Материал: Теоретические основы передачи ВЧ сигналов

Как видно из таблицы, WiMAX очень гибок при организации канала связи, благодаря переменному числу поднесущих. А использование OFDM модуляции для каждого из каналов позволяет передавать данные на большие расстояния с минимальными многолучевыми искажениями, не жертвуя пропускной способностью.

Основы передачи широкополосных сигналов

Системы с широкополосными сигналами (Spread Spectrum) первоначально были разработаны для военных приложений, чтобы обеспечивать защищенную связь за счет распределения сигнала по большой полосе частот.

На Рисунке 9 представлен узкополосный сигнал в частотной области. Такие сигналы можно легко подавить любым другим сигналом в той же полосе либо перехватить.

Рис. 9. Узкополосный сигнал, сравнительно легко подавить или перехватить.

Идея широкополосных систем состоит в том, что они используют большую полосу частот, чем полоса сигнала, но мощность остается такой же. Кроме того, широкополосный сигнал похож на шум и, следовательно, трудно сказать, есть ли вообще какой-нибудь сигнал в данной частотной области. Это обеспечивает безопасность передачи, пока не будет никакого видимого пика (всплеска) в спектре.

В данном разделе раскрываются основные принципы работы и наиболее часто употребляемые понятия, используемые при создании широкополосных систем связи.

Схема работы

Ниже представлена блок-схема обычной системы связи, за исключением того, что блоки модулятора/демодулятора имеют входы генератора псевдослучайного сигнала.

Рис. 10. Блок-схема широкополосной системы связи

Существует два основных метода создания широкополосных сигналов:

• 1) Псевдослучайное скачкообразное изменение частоты (Frequency hoping - FH) узкополосного сигнала в пределах большой области частот.
• 2) Прямая последовательность (Direct sequence - DS), при которой для расширения области частот используется быстрое изменение фазы сигнала.

Мы остановим внимание на технологии создания широкополосных сигналов с помощью прямых псевдослучайных последовательностей (Direct Sequence Spread Spectrum), так как она наиболее широко используется в современной коммуникации (CDMA, UMTS, 802.11, GPS).

Создание широкополосных сигналов с помощью прямых последовательностей (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS)

При расширении спектра сигнала с помощью прямых последовательностей используется быстрое изменение его фазы. Поскольку период Т становится меньше (или увеличивается скорость передачи R), ширина полосы частот сигнала B увеличивается: (частота Найквиста)

Следующий рисунок поясняет это:

Рис. 11. Скорость передачи и период связаны с шириной полосы соотношением , если используется формирование импульсов.

Расширение и сужение спектра

Быстрое изменение фазы сигнала (период следования элементов сигнала T_c) приводит к тем большему увеличению ширины полосы, чем выше скорость передачи R_c (без изменения мощности исходного сигнала), и проявляет себя подобно шуму, так как спектры таких сигналов аналогичны для всей полосы частот. Фактически, зависимость спектра мощности от частоты для широкополосного сигнала похожа на зависимость мощности собственных шумов в канале. Сигнал как бы "спрятан" за шумом.

Чтобы восстановить сигнал, необходима такая же большая ширина полосы частот. Это напоминает ключ от двери - только демодулятор, который «знает» такой ключ, будет в состоянии демодулировать и восстановить сообщение. Этим «ключом» фактически является псевдослучайная последовательность (быстрое изменение фазы), также называемая псевдошумом (PN). Эти последовательности генерируются с помощью m-последовательностей.

m-Последовательности

Эти кодовые последовательности (коды DSSS) можно рассматривать как псевдошумы (PN), поскольку они имеют сходство со случайными битовыми последовательностями с спектром, аналогичным белому шуму.

Структура m-последовательности, казалось бы, должна быть случайной, однако, на самом деле, она может быть воссоздана при помощи набора сдвиговых регистров, показанных на Рисунке 4 с M=4, полинома и начального состояния '1 1 0 0'.

Рис. 12. структура сдвигового регистра для m-последовательности

Где ' ' представляет сложение по модулю 2.

При использовании этой схемы начальное состояние необходимо только для того, чтобы сгенерировать точно такую же последовательность длиной (единственным запрещенным состоянием являются все нули, так как регистр зафиксируется в этом состоянии).

Например:

начальное состояние:

состояния после сдвигов:

Итоговая последовательность будет выглядеть примерно так:

1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1 1

После пятнадцатого сдвига, значения в регистрах снова перейдут в первоначальное состояние.

Свойства m-последовательностей

Период:

После такого количества чисел '1' и '-1' последовательность повторяется, поскольку начальные символы будут теми же. Последовательность должна быть достаточно длинной.

Автокорреляция:

Рассмотрите предыдущую последовательность

Если мы выполним следующую операцию:

= 15, складывающую квадраты чисел ().

то получим,

Так же выполняя операцию:

= -1 =

Это - точка автокорреляционной функции для определенного сдвига. Построим функцию на графике, чтобы было по 15 точек до и после 0:

a)

b)

Рис. 13. Корреляция a) пример последовательности и b) другой пример последовательности с полиномом , созданный с помощью LabVIEW и MathScript

Формульное определение дискретной автокорреляционной функции:

Заметим, если последовательность синхронизована (пик в корреляции = 1), конечный пользователь, имеющий точную последовательность, способен демодулировать сообщение. Другие пользователи получат сигнал с очень маленькой амплитудой относительно начальной. В этом заключается принцип Множественного Доступа с Кодовым Разделением Каналов (Code Division Multiple Access - CDMA), применяемый системами сотовой связи, согласно которому, одни и те же частота и время могут совместно использоваться несколькими пользователями с разными кодами.