Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
При передаче информации с помощью радиосигнала осуществляют модуляцию какого-либо параметра высокочастотных колебаний (колебаний несущей частоты). Как правило, в качестве колебаний несущей частоты используется гармонический сигнал высокой частоты
Одним из способов повышения эффективности передачи информации с помощью модулированных сигналов через канал с сильными линейными искажениями (замираниями) является расширение спектра, приводящее к увеличению базы сигнала.
Существуют и общие факторы, происходящие из физических закономерностей, которые справедливы для любых способов модуляции:
□ увеличение скорости передачи приводит к увеличению частоты появления ошибок;
□ уменьшение длительности бита (символа) позволяет увеличить скорость передачи, одновременно приводит к расширению спектра занимаемых частот;
□ увеличение отношения сигнал/шум уменьшает вероятность появления ошибок;
□ увеличение занимаемой полосы частот позволяет увеличить скорость передачи.
Аксиома из теории спектрального анализа: уменьшение длительности импульса приводит к "расширению” спектра и, наоборот, импульсы большей длительности обладают более узким спектром. Одновременно сузить спектр и уменьшить длительность импульсного сигнала невозможно. Иное дело, что в конкретных случаях можно выбрать оптимальный вариант модуляции и, например, пойти на некоторое расширение спектра занимаемых частот; зато, уменьшив длительность посылок, можно повысить скорость передачи или, увеличив длительность посылок, можно уменьшить занимаемую область частот. Одновременно изменится и частота появления ошибок.
При использовании только одной несущей частоты существуют три "базовых" метода расширения спектра полезного сигнала: метод прямого расширения DS (Direct Spectrum) с помощью псевдослучайной последовательности (ПСП); метод расширения скачками по частоте FH (Frequency Hopping) и метод расширения скачками по времени ТН (Time Hopping). Используют также и различные комбинации этих методов.
На практике используют методы расширения спектра с помощью ансамбля из многих модулированных поднесущих, занимающих весь отведенный диапазон частот. Каждая поднесущая может модулироваться своей битовой последовательностью. Различение спектра модулированных колебаний на каждой поднесущей в цепях приемника осуществляется с помощью соответствующих канальных фильтров. Дня устранения взаимного перекрытия частотных полос между спектрами на поднесущих используют защитные частотные интервалы при формировании сигнала на передачу. Такой метод расширения спектра называют широкополосной модуляцией с частотным разделением FDM (Frequency Division Multiple). У такого метода недостатком является необходимость иметь защитные частотные интервалы, что снижает эффективность использования отведенного диапазона частот.
Значительно большей эффективностью использования отведенного диапазона частот является применение технологии с ортогональным частотным разделением OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). В этом случае спектр передаваемого радиосигнала формируется таким образом, что спектры соседних поднесущих перекрывают друг друга на половину своей ширины так, что на частотах максимума спектральной плотности любой поднесущей будут нулевые значения спектральной плотности от любых других поднесущих. В этом смысле спектры модулированных поднесущих ортогональны друг другу, следовательно, их можно разделить на приемной стороне с помощью цифрового преобразования Фурье.
Рассмотрим некоторые особенности вышеназванных методов получения радиосигналов с расширенным спектром.
В методе прямого расширения исходная битовая последовательность передаваемого сигнала перемножается с импульсами псевдослучайной последовательности (ПСП). Последовательность ПСП является как бы цифровой несущей для битовых импульсов. Импульсы ПСП имеют вид прямоугольных импульсов одинаковой амплитуды и длительностью, много меньшей длительности бита передаваемого сообщения, так, что за время длительности бита генерируется много импульсов ПСП. Моменты появления импульсов ПСП определяются псевдослучайным законом, который известен и на передающей, и на приемной сторонах. Поскольку импульсы ПСП короче битовых, то их спектр много шире спектра битовых посылок. В результате множения получается импульсный сигнал с широким спектром. Далее этим сигналом модулируют гармонический сигнал несущей частоты и получают радиосигнал с расширенным спектром.
В методе расширения спектра скачками по частоте спектр одного канала узкополосный, но его положение в пределах выделенного диапазона частот меняется по псевдослучайному закону путем скачкообразного изменения частоты несущей. При использовании диапазона многими пользователями каждый ведет передачу/прием в пределах узкополосного канала, но в разные моменты времени на разных частотах несущей. Смена частот несущих у всех пользователей производится синхронно. В результате по псевдослучайному закону окажется заполненным весь выделенный диапазон.
В методе расширения спектра скачками по времени спектр одного канала также узкополосный, но его положение в пределах выделенного на цикл времени меняется по псевдослучайному закону путем скачкообразного изменения момента включения радиосигнала.
В настоящее время наиболее часто применяют метод прямого расширения спектра. Именно такой метод используется, например, в системе сотовой связи CDMA (one) и в системе WiMAX стандартов 802.16 и 802.16—2004 в режиме с одной несущей SC (Single Carrier). Стандартом 802.16—2004 для условий прямой видимости используется метод прямого расширения с одной несущей, а для условий непрямой видимости более эффективным является многочастотная технология OFDM. Поэтому далее рассмотрены оба метода, применяемые в WiMAX.
Понятно, что уже на самых ранних этапах проектирования любой цифровой системы связи важнейшим становится компромиссный многокритериальный выбор метода модуляции, его схемотехническая, аппаратная и программная реализация. Разработчикам приходится искать компромисс между желанием иметь высокую скорость передачи, узкую полосу занимаемых частот, простоту реализации, низкую стоимость, невысокие требования к вычислительным ресурсам, быстродействие, относительно невысокое отношение сигнал/шум и многое другое, чаще всего исключающее друг друга. Лишь определив область использования системы связи, его связь с другими системами, условия применения и т. п., можно выбрать наиболее подходящий способ модуляции и технологию его применения. Одним из ключевых понятий, используемых при выборе типа модуляции, является ширина спектра сигнала и полоса частот, занимаемая сигналом.
Расширение спектра – это модуляция сигнала в передатчике, существенно расширяющая его спектр, и восстановление исходного сигнала в приемнике, в процессе которого происходит расширение спектра помехи. Энергия помехи распределяется по широкой полосе, поэтому в полосу восстановленного сигнала попадает небольшая часть энергии помехи.
Преимущества систем с расширением спектра
- Высокая помехоустойчивость. При ограниченной полосе спектральной плотности помехи отношение сигнал /шум увеличивается в Gp= Пш /П раз, где П –полоса исходного сигнала, Пш - полоса сигнала после расширения спектра, Gp - коэффициент расширения спектра. Если спектр помехи равномерен (белый шум), отношение сигнал /шум не улучшается.
- Конфиденциальность связи. Сообщение нельзя прочитать, не зная алгоритма расширения спектра.
- Возможность одновременной передачи многих сообщений на одной несущей частоте в системе с кодовым разделением каналов.
- Возможность передачи маломощного сигнала. Энергия сигнала сохраняется высокой за счет увеличения длительности сигнала. Обеспечивается энергетическая скрытность связи. Сигнал не обнаруживается, а воспринимается как шум.
- Высокая разрешающая способность по времени (чем шире спектр, тем круче фронт сигнала). Момент начала сигнала определяется очень точно, что важно для систем измерения расстояния по времени прохождения сигнала и для синхронизации передатчика и приемника.
Наиболее распространенные методы расширения спектра