на бит. Обычно для выполнение этого условия используется код Баркера длиной 11 чипов. Если увеличить длину кодовой последовательности до 64 чипов на бит (это максимально возможная длина для известного процессора ШПС Z87200 фирмы Zilog), то при той же частоте следования чипов 11 Мчип/с выигрыш при обработке будет 10Lg (64) = 18,06 дБ, а скорость передачи информации уменьшится в 64:11= 5,8 раза.

Для использования в ШПС-системе кодовые последовательности должны обладать определенными математическими и другими свойствами, основные из которых - хорошие автокорреляционные и взаимокорреляционные свойства. Кроме того, кодовая последовательность должна быть сбалансирована, то есть число единиц и нулей в ней должно отличаться не более чем на один символ. Последнее требование важно для исключения постоянной составляющей информационного сигнала.

В итоге приемник сравнивает полученную кодовую последовательность с точной ее копией, хранящейся в памяти. Когда он обнаруживает корреляцию между ними, то переходит в режим приема информации, устанавливает синхронизацию и начинает операцию декодирования полезной информации. Любые частичные корреляции могут привести к ложному срабатыванию и нарушению работы приемника, вот почему кодовая последовательность должна обладать хорошими корреляционными свойствами. Рассмотрим понятие корреляции более подробно.

2.4.2. Корреляция

Корреляция — фундаментальный процесс в Spread Spectrum системах, обеспечивающий выделение сигналов. Корреляция определяет степень подобия двух сигналов. Подобие часто выражается числом между нулем и единицей. Полное соответствие обычно обозначается нулем. Частные пары выдают значения между единицей и нулем, в зависимости от их схожести.

В Spread Spectrum приемнике корреляция используется для выделения сигнала, который был кодирован с проектированной последовательностью. Корреляция выполняется схемой, известной как коррелятор. Коррелятор обычно состоит из смесителя, который совмещен с узкополосным фильтром, выделяющим среднюю составляющую (рис.3). Два сигнала, которые нужно сравнить, перемножаются в смесителе. Совпадение сигналов выдает высокое значение выходного сигнала. При различии в сигналах выходной сигнал будет ниже в зависимости от того, как различны сравниваемые сигналы.

В DS-системе коррелятор используется, чтобы идентифицировать и обнаружить сигналы с необходимым PN-кодом. Spread Spectrum сигналы с другими PN-кодами или вообще не Spread Spectrum сигналы статистически отличны от спектра ожидаемого сигнала и дадут более низкий сигнал коррелятора. Ожидаемый сигнал будет иметь сильное соответствие с локально сгенерированным кодом и вызовет больший выходной сигнал коррелятора.

Необходимо обратить внимание, что функция усреднения, выполняемая коррелятором, вызывает появление сигнала на выходе с некоторой задержкой, равной длине PN-кода. Если во входном сигнале присутствуют шумы или помехи, некоторые из полученных первоначальных сигналов будет разрушены. Но вследствие усреднения они будут значительно ослаблены, в то время как ожидаемый сигнал выделится фильтром низких частот. Таким образом, фильтр низких частот, выполняющий в корреляторе функцию усреднения, уменьшает шум.

Коррелятор в FH-системах выполнен по-другому, но принципы те же самые. В FH-системе частота несущей передатчика скачет по выделенным каналам много раз в секунду в соответствии с PN-последовательностью. Приемник использует ту же самую последовательность для следования за перемещающимся с канала на канал сигналом передатчика. Если приемник находится вне шага с передаваемым сигналом, передаваемая информация не может быть восстановлена.

FH-сигналы, появляющиеся на входе приемника и управляемые различными PN-последовательностями, будут эпизодически оказываться на одном канале с ожидаемым сигналом. Эти события могут стать причиной нарушения приема на одном из каналов, хотя корреляционный процесс сведет эту помеху к минимуму, что обеспечит сохранение передаваемой информации.

Узкополосные сигналы тоже могут оказаться на частоте одного из каналов FH-сигналов, но не могут стать причиной его поражения.

Корреляционные свойства кодовых последовательностей в ШПС-системах зависят от типа кодовой последовательности, ее длины, частоты следования символов и посимвольной структуры .

В общем виде автокорреляционная функция (АКФ) определяется интегралом



и показывает связь сигнала со своей копией, смещенной во времени на величину t. Изучение АКФ играет важную роль при выборе кодовых последовательностей с точки зрения наименьшей вероятности установления ложной синхронизации.

Взаимокорреляционная функция (ВКФ) имеет большое значение для систем с кодовым разделением абонентов, и отличается от АКФ только тем, что под знаком интеграла стоят разные функции:


ВКФ показывает, таким образом, степень соответствия одной кодовой последовательности другой. Чтобы упростить понятия АКФ и ВКФ, можно представить значение той или иной функции как разность между числом совпадений А и несовпадений Б символов кодовых последовательностей при их посимвольном сравнении. Для иллюстрации данного примера рассмотрим автокорреляционную функцию кодовой последовательности Баркера длиной 11 чипов, имеющей следующий вид: 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0.

Посимвольное сравнение этой последовательности с ее копией сведем в табл. 1.

Таблица 1. Сравнение автокорреляционной функции кодовой

последовательности Баркера (длиной 11 чипов) с ее копией

Значение сдвига Последовательность Число совпадений А Число несовпадений Б Значение разности
1 01110001001 5 6 -1
2 10111000100 5 6 -1
3 01011100010 5 6 -1
4 00101110001 5 6 -1
5 10010111000 5 6 -1
6 01001011100 5 6 -1
7 00100101110 5 6 -1
8 00010010111 5 6 -1
9 10001001011 5 6 -1
10 11000100101 5 6 -1
0 11100010010 11 0 11

Графическое изображение АКФ данной последовательности Баркера показано на рис.2.0.6. Ее можно назвать идеальной, поскольку отсутствуют боковые пики, которые могли бы способствовать ложному обнаружению сигнала.


Рис. 2.0.6. Автокорреляционная функция последовательности Баркера

В качестве негативного примера рассмотрим любую произвольную кодовую последовательность, например 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0.

Проведя соответствующие предыдущему примеру вычисления, получим следующее графическое изображение автокорреляционной функции, приведенное на рис. 2.0.7. Боковые пики величиной 7 и 3 единиц могут привести к ложному срабатыванию системы в случае применения такой последовательности для распределения сигнала.


Рис. 2.0.3. Автокорреляционная функция любой произвольной кодовой последовательности

Для высокоскоростных ШПС-систем, предназначенных скорее для передачи информации, чем для кодового разделения каналов, обычно используются коды Баркера, обладающие хорошими автокорреляционными свойствами. С помощью компьютерного моделирования были найдены так называемые коды Уилларда , которые при той же длине, что и коды Баркера, обладают иногда лучшими корреляционными свойствами. Кодовые последовательности Баркера длиной более 13 символов неизвестны, поэтому для получения большего ВО, высокой помехоустойчивости, а также для кодового разделения каналов используют последовательности большей длины, значительную часть которых образуют М-последовательности.

2.4.3 М-последовательности

Одними из наиболее известных фазоманипулированных сигналов являются сигналы, кодовые последовательности которых имеют максимальную длину или М-последовательности. Для построения М-последовательностей обычно используют регистры сдвига или элементы задержки заданной длины. Длина М-последовательности равна 2N-1, где N - число разрядов регистра сдвига. Различные варианты подключения выходов разрядов к цепи обратной связи дают некоторый набор последовательностей.

АКФ М-последовательности равна -1 для всех значений задержки, кроме области 0±1, где ее значение меняется от -1 до 2N-1. Кроме того, М-последовательности обладают еще одним интересным свойством: в каждой из них единиц на одну больше, чем нулей.

Для изучения возможностей комплекта микросхем PRISM™ фирмой Harris Semiconductor™ было проведено практическое исследование коротких М-последовательностей и кодов Баркера для поиска наиболее оптимальных из них, с точки зрения автокорреляционной функции. В рамках исследования была проанализирована М-последовательность длиной 15 символов и имеющая следующий вид: 111 10001001 1010.

Выяснилось, что она обладает худшими автокорреляционными свойствами, чем последовательность Баркера длиной 13 символов следующего вида: 1 1111 0011 0101.

Практический вид АКФ М-последовательности приводится на рис. 2.0.4. Для сравнения на рис.2.0.5. показана АКФ кодовой последовательности Баркера длиной 13 символов. Как видно из рисунков, демонстрирующих синхроимпульс осциллографа, М-последовательность имеет несколько больших боковых пиков, что может значительно ухудшить приемные качества ШПС- системы, а иногда может привести к ложному обнаружению сигнала.

Как оказалось в процессе дальнейших исследований, если к 13-символьной кодовой последовательности Баркера добавить спереди два нуля, то АКФ полученной последовательности 001 1111 0011 0101 будет значительно лучше, чем описанная АКФ М-последовательности из 15 символов. АКФ вновь полученной последовательности изображена на рис.2.0.6.


Рис.2.0.4. Автокорреляционная функция М-последовательности


Рис.2.0.5. Автокорреляционная функция кодовой последовательности Баркера (длиной 13 символов)


Рис. 2.0.6.. Вид автокорреляционной функции кодовой последовательности Баркера после преобразования

Таким образом, короткие М-последовательности значительно уступают последовательностям Баркера по автокорреляционным свойствам, несмотря на лучший баланс нулей и единиц.

Из наиболее известных систем, использующих М-последовательности, можно назвать подвижную систему связи с кодовым разделением CDMA IS-95 и систему глобальной навигации GPS. В системе CDMA IS-95 применяются три кодовых последовательности. Первая из них, предназначенная для синхронизации работы всего оборудования, обладает переменной длиной N = (32ё131)103 символов. Вторая М-последовательность обладает максимальной длиной N=242- 1 и используется для идентификации абонентских станций со стороны базовой станции. Третья последовательность используется для передачи полезной информации между базовой и абонентской станциями и представляет собой одну из последовательностей Уолша.

Последовательности Уолша (в их качестве выступают строки или столбцы матрицы Адамара) обладают свойством ортогональности по отношению друг к другу. С математической точки зрения, ортогональность означает, что при отсутствии временного сдвига между последовательностями Уолша, их скалярное произведение равно нулю. С радиотехнической точки зрения, это позволяет устранить взаимные помехи при передаче информации от базовой станции к нескольким абонентским и тем самым резко повысить пропускную способность системы связи. Данное преимущество ортогональности имеем место только в случае точной синхронизации передачи последовательностей всем абонентам. Точная синхронизация базовых и абонентских станций CDMA IS-95 осуществляется главным образом с помощью глобальной навигационной системы GPS. Кроме последовательностей Уолша в системах связи используются другие ортогональные последовательности: последовательности Диджилок и Стиффлера.

Кроме М-последовательностей в системах связи нашли применение составные кодовые последовательности, представляющие собой комбинации М-последовательностей с некоторыми специфическими свойствами. Наиболее распространенными являются последовательности Гоулда. Они формируются с помощью простого генератора последовательностей на основе двух регистров сдвига одинаковой разрядности и обладают по отношению к М-последовательностям двумя достоинствами. Во-первых, генератор кодовых последовательностей, построенный на основе двух регистров сдвига длиной N каждый, может генерировать кроме двух исходных М-последовательностей еще N последовательностей длиной 2N-1, то есть значительно расширяется число генерируемых кодовых последовательностей. Во-вторых, коды Гоулда могут быть выбраны так, что ВКФ для всех получаемых от одного генератора кодовых последовательностей будет одинаковой, а величина ее боковых пиков ограничена.

Для М-последовательностей нельзя гарантировать, что боковые пики ВКФ не будут превосходить определенную заданную величину. Кодовые последовательности Гоулда также применяются в глобальных системах навигации, например в GPS. Так называемый "грубый" код (С/А - clear/asquisition) использует последовательность Гоулда длиной 1023 символа, передающуюся с тактовой частотой 1,023 МГц. Точный же код (Р - precision), доступ к которому имеют военные и специальные службы, использует сверхдлинную составную последовательность с периодом повторения 267 дней и тактовой частотой 10,23 МГц. Кроме составных последовательностей Гоулда наиболее часто применяются последовательности Касами.

 

2.4.4. PN-последовательность (Pseudo-Noise)

Сформированная по одному из вышеназванных алгоритмов псевдошумовая последовательность ( PN-последовательность) используетcя для управления несущей. Именно эта последовательность и определяет, в какой мере смогут быть реализованы преимущества той или иной технологии Spread Spectrum. Для каждой из Spread Spectrum технологий существует ряд ориентированных на нее PN-последовательностей (PN-кодов). В FH PN-код — это последовательность номеров каналов, по которым будет прыгать частота. В DS системе PN-код — это очень быстрый разрядный поток, генерируемый цифровой схемой. Коды, которые имеют подобные свойства, называются псевдослучайными или псевдошумовыми.

 

2.4.5 Свертка сигнала в IS-95

В стандарте CDMA IS-95 для кодового разделения каналов используются ортогональные коды Уолша. Коды Уолша - одни из немногих ортогональных кодов, которые можно использовать для кодирования и последующего объединения ряда информационных сигналов. Коды Уолша формируются из строк матрицы :

Рис.2.1

Особенность этой матрицы состоит в том, что каждая ее строка ортогональна любой другой или строке, полученной с помощью операции логического отрицания. В стандарте IS-95 используется матрица 64-го порядка. Для выделения сигнала на выходе приемника применяется цифровой фильтр. При ортогональных сигналах фильтр можно настроить таким образом, что на его выходе всегда будет логический 0, за исключением случаев, когда принимается сигнал, на который он настроен.

Прием ШПС осуществляется оптимальным приемником, который для сигнала с полностью известными параметрами вычисляет корреляционный интеграл:

где x(t) - входной сигнал, представляющий собой сумму полезного сигнала u(t) и помехи n(t) (в данном случае белый шум). Затем величина Z сравнивается с порогом zq. Значение корреляционного интеграла находится с помощью коррелятора (рис. 3) или согласованного фильтра . Коррелятор осуществляет "сжатие" спектра широкополосного входного сигнала путем умножения его на эталонную копию u(t) с последующей фильтрацией в полосе 1/Т, что и приводит к улучшению отношения сигнал/шум на выходе коррелятора в В раз по отношению ко входу. При возникновении задержки между принимаемым и опорным сигналами амплитуда выходного сигнал коррелятора уменьшается и приближается к нулю, когда задержка становится равной длительности элемента ПСП tq. Это изменение амплитуды выходного сигнала коррелятора определяется видом АКФ (при совпадающих входной и опорной ПСП) и ВКФ функции (при отличающихся входной и опорной ПСП). На рис. 4 а), б), в) показаны, соответственно, структура М-последовательности с N=15, вид ее периодической АКФ и апериодической АКФ, то есть периодически не продолжающейся во времени .

 

Комментарии (0)

Нет комментариев. Ваш будет первым!

Добавить комментарий

Разделы статей