Широкополосные системы связи

Широкополосные системы связи

Содержание

Введение

. Широкополосные системы связи. Их назначение и характеристики

. Основы применения шумоподобных сигналов системах связи

. Системы с псевдослучайными сигналами

. Последовательности максимальной длинны

. Структурные схемы генераторов линейных кодовых последовательностей

. Частота следования символов и длина кода

7. Генерирование кодов с высокой скоростью

Введение

Широкополосные методы передачи впервые были применены в конце 2-й мировой войны в военных радиотехнических системах для обеспечения высокого расширения по дальности и борьбы с преднамеренными помехами противника. На данный момент эти методы были усовершенствованы, а многие недостатки устранены. Системы с ШПС( шумоподобными сигналами) получают все большее распространение за счет своих качеств, таких как: помехозащищенность при действии мощных помех и кодовую адресацию большого числа абонентов и их кодовое разделение при работе в общей полосе частот одновременно.

1.      Широкополосные системы связи. Их назначение и характеристики

Широкополосная система - система, передаваемый сигнал которой занимает очень широкую полосу частот, значительно превосходящую ту минимальную ширину полосы частот, которая фактически требуется для передачи информации. По факту один символ представляется длинной кодовой последовательностью, что позволяет работать с большим уровнем шумов, ведь если даже часть этой последовательности будет искажена шумами, ее можно будет восстановить на приемной стороне.

Наиболее известным примером широкополосной модуляции является обычная частотная модуляция с индексом модуляции, большем единицы. Полоса, занимаемая ЧМ сигналом, является функцией не только полосы информационного сигнала, но и "глубины" модуляции. Во всех широкополосных системах выигрыш в величине отношения мощности сигнала к мощности шума достигается в процессе модуляции демодуляции. При ЧМ сигналах ОСШ на выходе демодулятора равно:

,

Где - максимальное значение индекса частотной модуляции;

- ОСШ в полосе модулирующих частот или в полосе информационного сигнала, где S -мощность сигнала; N - мощность шума.[1]

Широкополосную ЧМ можно рассматривать как широкополосный метод передачи, поскольку получаемый высокочастотный спектр (спектр радиочастот) имеет ширину, значительно превосходящую ширину спектра частот, занимаемого информационным сигналом.

Из всех возможных широкополосных видов модуляции можно выделить следующие три основных вида:

.        Модуляция несущей цифровой кодовой последовательностью с частотой следования символов , во много раз превосходящей ширину полосы информационного сигнала. Такие системы называются системами с одночастотным псевдослучайным сигналом.

.        Модуляция путем изменения (сдвига) частоты несущей в дискретные моменты времени на некоторую величину, значение которой задается кодовой последовательностью. Такие изменения частоты называются "частотными скачками". В этом случае в передатчике происходят мгновенные переходы с одной частоты на другую, каждая из которых выбирается из некоторого заранее определенного множества, причем порядок использования частот определяется кодовой последовательностью.

.        Линейная ЧМ импульсов, в результате которой частота несущей изменяется в широкой полосе частот за время, равное длительности импульса.

Метод широкополосной передачи был открыт К.Е Шенноном, который впервые ввел в рассмотрение понятие пропускной способности канала:

где С - пропускная способность, бит/с ; W - ширина полосы, Гц ; S - мощность сигнала; N - мощность шума. [1]

Это уравнение устанавливает связь между возможностью осуществления безошибочной передачи информации по каналу с заданным ОСШ и полосой частот, отведенной для передачи информации.

Для любого заданного ОСШ малая частота ошибок при передаче получается при увеличении полосы частот, отводимой для передачи информации.

Следует отметить, что сама информация может быть введена в широкополосный сигнал несколькими способами. Наиболее известный способ заключается в наложении информации на широкополосную модулирующую(рис.1).

Рис.1.Структурная схема системы с псевдослучайными одночастотными сигналами и формы сигналов в различных ее точках.

Кодовую последовательность перед модуляцией несущей для получения широкополосного сигнала. Этот способ пригоден для любой широкополосной системы, в которой применяется кодовая последовательность для расширения спектра высокочастотного сигнала ( системы с одночастотным и многочастотным псевдослучайными сигналами). Очевидно, что предаваемая информация в этом случае должна быть представлена в некотором цифровом виде, поскольку наложение информации на двоичную кодовую последовательность обычно выполняется в виде операции сложения по модулю 2. В другом варианте информация не может быть использована для непосредственной модуляции "несущей" до расширения спектра. При этом обычно используется один из видов угловой модуляции, поскольку в широкополосных системах в большинстве случаев желательно, чтобы огибающая выходного высокочастотного сигнала была постоянной.

Следует отметить некоторые свойства широкополосных система:

Способность селективной адресации; возможность уплотнения на основе кодового разделения для систем с многократным доступом; обеспечение скрытной передачи за счет использования сигналов с малой спектральной плотностью мощности; трудность расшифровки сообщений при прослушивании; высокую разрешающую способность при измерениях дальности; помехозащищенность.

Однако невозможно, чтобы система одновременно обладала всеми вышеперечисленными свойствами. Например, трудно ожидать, что сигнал, обладающий хорошей скрытностью, одновременно может быть принят на фоне интенсивных помех. Однако система могла бы удовлетворить и тем и другим требованиям, если использовать режим передачи с пониженной мощностью, когда требуется скрытность, и режим передачи с повышенной мощностью для подавления интерференционных помех.

.        Основы применения шумоподобных сигналов системах связи

Шумоподобными сигналами (ШПС) называют такие сигналы, у которых произведение ширины спектра Fна длительность T много больше единицы. Это произведение называется базой сигнала и обозначается B, т.е:

 [2]

У ШПС B>>1. ШУмоподобные сигналы иногда называют сложными в отличие от простых сигналов с B=1.

В системах связи с ШПС ширина спектра ШПС Fвсегда много больше ширины спектра передаваемого сообщения. В цифровых системах связи, передающих информацию в виде двоичных символов, длительность ШПС и скорость передачи информации R связанны соотношением T=1/RПоэтому база ШПС:

 [2]

Характеризуется расширением спектра ШПС относительно спектра сообщения. В аналоговых системах связи, у которых верхняя частота сообщения равно W и частота отсчета равно 2W,

 [2]

И если B>>1, то F>>R и F>>2W

Из рассмотрения основных свойств ШПС следует, что применение ШПС в системах связи позволяет обеспечивать высокую помехоустойчивость относительно мощных помех, скрытность, адресность, работоспособность в общей полосе частот, борьбу с многолучевостью , высокие точности измерений и разрешающие способности, хорошую ЭМС со многими радиотехническими системами.

3.      Системы с псевдослучайными сигналами

Системы с псевдослучайными сигналами являются наиболее известными и широко распространенными среди широкополосных систем. Так, метод определения дальности, разработанный в лаборатории реактивного движения успешно используется в системе RANGERи других космических программах, основан на применении псевдослучайны последовательностей.

В цифровых или персональных системах радиосвязи, использующих МДКРК( многостанционный доступ на основе разделения каналов с расширением спектра) и расширение спектра, с помощью псевдослучайных последовательностей решаются следующие основные задачи:

.        Расширение спектра модулированного сигнала с целью увеличения ширины полосы частот при передаче.

.        Разделение сигналов различных пользователей, использующих при передаче одну и ту же полосу частот в режиме многостанционного доступа.

В известных системах радиосвязи в качестве сигналов расширения спектра используется двоичные цифровые ПСП. Авто- и взаимокорреляционные функции этих последовательностей при дискретных сдвигах, кратных длительности символа, в интересующей области вычисляются подсчетом количества совпадений и несовпадений при посимвольном (побитовом) сравнении.

Для расширения спектра и равномерной загрузки полосы передачи спектральная плотность одиночной последовательности должна быть равномерной, как у АБГШ.

Второй и наиболее трудной задачей, решаемой с помощью ПСП в системе МДКРК со многими пользователями, является разделение сигналов различных пользователей, использующих одну и ту же полосу передачи. Сигнал ПСП выполняет функцию "ключа" для каждого пользователя и позволяет в приемнике выделить предназначенный ему сигнал. Поэтому полный ансамбль ПСП должен быть выбран таким, чтобы взаимная корреляция между любой парой последовательностей была достаточно мала. Это позволяет минимизировать уровень помехи по соседним каналам. Теоретически нулевое значение взаимной корреляции имеют ансамбли ортогональных сигналов расширения спектра(например, базисные функции рядов Фурье и функции Уолша).

Однако в реальных системах радиосвязи требуется, чтобы обеспечивалась простота когерентного формирования ПСП на передающей и приемной сторонах. К числу наиболее известных и хорошо изученных ПСП относятся последовательности максимальной длинны (М-последовательности). Они очень привлекательны для систем с расширенным спектром, ориентированных на одного пользователя, и широко использовались в приложениях военного характера. С точки зрения требований к взаимокорреляционным свойствам, предъявляемым в МДКРК системах сотовой или пресональной связи, более интересными являются последовательности Голда, Касами и Уолша. В некоторых случаях они комбинируются с М-последовательностями.

Свойства псевдослучайных последовательностей

Существует три основных свойства любой периодической последовательности, которые могут быть использованы в качестве проверки на случайность.

.        Сбалансированность, Для каждого интервала последовательности количество двоичных единиц должно отличаться от числа двоичных нулей не больше чем на один элемент.

.        Цикличность. Циклом называют непрерывную последовательность одинаковых двоичных чисел. Появление иной двоичной цифры автоматически начинает новый цикл. Длинна цикла равна количеству цифр в нем. Желательно, чтобы в каждом фрагменте последовательности приблизительно половину составляли циклы обоих типов длинной 1, приблизительно одну четверть длинной 2, приблизительно одну восьмую длинной 3 и т.д.

.        Корреляция. Если часть последовательности и ее циклично сдвинутая копия поэлементно сравниваются, желательно, чтобы число совпадений отличалось от числа несовпадений не более чем на единицу.

Характеристики псевдослучайных сигналов

Сигналы, применяемые в широкополосных системах, могут быть получены различными способами. В системе с одночастотным псевдослучайным псевдослучайным сигналом модуляция "несущей" осуществляется кодовой последовательностью, при этом обычно используется фазовая манипуляция "несущей", а частота манипуляции определяется частотой следования символов кодовой последовательности т.е для передачи "единичного" символа кодовой последовательности используется одно значение фазы "несущей", а для передачи "нулевого" символа другое. Применяются и более сложные виды фазовой манипуляции (например, четырехфазная манипуляция), однако при каждом из них существует взаимно однозначное соответствие между передаваемой фазой несущей и опорной кодовой последовательностью или же кодовыми последовательностями. Следует отметить, то чаще всего используется балансная модуляция. Последнее объясняется несколькими причинами.

Во-первых, отсутствие "несущей" затрудняет процесс обнаружения сигнала и требует привлечения весьма ухищренных способов обработки. Очевидно, не имеет смысла в этом случае использовать обычный приемник для выделения "несущей", поскольку уровень последней находится значительно ниже уровня "шума", создаваемого кодовой модуляцией.

Во-вторых, преимуществом способа передачи с подавленной "несущей" является то, что большая мощность отводиться для передачи полезной информации, поскольку вся мощность передатчика используется только для передачи псевдослучайного сигнала.

В-третьих, огибающая сигнала имеет постоянный уровень, так что эффективность использования передаваемой мощности в отводимой полосы частот получается максимальной. Для передачи может применяться и АИМ, при которой "несущая" модулируется кодовой последовательностью. Она позволяет получить спектр мощности, близкий к , однако эффективная мощность на приемной стороне оказывается уже меньше. Таким образом, для обеспечения такой же дальности действия системы потребуется большая пиковая мощность.

В-четвертых, двухфазовый модулятор представляется собой довольно простое устройство. Для его создания требуются только два трансформатора и несколько диодов. Более сложные частотные манипуляторы требуют, по крайней мере, наличия такого генератора частота которого изменяется по команде. Обеспечение такого гибкого перехода с одной частоты на другую сопряжено с определенными трудностями по поддержани. Стабильности генерируемой частоты.

4. Последовательности максимальной длины

По определению кодами максимальной длины являются коды, которые могут быть получены с помощью регистра сдвига или элемента задержки заданной длинны. Длина двоичной последовательности максимальной длины, которая может быть получена с помощью генератора, построенного на основе регистра сдвига, равна  , где n-число разрядов регистра сдвига. Генератор последовательности состоит из регистра сдвига и соответствующей логической схемы, с выхода которой по цепи обратной связи поступает на вход регистра сдвига информация о логической комбинации состояния двух или более его разрядов. Сигнал на выходе генератора последовательности и состояние его nразрядов в любой фиксированный тактовый интервал времени представляет собой функцию состояний его разрядов, включенных в цепь обратной связи, в предшествующие тактовые интервалы времени.

Все последовательности кода максимальной длины обладают следующими свойствами:

.        Единиц в последовательности на одну больше, чем нулей.

.        Для распределения последовательностей можно легко посчитать распределение длин серии из "нулей" и "единиц", которые одинаковы для одного и того же кода. Относительное местоположение этих серий меняется от последовательности к последовательности, но число серий одинаковой длины остается без изменения.

.        Функция автокорреляции кода максимальной длины такова, что для всех значений задержки она равно - 1, за исключением области 0±1, где значения функции автокорреляции меняются от -1 до (длины последовательности)

.        Каждое возможное состояние, или n разрядная комбинация данного n-разрядного генератора, хза время формирования полного периода кода возникает в некоторый момент времени только 1 раз. Каждое состояние существует только в течении одного тактового интервала времени. Исключением является комбинация из одних нулей, в нормальном режиме работы оно не возникает, да и не должно возникать.

5. Последовательности Гоулда

По сравнению с обычными М-последовательностями, последовательности Гоулда более привлекательны для МДКРК систем со многими пользователями. Для этих систем необходимо значительно большее число последовательностей с хорошоми взаимокорреляционными свойствами между ними. Метод построения таких последовательностей был описан Гоулдом.

Этот метод состоит в сложении по mod 2 двух различных М-последовательностей, тактируемых единым тактовым генератором.(рис.2.)

Рис.2.Пример формирования кодовой последовательности Гоулда с использованием генераторов [5, 3] и [5, 4, 3, 2].

Наиболее существенный момент при формировании последовательности Голда с "хорошими" корреляционными свойствами заключается в том, что может быть использованы только особые пары М-последователньостей, называемые предпочтительными.

Так как обе М-Последовательности имеют одну и ту же длину L и тактируются единым генератором, то формируемая последовательность Голда имеет длину L, но не является последовательностью максимальной длины. Пусть n- количество разряднов регистра сдвига в генераторе М-последовательностей, тогда длина последовательностей Гоулда . При выборе соответствующей пары М-последовательностей можно получить ансамбль последовательностей Гоулда с "хорошими" корреляционными свойствами.

Генераторы кодовых последовательностей Гоулда

Ценность генераторов кодовых последовательностей Гоулда заключается в том, что они позволяют получить большое число кодовых последовательностей. И при этом требуется лишь две комбинации отводов для цепи обратной связи. Основным достоинством этих кодовых последовательностей является то, что для их формирования требуется незначительное число отводов в цепи обратной связи. Таким образом, можно использовать простые генераторы последовательностей на основе регистра сдвига(ГРС) с одним отводом в цепи обратной связи, при этом сохраняется способность формирования большого числа кодовых последовательностей. Простой ГРС с одним отводом в цепи обратной связи является самым быстродействующим из всех возможных генераторов кодовых последовательностей, т.е существует потенциальная возможность формирования кодовых последовательностей Гоулда с частотой следования двоичных символов, соответствующей максимальной частоте простейших ГРС.

Формирование кодовых последовательностей Гоулда основано на операции сложения по модулю 2 пары линейных последовательнсотей максимальной длины (рис.3)

Рис.3. Структура генератора кодовой последовательности Гоулда

Сложение кодовых последовательностей формируемых с помощью одного тактового генератора, осуществляется посимвольно. Между двумя генераторами последовательностей поддерживается одни и те же фазовые соотношения, а формируемые, кодовые последовательности имеют ту же длину, что и две исходные кодовые последовательности, к которым применяется операция сложения, однако получаемые при этом кодовые последовательности уже не являются максимальными.

Помимо того что схема Гоулда позволяет формировать большое число кодовых последовательностей, она обладает еще одним достоинством. Коды Гоулда могут быть выбраны так, что функция взаимной корреляции для всех получаемых от данного генератора кодовых последовательностей будет одинаковой, а величина ее боковых пиков ограничена. Таким образом, кодовые последовательности Гоулда целесообразно использовать там, где требуется большое число сигналов для создания системы с кодовым разделением каналов. Для максимальных последовательностей той же длины нельзя заранее гарантировать, что боковые пики ВКФ не будут превосходить наперед заданную величину.

6.      Частоты следования символов и длина кода

Выбор частоты следования символов кодовой последовательности оказывает влияние на ряд параметров широкополосных систем. Наиболее очевидно это проявляется в системе с одночастотными псевдослучайными сигналами, в которой полоса передаваемый частот определяется непосредственно частотой следования символов кодовой последовательности, т.е. ширина основного лепестка частотного спектра радиосигнала равна удвоенной частоте следования символов кодовой последовательности. Частота повторения кодовой последовательности также зависит от частоты следования символов кодовой последовательности(тактовой частоты), т.е. частота повторения кодовой последовательности равна =.[1]

Частота повторения кодовой последовательности определяет расстояние между ближайшими соседними спектральными диниями в частотном спектре выходного радиосигнала и представляет собой одну из величин, которой уделяется должное внимание в процессе проектирования системы.

При выборе частоты повторения кодовой последовательности необходимо, чтобы период кодовой последовательности превышал максимальное время работы систем.

В табл.1 приведены различные данные относительно кодовых последовательностей максимальной длины с частотой следования символов равной  дв. симв./c.

Табл.1 Периоды кодовых последовательностей для М

последовательностей различной длины с частотой следования дв. симв./c.

Другим фактором, который должен учитываться при выборе частоты следования символов кодовой последовательности и ее длины, является соотношение между частотой повторения кодовой последовательности и информационной полосой частот, а также назначение системы измерения дальности.

Целесообразно частоту повторения кодовой последовательности в системе с одночастотным псевдослучайным сигналом устанавливать путем выбора длины кодовой последовательности таким образом, чтобы эта частота не попадала в информационную полосу частот. В противном случае дополнительные помехи будут проходить на входы низкочастотных демодуляторов, особенно при воздействии искусственных помех.

В случае, когда наиболее важным является измерение дальности, то соответствующий выбор частоты следования символов кодовой последовательности может повысить точность измерения, а иногда даже и увеличить разрешающую способность. Если частота следования двоичных символов выбрана так, что на каждую милю задержки( времени распространения) приходится целое число двоичных символов , то для измерения дальности достаточно подсчитать величину сдвига кода, не применяя дополнительной коррекции.

7.      Генерирование кодов с высокой скоростью

На практике желательно формировать двоичные кодовые последовательности с высокой частотой следования символов. Высокие частоты следования символов кодовой последовательности позволяют сформировать сигнал с широким спектром частот. Это особенно важно, когда необходимо расширить спектр сигнала высокоскоростной информации ( с широкой полосой модулирующих частот) или же когда требуется обеспечить хорошую помехоустойчивость системы. Скорость передачи информации может достигать нескольких мегобит, и , очевидно, нужный результат может быть получен при использовании кодовых последовательностей с частотой следования символов до сотен миллионов в секунду.

Выбор номеров разрядов для подключения обратной связи представляет собой непростую задачу, но существуеют справочные таблицы, в которых они приведены. В любом случае одна из точек подключения - выход старшего разряда. В табл.2 приведены точки подключения обратной связи для регистров сдвига с разным количеством разрядов N(номера разрядов считаются от нуля).

Таблица 2 Точки подключения обратной связи

Из таблицы видно, что выгоднее брать число разрядов не кратное 8, например 7,15 или 31. В этом случае для обратной связи используется всего лишь два выхода, то есть достаточно одного двухвходного элемента "исключающее ИЛИ". Период выходной последовательности генератора составляет (2N-1) тактов, N- количество разрядов выходного кода(кроме одного) встречается один раз. Количество единиц в выходном сигнале больше количества нулей на единицу. Максимальная частота формирования символов кодовой последовательности определяется не только быстродействием элементов регистра сдвига, применяемых в генераторе, но и любой задержкой сигналов в цепи обратной связи. Поскольку сигнал на выходе цепи обратной связи содержит информацию о состоянии некоторых разрядов регистра сдвига для последующего момента его работы, то все процессы в триггерах, используемыъ как точки отводов обратной связи, и всех сумматорах по модулю 2 должны полностью заканчиваться до следующего тактового момента, максимальная частота формирования символов кодовой последовательности генератором в виде регистра сдвига

 [1]

Где  - время, требуемое для перехода разряда регистра сдвига из одного состояние в другое; время распространения сигнала по цепи обратной связи; длительность тактовых импульсов.

Быстродействие простого ГРС может быть увеличено соответствующим упорядочением схемы обратной связи, т.е использованием параллельно-последовательного суммирования, как это показано на рис.4, где структура (а) схемы обратной связи эквивалентна структуре (б), но для второй последовательности соединяются всего лишь два логических элемента одного уровня

Рис.4 Сравнение быстродействия двух структур ГРС.

В настоящее время отсутствуют структуры ГРС с параллельно-последовательной схемой обратной связи, поэтому на каждый отвод обратной связи всегда требуется один сумматор по модулю 2. Однако модульный ГРС обладает высоким быстродействием при большом числе отводов.

В силу низкой стабильности работы генераторов прямого действия для формирования кодовых последовательностей с высокой частотой следования символов было разработано несколько способов формирования составных кодовых последовательностей с помощью ГРС менее сложной структуры. К таким генераторам, формирующим составные кодовые последовательности, обладающим рядом преимуществ при высокой частоте следования символов, относятся генератора Гоулда и каскадные генераторы.

Заключение

широкополосный связь сигнал код

Широкополосные системы имеют большое количество преимуществ по сравнению с другими системами передачи данных. Благодаря большому выигрышу в отношении  (порядка 30 дБ) стала возможной реализация спутниковых систем связи.

В данной сфере есть большой потенциал для реализации новых систем, с большей скорость, а следовательно и с большим количеством абонентов, лучшей скрытностью и помехозащищенностью.