Определение и основные свойства сигналов с расширенным спектром

Основная идея применения сигналов с расширенным спектром заключается в том, чтобы вместо узкополосных сигналов, выделенных для каждого пользователя в ограниченном участке спектра, использовать сигналы с расширенным спектром, занимающим весь выделенный для связи участок спектра, но при этом значительное количество пользователей может одновременно использовать эту расширенную полосу частот.

В результате возможное количество пользователей в выделенной полосе частот возрастает по сравнению с методом разбиения выделенной полосы частот на отдельные радиоканалы.

Сигналы с расширенным спектром обладают двумя характерными признаками:

- полоса частот передаваемого сигнала существенно больше, чем полоса частот модулирующего цифрового сигнала ;

- расширение полосы частот передаваемого сигнала производится независимым от передаваемой информации расширяющим сигналом (расширяющей цифровой последовательностью), персонально назначаемой каждому пользователю и заранее известной как в приемнике, так и в передатчике.

Существуют различные способы расширения полосы частот передаваемого сигнала в зависимости от способа модуляции исходного информационного сигнала расширяющей последовательностью. Далее рассматриваются два основных типа сигналов с расширенным спектром: расширение спектра непосредственной модуляцией (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) и расширение спектра скачками частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS).

Методы формирования многомерных сигналов

Общее описание многомерных сигналов

Рассмотренные ранее амплитудные, фазовые или частотные методы модуляции могут рассматриваться как сигналы одномерные. Под одномерностью сигналов имеется ввиду, что в процессе модуляции происходит изменение одного или нескольких параметров одной единственной несущей частоты.

Так, например, при импульсной амплитудной модуляции изменяется амплитуда несущей частоты бинарным или многоуровневым модулирующим сигналом. При использовании многоуровневого сигнала говорят о многоуровневой (или многопозиционной) модуляции. При QAM модуляции используется принципиально многопозиционный сигнал, одновременно изменяющий и амплитуду, и фазу несущей частоты. При этом понятие спектральной эффективности метода модуляции относится именно к величине отклонения несущей частоты от центральной при воздействии модулирующего сигнала. Спектр несущей частоты при модуляции «расплывается», занимая конечную, строго определенную полосу частот.

При частотной модуляции модулированная псевдослучайным сигналом несущая частота также занимает некоторую, строго определенную полосу частот.

С другой стороны, существуют сигналы с расширенным спектром, имеющие шумоподобный характер. Для таких сигналов обычно говорят не о несущей частоте сигнала, а о центральной частоте используемой полосы частот, хотя формально само понятие о существовании или не существовании в спектре модулированного сигнала несущей частоты не имеет смысла. Точно также обычно не говорят и о законе распределения мощности или спектральной плотности мощности в сигналах с расширенным спектром. За счет очень высокой скорости модулирующего сигнала спектр модулированного сигнала является «почти» равномерным, «почти» шумовым.

С хорошей степенью точности сигнал с расширенным спектром можно характеризовать как белый шум с постоянной спектральной плотностью мощности в некоторой полосе частот.

Два упомянутых выше классов сигналы можно рассматривать как два полярных случая:

- «слегка» расплывшуюся несущую частоту (то, что называется узкополосным сигналом), характеризующуюся определенным распределением спектральной плотности мощности в относительно узкой полосе частот;

- шумоподобный сигнал в очень широкой полосе частот, характеризующийся, как белый шум, постоянной плотностью мощности в занимаемой полосе частот.

Кроме упомянутых выше типов сигналов существуют так называемые многомерные сигналы, которые являются некоторым «средним» между узкополосной и широкополосной модуляцией.

Главное отличительное свойство многомерного сигнала – одновременная передача информации сразу на нескольких поднесущих частотах, количество которых строго ограничено. Общий частотный диапазон, выделенный для передачи информации, делится на независимые каналы (поднесущие частоты). Каждая поднесущая частота генерируется независимым генератором, модулируется и проходит узкополосный фильтр для исключения взаимного перекрытия частотных поддиапазонов. При многомерной модуляции в общем случае к качеству фильтров предъявляются очень высокие требования, так как наложение спектров соседних поднесущих частот приводит к появлению межсимвольной интерференции. Для модуляции поднесущей частоты может использоваться любой вид модуляции: амплитудная, фазовая, частотная. Очевидно, что при использовании N поднесущих частот скорость передачи информации в каждом частотном поддиапазоне в N раз меньше, чем в исходном модулирующем сигнале. Соответственно, длительность каждого передаваемого символа на поднесущей частоте велика, а каждая поднесущая частота занимает очень малую часть выделенного частотного диапазона. Типичное распределение спектра в канале при многомерной модуляции общего вида показано на рис. 6.9.

При этом формально никакого общего сужения спектра не происходит, так как при использовании в N раз более узкого спектра для каждой поднесущей частоты используется N несущих частот. Более того, необходимость жесткого ограничения спектра многих частот в передатчике и реализации гребенчатого фильтра в приемнике для выделения поднесущих частот существенно усложняет построение аппаратуры.

О днако многомерные сигналы обладают рядом других важных преимуществ. И прежде всего, устойчивостью к федингу при многолучевом распространении радиоволн в городских условиях. Среднее время запаздывания копий одного и того же сигнала на входе приемника при многолучевом распространении составляет величину порядка нескольких микросекунд. Следовательно, при высокоскоростной передаче информации с длительностью символов, сравнимой с временем запаздывания в канале, последние будут сильно флуктуировать по величине за счет взаимного наложения. И наоборот, прием более длительных символов повышает достоверность приема, так как относительно короткие флуктуации величины принимаемых символов слабо влияют на среднюю энергию принимаемого символа.

Частным видом многомерной модуляции является модуляция с ортогональным мультиплексированием частот (Orthogonal Frequency Division Multiplex, OFDM), которая позволяет эффективно разделить общий диапазон частот на поддиапазоны, реализовать полностью цифровые модуляцию и демодуляцию поднесущих частот и исключить необходимость использования гребенки узкополосных полосовых фильтров.

Основная идея формирования модулированных сигналов в методе OFDM – это использование ортогональных поднесущих частот. Известно, что в общем случае функции являются ортогональными, если на некотором конечном интервале удовлетворяют условиям:

(13)

Формула (13) означает, что на интервале интегрирования (ортогональности) две функции могут анализироваться независимо друг от друга, между ними нет взаимной интерференции. Очевидным примером ортогональных функций на интервале 2π/T являются следующие функции:

(14)

(15)

С труктура OFDM сигнала основана на использовании ортогональных функций вида (15), которые являются спектральным представлением импульсно модулированного сигнала. Как было показано ранее при рассмотрении импульсной амплитудной модуляции РАМ, спектральная плотность мощности одиночного импульса описывается формулой вида (15). Из рисунка 6.10,б следует, что на расстоянии, кратном f₀ = 1/T, спектральная плотность мощности равна нулю. Следовательно, если расстояние между импульсно модулированными поднесущими частотами будет кратно f₀ = 1/T, то взаимное влияние передаваемых частот будет отсутствовать даже при отсутствии ограничения спектра поднесущих частот. Ортогональную структуру спектральной плотности мощности имеют и QAM сигналы, которые также могут быть использованы для построения OFDM сигнала.

В общем виде многомерные сигналы, как и все другие, определяются через комплексную огибающую:

, (16)

где g(t) – комплексная огибающая, ω_с – несущая частота.

Комплексная огибающая многомерного сигнала также определяется в диапазоне исходного сигнала и отражает амплитудную, фазовую или QAM модуляцию каждой отдельной несущей. Это означает, что многомерная модуляция является параметрической модуляцией.

Многоконтурные автогенераторы

В многоконтурных автогенераторах в известной мере разделяются функции стабилизации частоты и выделения мощности между связанными между собой контурами, т.е. контурами, между которыми осуществляется взаимодействие, когда энергия из одного контура поступает в другой и наоборот. Теория хорошо разработана только для двухконтурных и трехконтурных генераторов, которые имеют только три разновидности, поскольку сводятся к трехточечной схеме. Многоконтурные генераторы, называемые многочастотными, имеют достаточно сложную реализацию колебательной системы и находят тоже весьма широкое применение, но единой методики расчета таких схем, особенно в области СВЧ, нет. Хотя многочастотные генераторы используются как в области низких частот (для борьбы с насекомыми, грызунами и т.п.), так и в области СВЧ.

Ввиду загруженности низкочастотной части радиочастотного спектра большую актуальность приобретает проектирование и применение широкополосных систем связи (ШСС) в миллиметровом диапазоне волн (ШССММ). Благодаря более широкой полосе рабочих частот, миллиметровый диапазон (ММД) позволяет увеличить пропускную способность систем связи, что особенно важно при постоянном увеличении числа потребителей информационных услуг и увеличение объемов передаваемой информации. Так, в диапазоне 40 ГГц для систем связи может быть выделена полоса 3 ГГц, что позволяет разместить в ней передачу телепрограмм, доступ в Интернет и интеллектуальным сетям связи будущего.

Ряд иностранных фирм, объединяясь для проведения совместных исследований в этой области, используют ММД в целях создания высокоскоростных локальных сетей для связи фиксированных и мобильных абонентов.

Развитие систем связи ММД находится на разных этапах в России и за рубежом. Иностранные компании развивают высокоскоростные мобильные системы связи ММД, в то время как в России развиваются пока системы связи с фиксированными абонентами. Разрабатываемые за границей системы связи используют, в отличие от российских, сложные виды модуляции, хотя способ разделения абонентов (доступа к среде) частотно-временной в обоих случаях. ШПС в системах связи ММД, по материалам открытой печати, не используются, что можно объяснить закрытостью их применения для открытой печати и сложностью обработки ШПС с большими базами.

Двухконтурные автогенераторы на полевом транзисторе

Н а рис. 2.2,а показана схема двухконтурной трехточки с контурами, включенными в промежутки между эмиттером и базой и эмиттером и коллектором. В этой схеме емкость в цепи коллектор-база определяется емкостью перехода, а контуры L_БЭC_БЭ и L_КЭC_КЭ должны на частоте генерации являться эквивалентными индуктивностями. Так как эквивалентная индуктивность в цепи коллектор-эмиттер L_ЭКВ.КЕ должна быть больше L_ЭКВ.БЕ (К_ОС < 1), то частота генерации будет ближе к резонансной частоте базового контура. Чем больше расстройка частоты ω_ген относительно частот ω_рЭБ и ω_рКЭ, тем больше величина эквивалентной индуктивности.

На рис. 2.2,б показаны АЧХ обоих контуров. Так как контур в цепи база-эмиттер расстроен меньше, его эквивалентная индуктивность меньше. Обычно этот контур является частотозадающим в автогенераторе.

Схема, показанная на рис. 2.3 с контурами в цепях коллектор-база и база-эмиттер, должна иметь эквивалентные реактивности контуров разных знаков.

Здесь частота генерации лежит между резонансными частотами контуров: ω_рБЭ < ω_ген < ω_рКБ. Эта схема называется схемой с общей базой.

Двухконтурный автогенератор с эмиттерной обратной связью

В наиболее распространенной схеме трехточечного автогенератора с параллельным коллекторным питанием и эмиттерной обратной связью (рис. 2.4) колебательный контур включен в цепь эмиттера транзистора, коллектор которого заземлен по высокой частоте. Напряжение обратной связи на базу подается с индуктивности L1 и находится в противофазе с напряжением на аноде лампы. Ротор конденсатора С заземлен, что является достоинством схемы. Другим достоинством схемы является отсутствие постоянного напряжения на элементах контура по отношению к земле. Объясняется это малым сопротивлением катушки контура для постоянной составляющей анодного тока.

С хема двухконтурного автогенератора с электронной связью между контурами представляет собой сочетание автогенератора (возбудителя) с усилителем мощности. Возбуждение колебаний происходит во внутреннем контуре LICI генератора.

Эти колебания создают между базой и эмиттером транзистора переменное напряжение, под действием которого возникают колебания тока в коллекторной цепи транзистора. Переменная составляющая коллекторного тока протекает через внешний (коллекторный) контур L2C2 и внутренний контур L1C1 генератора, вследствие этого в контуре L2C2 создаются незатухающие колебания и пополняется энергия в контуре L1CI.

Коллекторный контур генератора обычно настраивают на частоту первой гармоники, устанавливая в коллекторной цепи транзистора режим усиления мощности. Возможна также настройка коллекторного контура на частоту любой гармоники. При этом в коллекторной цепи можно установить режим умножения частоты.

Постоянная составляющая коллекторного тока проходит через часть катушки L1 внутреннего контура L1C1 и не проходит через внешний контур L2C2 в коллекторной цепи. Генератор имеет параллельное питание по внешнему контуру и последовательное по внутреннему. Связь между автогенератором и усилителем мощности осуществляется через электронный поток транзистора.

Автогенераторы, содержащие один колебательный контур, в настоящее время почти не используются, но к ним сводятся другие, более сложные схемы, задающих генераторов передатчиков. Для получения мягкого самовозбуждения и работы в стационарном режиме С во всех генераторах используются цепочки автосмещения. При этом смещение возрастает по мере нарастания амплитуды колебаний. Немаловажно также стабилизирующее действие цепочки на режим автогенератора при изменении питающих напряжений и нагрузки.

В настоящее время ламповые генераторы вытесняются транзисторными. Их достоинства определяются высокой крутизной статических характеристик транзисторов и малой величиной требуемого сопротивления нагрузки (десятки – единицы Ом). Это позволяет работать с малыми коэффициентами обратной связи. Благодаря этому достигается очень малая связь колебательной системы с электронным прибором, что повышает стабильность частоты генерируемых колебаний. Термостатировать миниатюрные генераторы становится намного проще.

Наиболее простое решение создания двухконтурного генератора получается при последовательном включении дополнительного контура в коллекторную цепь любого одноконтурного генератора. Если эквивалентное сопротивление дополнительного контура значительно больше сопротивления первого контура, то в нем будет выделяться основная доля генерируемой мощности, дополнительный контур следует связывать с внешней нагрузкой.

Первый контур, определяющий частоту, следует изолировать от внешних воздействий. Для этого его помещают в экран и отделяют от влияния дополнительного контура. Вследствие того, что связь между контуром в таком генераторе осуществляется за счет общего электронного потока, он получил название генератора с электронной связью. Практически соотношение сопротивлений первого и дополнительного контуров удается довести до 6…8. Дальнейшее увеличение этого соотношения приводит к срыву колебаний из-за уменьшения напряжения на первом контуре, а следовательно, и на базе транзистора. Важной особенностью является возможность выделения во втором контуре высших гармоник, на которые настроен внутренний контур. При этом сильная расстройка контуров способствует их развязке и повышению стабильности частоты.

Н а рис. 2.5,а показана схема трехкрнтурного генератора, а на рис. 2.5,б – двухконтурного, у которого внутренняя связь осуществляется через емкость эмиттер-коллектор. Роль третьего элемента играет внутренняя емкость. Самовозбуждение генератора возможно только на верхней или нижней частоте связи. Из условия самовозбуждения трехточечных генераторов следует, что генератор с общим эмиттером возбуждается только на нижней частоте связи, лежащей ниже собсвенных частот обоих клнтуров. Тогда они имеют на частоте генерации индуктивное сопрольтвление и генератор работает по эквивалентной схеме трехточки.

Преимущества цифровой технологии

Передача сигналов в аналоговой форме (ТВ, многоканальная телефония) обычно осуществляется с применением частотной модуляции (ЧМ), требующей по сравнению с амплитудной модуляцией существенно меньшей мощности передатчика, что особенно важно для спутниковых систем. Сигналы, дискретные по природе (телеграфия, данные), передаются по аналоговым каналам методом вторичного уплотнения, неэффективным с точки зрения использования пропускной способности канала. Преимуществом аналоговой передачи является более простое оборудование, особенно при передаче ТВ-сигналов.

В последние годы преимущественное развитие получило использование цифровых методов передачи, обладающих следующими преимуществами:

- более высокой пропускной способностью за счет использования оптимальных методов модуляции и кодирования;

- возможностью более полного использования статистических характеристик передаваемого сообщения для повышения пропускной способности системы;

- более эффективной передачи дискретных сигналов.

Для передачи по цифровым каналам аналоговые сигналы подвергаются аналого-цифровому преобразованию. К наиболее распространенным видам аналого-цифрового преобразования можно отнести импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ), дифференциальную и адаптивную дифференциальную ИКМ, дельта-модуляцию, адаптивную дельта-модуляцию. Исследования показали, что качественные показатели речи в каналах междугородной связи обеспечиваются при ИКМ со скоростью передачи 64 Кбит/с, методы низкоскоростного кодирования позволяют снизить эту скорость до 32 Кбит/с.

Эффективным средством повышения пропускной способности системы телефонной связи является статистическое уплотнение, основанное на использовании естественных пауз в разговоре двух абонентов. Дальнейшее повышение пропускной способности канала связи может быть достигнуто применением помехоустойчивого кодирования, которое позволяет уменьшить требуемое отношение сигнал/шум и повысить достоверность передачи информации.