Sistemy_shirokopolosnoy_radiosvyazi_2009

Для расчета вероятности ошибки, приходящейся на один двоичный символ, необходимо учесть, что ввиду симметричности канала связи на выходе приемника может появиться равновероятно любой из m 1 остальных m-ичных символов. При этом исходная и восстановленная кодовые комбинации отличаются друг от друга, причем отличие сводится к тому, что часть символов или все символы в этих кодовых последовательностях при побитовом сравнении будут различны. Но некоторые двоичные символы могут совпадать, даже если в m-ичном символе произошла ошибка. Этот факт приводит к следующей вероятности ошибки на один двоичный символ в m-ичной СРС с двоичным декодированием [1, 11]:

По (1.15) и (1.16) построены графики зависимостей вероятности ошибки на бит (рис. 1.5) при когерентном и некогерентном приемах ортогональных сигналов для различных значений m, при этом отношение сигнал шум определяется как

PS сигнала. Из анализа кривых помехоустойчивости (рис. 1.5) видно, что с ростом m помехоустойчивость также растет, однако весьма важно понять, почему это происходит, какой ценой это достигается и до каких пор может наблюдаться этот выигрыш, если m .

Рис. 1.5. Графики зависимостей вероятности ошибки при когерентном — а и некогерентном — б приемах ортогональных

сигналов для ряда значений m

1.1.5.Сравнение двоичных и m-ичных систем передачи информации

Физическая сущность выигрыша по мощности поясняется с помощью схемы на рис. 1.6. Источник сообщения имеет алфавит из 16 символов, для передачи этих символов в m-ичной системе радиосвязи, где m 2,4,16 , потребуется соответственно 2,4,16 сигналов (частот). Допустим, что во всех системах осуществляется оптимальный прием ансамбля из 16 рабочих сигналов, при этом скорость передачи букв ai одинакова и равна 1 / TS . Энергия всех сигналов также одинакова. Теперь важно заметить, что максимальный относительный коэффициент взаимной корреляции сигналов в двоичной системе max 3 / 4 , в четверичной системе коэффициент max 1 / 2 , а в шестнадцатиричной системе max 0 , как это показано с помощью рис. 1.6.

Таким образом, по сути, только в системе с параметром m 16 осуществляется прием в целом, в остальных — поэлементный прием. Как известно, прием в целом всегда обеспечивает предельно

24 Глава 1 | Принципы построения систем радиосвязи

достижимую (потенциальную) помехоустойчивость по сравнению с поэлементным приемом.

Рис. 1.6. К пояснению физической сущности выигрыша по мощности m-ичных систем в сравнении

с двоичной системой передачи информации

Выигрыш (дБ) по мощности m -ичной системы связи перед двоичной рассчитывается графически при учете зависимости pош (h22 ) для заданной вероятности ошибки pош . Выигрыш по мощности m -ичных СРС обусловлен расширением полосы частот, занимаемой сигналами m -ичной СРС. Чтобы оценить проигрыш по частоте, допустим, что ширина этой полосы частот равна ширине полосы частот Fm , занимаемой m ортогональными сигналами. Положим, что

где Tm − длительность m −ичного сигнала;

a − постоянная величина, равная примерно 0,5−2, зависящая от метода определения ширины спектра и не меняющаяся для системы сигналов, принадлежащих к выбранному классу.

Таким образом, проигрыш ( m в разах) m -ичной СРС по частоте, с учетом того, что обычно выбирают m 2k и Tm kT2 k / R , рассчитывается из соотношения

шения помехоустойчивости передачи дискретной информации на фоне флюктуационных помех с ограниченной спектральной плотностью целесообразно применять системы ортогональных сигналов небольшого объема m 64 . Выбор объема m сигналов должен производиться с учетом технических и экономических требований, предъявляемых к СРС.

1.2.Методика и пример расчета основных параметров m-ичной системы радиосвязи

Исходные данные

•m-ичная система многочастотной манипуляции с параметром m 16 ; k0=4;

•несущая частота fc 2, 4 МГц;

•скорость передачи входного цифрового потока данных (битов) R 16 кбит/с;

•метод приема ортогональных ЧМ-сигналов — некогерентный. Методика расчета 1. Найти время передачи одного бита информации

T2 1 / R 1 / 16000 62,5 10 6 c.

2. Найти длительность сигнальной посылки (отрезка гармонического колебания)

Ts log2m T2 4 62,5 10 6 0, 25 10 3 c.

3. Найти минимальное значение разностной частоты ортогональности fd 1 / Ts 1 / 0, 25 10 3 4 кГц.

1.3. Системы радиосвязи на основе технологии расширенного спектра 27

Оптимальный демодулятор MFSK представляет собой, в общем случае, набор из m согласованных фильтров или корреляторов, выходные напряжения которых Zi , i 1, m поступают на вход схемы решающего устройства отбора максимума. И если max{Zi } Zk , то получателю направляется сообщение (символ) ak .

1.3.Системы радиосвязи на основе

технологии расширенного спектра

1.3.1. Классификация помехозащищенных радиотехнологий

Все радиотехнические системы принято классифицировать на три основные класса, как это показано на рис. 1.8.

Системы разрушения информации специально организуются противником с целью постановки преднамеренных помех, имитации ложных информационных сигналов и перехвата управления, осуществления несанкционированного доступа к информации и др. Таким образом, современные системы передачи информации должны противостоять воздействию как естественных, так и специально организованных помех, т. е. обладать высокой помехозащищенностью.

Рис. 1.8. Классификация радиотехнических систем

Помехозащищенность — это главный комплексный показатель качества работы систем передачи информации, в частности, цифровых систем радиосвязи — СРС. Помехозащищенность включает:

•Помехоустойчивость — способность СРС противостоять вредному воздействию помех естественного происхождения (различного рода шумы, помехи, многолучевое распространение сигналов и т. п.). Помехоустойчивость характеризуется вероятностью ошибки в приеме одного бита информации на фоне шума или естественных помех.

28Глава 1 | Принципы построения систем радиосвязи

•Энергетическая скрытность — уровень энергетического спектра шумоподобных сигналов — ШПС существенно ниже уровня энер-

гетического спектра белого шума: NШПС N0 , т. е. сигналы ШПС находятся «под шумом».

•Структурная скрытность — способность быстрой смены структуры ансамбля рабочих сигналов.

•Криптостойкость — скрытность факта наличия в данном сигнале информации.

•Имитостойкость — способность противостоять преднамеренной имитации ШПС с подобной структурой.

•Защита информации от преднамеренных помех, подавления и перехвата сигналов.

•Защита информации от несанкционированного доступа.

Отмеченные требования скрытности работы систем связи с ШПС

достигаются достаточной сложностью процедур кодирования ансамблей сигналов и сравнительной простотой смены правил их кодирования. С целью повышения помехозащищенности в настоящее время усиленно разрабатываются новые и совершенствуются известные информационные радиотехнологии. Классификация основных помехозащищенных технологий представлена в виде схемы на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Классификация помехозащищенных радиотехнологий

1.3.2.Сущность методов расширенного спектра — Spread

Spectrum, протокол IEEE 802.11

Методы расширенного спектра получили свое название благодаря тому, что полоса частот, используемая для передачи сигнала, намного шире минимальной, необходимой для передачи данных. Основная идея метода состоит в том, чтобы распределить информационный сигнал (простой или шумоподобный) по широкой полосе радиодиапазона, что в итоге позволяет значительно усложнить подавление или перехват сигнала.

Система связи называется системой с расширенным спектром

[5], если выполняются следующие три условия.

•Используемая полоса системы Wss значительно больше ширины спектра Fr передаваемых сообщений (данных): Wss Fr .

•Расширение спектра происходит с помощью так называемого кода расширения — псевдослучайной последовательности (ПСП), структура которой не зависит от передаваемой информации.

•Восстановление исходных данных приемником (сужение спектра) осуществляется путем сопоставления полученного сигнала с синхронизированной копией кода расширения (ПСП).

На рис. 1.10 приведены ключевые элементы системы радиосвязи

расширенного спектра. Входное сообщение поступает на информационный модулятор, который формирует дискретный сигнал со сравнительно узкой полосой. Далее этот сигнал модулируется с помощью многоуровневой псевдослучайной числовой последовательности (ПСП), именуемой кодом расширения. В результате модуляции спектр сигнала расширяется (размазывается) на всю полосу выделенного диапазона частот Wss системы связи. После приема сигнал демодулируется с использованием того же кода расширения — ПСП. Наконец, сигнал подается на информационный демодулятор для восстановления данных. Ясно, что если противник не знает структуру ПСП, то подавление или перехват сигнала практически невозможно осуществить.

Рис. 1.10. Общая схема цифровой системы связи на основе метода расширенного спектра

Избыток спектра Wss дает возможность получить такие преимущества.

•Невосприимчивость сигнала к различным типам шумов, а также к искажениям, вызванным многолучевым распространением. Впер-

30 Глава 1 | Принципы построения систем радиосвязи

вые расширенный спектр был использован в военных целях благодаря устойчивости расширенного сигнала к попыткам подавления.

•Расширенный спектр позволяет скрывать и шифровать сигналы. Восстановить зашифрованные данные сможет только пользователь, которому известен код расширения — структура ПСП.

Несколько пользователей могут одновременно работать в одной

итой же полосе частот при незначительной взаимной интерференции. Данное свойство используется в технологии мобильной связи, известной как уплотнение с кодовым разделением (code division multiplexing

— CDM), или множественный доступ с кодовым разделением (code division multiplexing access — CDMA).

1.3.3.Системы расширения спектра методом

скачкообразной перестройки рабочей частоты

— FHSS/MFSK, протокол IEEE 802.11

С технологией frequency-hopping spread spectrum — FHSS [5—7,9,11] часто используется многочастотная m -ичная манипуляция — MFSK. Схема MFSK предусматривает использование m 2k0 различных частот (тонов) для кодирования входного цифрового сигнала по k0 бит за время одного такта (сигнала) — Ts k0T2 , где T2 — время передачи одного бита. Передаваемый сигнал описывается следующей функцией

В схеме FHSS центральная (несущая) частота сигнала fc меняется с периодичностью псевдослучайной (кодирующей) последователь-

ности TПСП с.

Перестройка частоты осуществляется путем модулирования несущей FHSS сигналом MFSK. В результате сигнал MFSK передается по соответствующему частотному каналу FHSS. При скорости пере-

TПСП Ts , модуляцию с расширенным спектром принято называть

расширением спектра с медленной скачкообразной перестройкой рабочей частоты (медленная ППРЧ). В противном случае, если TПСП Ts , говорят о быстрой перестройке рабочей частоты (быстрая ППРЧ).

На рис. 1.11 приведен пример медленной схемы FHSS с использованием сигналов MFSK. Здесь m 4 , т. е. для кодирования каждых двух бит входных данных за такт Ts используется четыре разных частоты. Каждая сигнальная посылка является дискретным частотным тоном. Полная ширина полосы MFSK составляет Wd mfd . В данном примере использовалась схема FHSS с параметром k 2 . Следовательно, всего использовано K 2k 4 различных каналов. Полная ширина полосы системы FHSS составляет Wss 2kWd .

Рис. 1.11. Геометрическая трактовка расширения спектра с медленной перестройкой рабочей частоты — Тs TПСП / 2 (модуляция MFSK, m=4, K=4); ПСП — псевдослучайная последовательность; ЦПД — цифровой поток данных;

Wd — ширина спектра системы MFSKсигналов

На рис. 1.12 приведен пример быстрой схемы FHSS. В данном примере каждая сигнальная посылка частоты fi соответствует двум