2.4. Технологии расширения спектра и методы модуляции

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

.

Несложно видеть, что имеются всего лишь три параметра гармонического колебания (амплитуда, частота и фаза), которые можно менять пропорционально значению передаваемого сообщения. Поэтому говорят, что есть три основных метода модуляции: амплитудная модуляция (AM), частотная (ЧМ) и фазовая (ФМ). А способов их реализации и законов соответствия переда­ваемого (полезного) сообщения и модулируемого параметра ВЧ-колебания предложено такое количество, что даже трудно перечислить. Весьма обшир­на практическая реализация этих способов и их разновидностей в виде аппа­ратных, схемотехнических и программных средств. Разнообразие методов и способов реализации позволяет выбирать оптимальные варианты применительно к конкретным условиям передачи, системам связи, условиям распро­странения, требуемому качеству связи и т. п.

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. Для 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 пере­множения 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.