flesh / Книга / 11_g

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

поляризации. Его можно принять равным приблизительно 0,9. Приd > 5hб hм (hб, hм – высоты антенн базовой и мобильных станций) разность фаз прямой и отраженной волн будет:

Эти формулы не учитывают реального рельефа подстилающей поверхности, но есть альтернатива – экспериментальные исследования и экстрополяция их результатов.

Наибольшее внимание приходится уделять проблеме борьбы с быстрыми замираниями, так как изменениеуровня сигнала достигает 40 дБ и информационный сигнал может быть полностью утерян. Для исключения этого явления используется несколько антенн (разнесенный прием) или расширениеспектра сигналов (скачки почастоте или шумоподобные сигналы). В цифровых системах с узкополосными сигналами используются адаптивные фильтры (эквалайзеры). Кроме того, для устранения ошибок, порождаемых межсимвольной интерференцией и замираниями используется помехоустойчивое кодирование и перемежение.

Перемежение заключается в изменении порядка следования символов информационной последовательности, в результате которого символы, находящиеся рядом, разделяются другими символами. В результате такой перестановки групповая ошибка (искажение или пропаданиерядомстоящихсимволов)преобразуетсяпри возвращении к первоначальному виду в одиночные ошибки. Борьба с одиночными ошибками при дальнейшей обработкесигнала осуществляется применением блочного и сверточного кодирования. Метод перемежения характерен для систем сотовой подвижной связи, так как он наиболее эффективен для борьбы с глубокими замираниями сигналов в условиях плотной городской застройки и, следовательно, неизбежного многолучевого распространения радиоволн.

Возможна реализация перемежения по нескольким схемам – диагональное, блочное и сверточное перемежения. Два первых ши-

61

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

роко используются в системах сотовой связи. Рассмотрим реализацию блочного перемежения (рис. 11.26).

Выход

Рис. 11.26. Схема блочного перемежения

Дляреализацииблочногоперемеженияинформационнаяпосылка делитсяна блоки поn символовв каждом, всегоk-блоков. Входная последовательность имеет вид строк матрицы размерностью n k, асчитываниеинформацииосуществляетсяпостолбцамматрицы.При входной последовательностивида a1, a2,…, an,b1, b2,…, bn,k1, k2,…,kn выходнаяпоследовательностьпослеперемеженияимеетвид:a1,b1,…, k1, a2, b2, …, k2, …, an, bn, …, kn. Содержание информации в символе может быть различное, начиная с одного бита.

Скачкипочастоте,расширяяспектрсигнала,отличаютсяотидеи построения сложных сигналов. Метод заключается в периодическом изменении несущихчастотвканалах. Всвязи счастотно-избиратель- ным характером замираний при перемещении канала на несколько сотен килогерц замирание с большой вероятностью исчезнет. Частый переходканаловпочастотномудиапазонууменьшаетвероятность замираний и снижает, при одновременном использовании перемежения, вероятность групповых ошибок. Одиночные устраняются с помощью помехоустойчивого кодирования. Частота скачков по частоте такова, что между ними передается несколько символов сообщения.

В результатеиспользования эквалайзеров устраняется межсимвольная интерференция. Термин подразумевает выравниваниеи сводится к компенсации разности времени распространения по разным лучам. Эквалайзер очищает сигнал от результатов межсимвольных

62

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

взаимодействий.Примеромреализации эквалайзераможетбытьприведенныйнарис.8.4трансверсальныйцифровойфильтр.Длянастройки фильтра периодически должен передаваться обучающий сигнал.

Аналоговые системы сотовой подвижной связи были родоначальниками первого поколения систем сотовой связи. Эти системы позволяютвходитьвсистемусвязи,регистрироватьстоимостьпользования системой, устанавливать связь между подвижными абонентами и абонентами стационарной сети связи и т.п.

Имеютсядваосновныхстандарта –AMPS и NMT-450. Рассмотримодин изних–стандартNMT-450.Он разрабатывалсядлягруппы североамериканских стран и был использован в России. Цифра 450 грубо отражает используемый частотный диапазон: 450/467 МГц. Впоследствии появился стандарт NMT-900, работающий в диапазоне 900 МГц, что позволило уменьшить габариты сотового телефона

ирасширить спектр услуг сотовой связи.

Всистемеразносканаловприема ипередачисоставляет10МГц, аразноссоседнихканалов–25кГц.Стандартнаяструктурасетиимеет вид, представленный ранеена рис. 11.23. Втовремя какразговорные каналы используют аналоговый принцип модуляции, служебные каналы, т.е. цифровые, используют быструю частотную манипуляцию

(рис. 11.27).

Такой вид частотной манипуляции называется быстрой манипуляцией – видно, что нет резких скачков по фазе при переходе от единицыкнулюи обратно. Всистемеиспользуетсяметодмногостанционного доступа с частотным разделением – FDMA. Установление

63

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

входящего вызова проводится по следующему алгоритму. Подвижный абонент (ПА) настроен на частоту канала управления, по которому уровень сигнала максимален. Вызов ПА осуществляется центром коммутации ЦКПС через все базовые станции – БС, расположенные в зоне нахождения ПА. Затем работа идет по алгоритму, изображенному на рис. 11.28.

Подтверждение Подтверждение

Звонок Звонок

Разговор

Рис. 11.28. Алгоритм установления связи

Абонентский терминалнастроен на каналуправлениятой базовой станцией, сигнал с которой максимален. Центр коммутации направляет вызов на все базовые станции, в зоне которых может находиться абонент. Та базовая станция, которая приняла сигнал от абонента по служебному каналу с лучшим отношением сигнал/шум, устанавливает связь с абонентом. Для этого ЦКПС выделяет разговорный канал, а служебный освобождает. После проверки правиль-

64

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

ности соединения дается вызов (звонок) и происходит разговор. С базовой станции непрерывно контролируется качество связи.

Вызов от абонента происходит практически по тому же алгоритму. Отметим, что для системы характерно взаимное многократноеподтверждениеприема сигналовуправленияи контролькачества связи.

Специфической операцией для систем подвижной связи является эстафетная передача. В результате организации эстафетной передачи абонент не должен почувствовать ухудшение связи и момент переключениясвязисодной базовой станциинадругую.Нарис.11.29 представлен алгоритм эстафетной передачи.

Разговор

Рис. 11.29. Алгоритм работы в режиме эстафетной передачи

65

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

При фиксации ухудшения связи по используемому рабочему каналу ниже допустимого уровня осуществляется поиск канала по базовым станциям с наибольшим уровнем сигнала. После выбора базовойстанцииснаибольшимуровнемсигнала, запросови подтверждений выбора нового радиоканала происходит переключение с одной базовой станции на другую. При этом разговор не прерывается.

Цифровые сотовые системы связи относятся к системам второго поколенияG2. Ранеебыли названы четырераспространенныхстандарта. Рассмотрим в качестве примера стандарт GSM, обладающий хорошими энергетическими характеристиками, обеспечивающий хорошее качествосвязиизащитуинформации.Длясвязиабонентасбазовойстанцией используетсячастота 890–915МГц, а дляобратногоканала 935– 960 МГц. Разность частот в каналах – прямом и обратном – 45 МГц. Всего в полосе 25МГц имеется 124 частотных позиции. Многостанционный доступ основан на временном разделении каналов – TDMA.

Врезультате на одной несущей размещается восемь речевых каналов.

Всистеме используется перемежение, блочное и сверточное кодирование, а также переключение рабочих частот – 217 скачков в секунду. В системе используются эквалайзеры.

Для модуляции радиосигнала используется частотная манипу- ляциясминимальнымчастотнымсдвигом–GMSK. Прииспользовании фильтра нижних частот с гауссовскойAЧX уменьшается полоса излучаемого сигнала. Сигнал GSMK характеризуется изменением фазы несущей на 90° в интервале, отведенном на 1 бит информации. Положительным битам соответствует положительное изменение, а отрицательным – отрицательное (рис. 11.30).

Каждая абонентская станция имеет два международных идентификационных номера, записанных в ее памяти. Это IMSI – позволяет использовать услуги проката и IMEI – предназначен для исключения несанкционированного доступа к сети GSM, например в случае похищения абонентского аппарата. Следует обратить внимание на то, что центр коммутации постоянно следит за местом нахождения абонентов. Это позволяет осуществить соединение с вызываемым подвижным абонентом.

66

Процесс передачи в стандарте GSM осуществляется по следующему алгоритму. На первом этапе аналоговый речевой сигнал преобразуется в цифровую последовательность, которая подвергается блочномукодированию–дляобнаруженияошибокпри приеме, сверточному кодированию –для исправления одиночных ошибок и перемежению –для преобразованияпакетов ошибок водиночные. Структура сигнала приведена на рис. 11.31.

Общеечислочастотно-временныхканаловсоставляет992(124 8). Используется иерархическая структура – гиперкадр содержит 2048 суперкадров, состоящих из мультикадров, в свою очередь, состоящих изTDMA-кадров. Всегогиперкадрсодержит2715647TDMA-кадров, каждый из которых имеетсвой порядковый номер. Большая длитель-

67

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

ность гиперкадра позволяетобеспечитьв стандартеGSM высокий уровень криптографической стойкости – номер кода используется в качестве входящего параметра. Скорость передачи информации составляет

271кбит/с.

Длительность окна в TDMA-кадре – 576,9 мкс и содержит 156,25бита. Длительностьодногоинформационногобита –3,69мкс. TDMA-кадрможетсодержатьпятьвидоввременныхокон.Нарис.11.31 в качестве примера приведено окно(временной интервал) типа NB – нормальный временной интервал, содержащий 114бит зашифрованного сообщения и служебные сигналы. Кроме того, имеются интер- валыFB-подстройки частоты, SB-синхронизации, DB-тестирования, AB-доступа.

Назначениеэтих интервалов следуетиз их названий. В интервале доступа предусмотрен большой защитный интервал длительностью 252 мкс, обеспечивающий связьв сотахрадиусом до35км –время распространенияэлектромагнитнойволнына70кмсоставляет233,3МКС.

ВодномTDMA-кадремогутодновременнопередаватьсявосемь речевых каналов. Цифровой информационный поток – это последо-

68

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

вательность пакетов, размещающихся в этих временных интервалах. В результате переключения частот (217 Гц) сообщение в каждом последующем кадре передается на новой частоте. Все абоненты, осуществляющие связь в одной соте, пользуются непересекающейся последовательностьючастотсцельюпредотвращениявзаимныхпомех. Кроме физических каналов (реальных), можно говорить о логических каналах двух видов – связи и управления.

Отметим что стандарт TDMA реализует многостанционный доступ с кодовым разделением каналов. Он использует широкополосные шумоподобныесигналы (ШПС) и защищен от перехвата, помех и подслушивания.

Рассмотрим структурные схемы аналогового и цифрового телефонов. Важно не изучение самих схем, а понимание, как строятся приемники аналоговыхи цифровыхсигналов. На рис. 11.32приведена схема аналогового абонентского терминала.

Обратим внимание на использование керамических и полосовых фильтров на поверхностно-аккустических волнах (ПАВ); малошумящего усилителя, а также на двойное преобразование частоты в приемнике. СигналыуправленияобрабатываютсяпроцессоромCPU.

69

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

Структурная схема цифрового абонентского терминала приведена на рис. 11.33. Нетрудно видеть схожесть с аналоговым аппаратом. Добавлена цифровая часть. Антенна общая для приемника и передатчика, выполнена в виде спиральной укороченной антены. Так как передача ведется во время 1/8 длительности кадра, это приводит к экономии заряда аккумуляторной батареи.

Аналоговый сигнал после аналого-цифрового преобразования поступает на сигнальный процессор CPU; I/Q-генератор формирует модулирующий сигнал, поступающий на фазовый модулятор, с которогопоступаетна входсмесителя.Уровеньсигнала вусилителемощности управляется с помощью CPU. В цифровой части имеется память MEM, канальный эквалайзер, канальный кодер/декодер, SIMкарта, преобразователи АЦП и ЦАП. SIM-карта обеспечивает аутентификацию абонента и шифрованиеданных.

11.2.7. Системы телевидения

Телевидением принято называть раздел радиотехники, решающий задачи передачи и приема неподвижных и подвижных изображений спомощью электрических сигналов вреальном и измененном масштабе времени. Как и в любой системе передачи информации,

70