Материал: Основы автоматизации проектирования беспроводных систем и сетей связи. Семёнов Р.В

логовых источников информации зачастую слишком избыточны и требуют сжатия.

С выхода кодера источника данные поступают на передатчик БСС, в котором выполняется канальное кодирование данных и цифровая модуляция. Процедура канального кодирования состоит в добавлении некоторой избыточности в цифровую последовательность данных источника информации. На стороне приемника БСС избыточность может быть использована для обнаружения и исправления ошибок в принимаемых данных. Простейшим примером канального кодирования является передача одних и тех же данных несколько раз, в этом случае на приемной стороне решение принимается при помощи мажоритарной системы (по принципу большинства). В некоторых случаях передающая система содержит дополнительный блок кодирования, в котором выполняется шифрование передаваемых данных. Под шифрованием понимаются операции преобразования информации из открытой в закрытую и обратно с целью ограничения доступа к передаваемой информации при передаче по открытым каналам связи.

Под каналом связи понимается физическая среда, в которой происходит распространение информационного сигнала. При беспроводной связи в качестве такой среды выступает свободное пространство. Передаваемый по каналу связи сигнал подвержен аддитивному, межсимвольной интерференции, затуханию, воздействиям промышленных и атмосферных помех и другим факторам, которые вносят искажения в передаваемый сигнал. Более подробно данные факторы и их учет при проектировании БСС рассмотрены в п. 1.2.2.

Приемная часть БСС содержит системы синхронизации с принимаемым сигналом, цифровой демодулятор, системы канального декодирования, дешифрования сигнала и интерфейс выдачи полезных данных пользователю. При необходимости на приемной стороне системы связи реализуется преобразование цифрового сигнала в аналоговую форму. Как правило, приемная часть системы связи является более сложной в сравнении с передающей частью. Это вызвано в первую оче-

11

редь необходимостью синхронизации с принимаемым сигналом по частоте и фазе несущего колебания, по частоте следования импульсов (символьной частоте), по словной и кадровой частоте. Реализация блоков канального декодирования сигнала более затратная с точки зрения вычислительных ресурсов, чем кодирования сигнала в передатчике. Зачастую приемная часть системы связи вынуждена работать при очень низких отношениях сигнал/шум, что требует от разработчика реализации наиболее эффективных методов ЦОС.

В зависимости от типа и назначения БСС выделяют каналы симплексные, полудуплексные и дуплексные. При симплексной организации канала связи данные передаются только в одном направлении. Примерами симплексных цифровых систем связи являются сети цифрового радио- и телевещания, линии телеметрического контроля и т. д. Дуплексный режим работы системы связи позволяет передавать данные в обоих направления одновременно за счет физического разделения сигналов (частотное, кодовое, пространственное, поляризационное разделение). В полудуплексном режиме работы системы связи происходит временное разделение потоков данных, при этом сигналы передаются по одному каналу связи в разное время.

1.2.2. Характеристики беспроводных систем связи

Одной из основных характеристик БСС является пропускная способность канала связи С. Данная характеристика для канала связи с аддитивным белым гауссовым шумом (АБГШ) является функцией средней мощности принятого сигнала S, средней мощности шума N и ширины полосы пропускания W. Верхняя граница пропускной способности канала связи определяется теоремой Шеннона-Хартли [4]:

где С - пропускная способность канала связи, бит/сек; W- ши-

12

рина полосы пропускания системы, Гц; S - средняя мощность принятого сигнала, Вт; N - средняя мощность шума, Вт.

Теоретически информация по каналу связи может быть передана со сколь угодно малой ошибкой при любой скорости передачи данных R, удовлетворяющей условию R < С, что достигается при помощи использования сложных методов кодирования. В случае, если R > С, передача данных со сколь угодно малой вероятностью ошибки невозможна.

При сравнении различных видов модуляции обычно оперируют не соотношением сигнал/шум, а отношением энергии бита к плотности мощности шума, которая определяется следующим образом:

шума, Вт/Гц.

Таким образом, выражение верхней границы пропускной способности канала связи может быть модифицировано:

N0 C

На рисунке 1.3 показан график зависимости отношения нормированной полосы пропускания сигнала W / C от отношения энергии бита к плотности мощности шума Eb / N0 . Как

видно из рисунка, существует нижнее предельное значение Eb / N0 , при котором ни при какой скорости передачи нельзя осуществить безошибочную передачу информации. Это значение Eb / N0 называется пределом Шеннона:

Eb = ln(2)= −1,59дБ.

N0

13

Асимптота Ln(2)= 1,5917 дб

Рис. 1.3. Зависимость нормированной полосы пропускания канала от отношения энергии бита к плотности мощности шума

Шеннон теоретически доказал существование кодов, которые могут улучшить вероятность битовой ошибки или снизить требуемое значение Eb / N0 от уровней некодирован-

ных двоичных систем модуляции до уровней, приближающихся к предельной кривой. Одной из основных задач разработчика БСС является повышение спектральной эффективности модуляции, т. е. уменьшение отношения W / R (рис. 1.3) до теоретического предела, что возможно при использовании современных методов канального кодирования. В настоящее время лучше всего приблизиться к пределу позволяет использование турбокодирования.

Другими важными характеристиками, которые следует учитывать при проектировании беспроводной системы связи, являются характеристики распространения сигнала в канале связи.

В общем случае основными факторами, влияющими на сигнал при его распространении в канале связи (рис. 1.4) являются [4]:

14

-воздействие аддитивного белого гауссова шума (теплового шума); частотный и фазовый сдвиг сигнала, который может быть вызван взаимным движением антенны передатчика и приемника или рассогласованием их гетеродинов, вызванным нестабильностью источников опорной частоты;

-задержка сигнала в канале связи на распространение от антенны передатчика до антенны приемника и в фидерных системах;

-замирания, вызванные многолучевым распространением сигнала от передатчика к приемнику, явлениями рефракции в атмосфере и переотражениями от различных объектов.

Рис. 1.4. Моделирование процессов, происходящих

вканале связи

Внаиболее общем виде канал представляет собой тракт связи, который начинается с информационного источника, проходит через все этапы кодирования и модуляции, передатчик, физический канал, приемник (со всеми его этапами обработки) и завершается на получателе информации.

Анализ канала связи и его результат, бюджет канала, состоят из вычисления и табулирования полезной мощности сигнала и паразитной мощности шума в приемнике. Бюджет канала – это расчет баланса потерь и прибыли; он определяет подробное соотношение между ресурсами передачи и приема, источниками шума, поглотителями сигнала и результатами процессов, выполняемых в канале [4]. Некоторые параметры бюджета являются статистическими (например, скидка на замирание сигнала).

15