diplov / file1

появи бітових помилок.

Як і метод ТDMA метод CDMA може бути реалізований тільки в цифровій формі. Бачимо, що в цьому методі користувач не займає вузького часового або частотного інтервалу а користується одночасно з іншими всією спільною смугою частот. Тому, навіть при наявності великих пауз в його розмові ресурс системи не витрачається на ці паузи (просто в цей час буде менше навантаження на систему та кращі умови зв’язку для інших користувачів).

Метод CDMA може бути застосований в комбінації з другими методами багатоканального доступу, наприклад, з FDMA та TDMA у випадку застосування CDMA/FDMA весь виділений діапазон спектру спочатку ділиться на декілька частотних смуг (рис. 3.10), а в кожній з них використовується метод

CDMA. У випадку TDMA/CDMA весь часовий інтервал кадру ділиться на слоти, а потім в кожному слоті використовується метод CDMA.

Останнім часом поширення набув новий метод доступу (SDMA), який підтримує всі вищеописані методи. В основі SDMA лежить використання антенних решіток з гостронаправленими пелюстками діаграми спрямованості,

що керуються з допомогою електронних пристроїв. Таким чином, якщо абонентів розділяє велика кутова відстань, вони можуть використовувати одні і ті ж частотні канали, часові інтервали і т.д., в залежності від основного способу багатостанційного доступу, що використовується в системі. Застосування методу SDMA суттєво впливає на сумарну продуктивність системи.

Розширення спектру інформаційного сигналу

При розгляді різних видів модуляції особливу увагу зверталось на спектральну ефективність, тобто можливість забезпечення заданої швидкості передачі інформації для кожного абонента в більш вузькій смузі частот. Тому і використовувались вузькосмугові види модуляції. Такий підхід повинен би,

очевидно, також забезпечити найкращу спектральну ефективність для будь-якої кількості абонентів. Але проблема полягає в тому, що із збільшенням числа користувачів, число каналів також повинно збільшуватись. Враховуючи те, що

93

частотний ресурс є обмежений, смугу частот для кожного абонента довелось би нескінченно зменшувати, що є нереальним. Тобто, суттєве збільшення числа каналів в мережі зв’язку вимагає принципово іншого підходу до проблеми.

Вирішення даної проблеми ніби само лежить на поверхні - якщо не задовольняє вузькосмугова модуляція, треба перейти на широкосмугову.

Дійсно, виявилось, що одним з методів, який дозволяє кардинально збільшити число користувачів в обмеженому частотному спектрі є використання модульованих сигналів з розширеним, або шумоподібним спектром (spread spectrum, або ―розподілений‖, ―розмитий‖ спектр). Основна ідея застосування сигналів з розширеним спектром полягає у використанні для кожного абонента сигналу, який займає всю виділену для системи зв’язку ділянку спектру. Але при цьому значна кількість користувачів може одночасно використовувати виділену смугу частот. Для розділення користувачів, що використовують одночасно одну і ту ж смугу частот здійснюється розширення спектру цифрового модулюючого сигналу, а значить і високочастотного сигналу за допомогою спеціальної кодової послідовності.

Для розширення спектру кожному користувачу виділяється своя унікальна кодова послідовність, яка і дозволяє абонентам виділити з ефіру тільки їм призначений сигнал. Оскільки кількість кодів може бути дуже великою, то відповідно кількість користувачів також може бути значно більшою, ніж при поділі виділеної смуги частот на окремі канали.

Метод DSSS

Найбільш часто використовується метод розширення спектру DSSS -

розширення спектру методом прямої послідовності (англ. Direct Sequence Spread SpectrumDSSS). В результаті спектр модулюючого сигналу суттєво розширюється, а його амплітуда зменшується (рис. 3.14).

94

Рис.3.14 Спектр сигналу:

а) вузькосмугового, б) з розширеним спектром.

Відношення розширеної ширини спектру ΔFр до мінімальної ширини спектру ΔFм, необхідної для передачі конкретного сигналу, являється коефіцієнтом розширення спектру (коефіцієнтом підсилення системи, базою системи):

Далі, модулюючий цифровий сигнал з розширеним спектром використовується для модуляції несучої частоти. В результаті спектр модулюючого сигналу набуває шумоподібного характеру, а потужність сигналу, який передається, ―розмивається‖ в широкій смузі частот. В системі

DSSS спектр цифрового інформаційного сигналу розширюється шляхом прямого перемноження на псевдо випадкову послідовність.

Нехай Tb – тривалість інформаційного символу (біту). Для представлення одного інформаційного символу використовується двійкова послідовність довжиною G. Кожен елемент двійкової послідовності, який називається чіпом,

триває Тс= Tb/G секунд (рис. 3.15). В результаті отримуємо інформаційний сигнал з розширеним спектром, причому його ширина визначається спектром псевдовипадкової послідовності та розширюється в G разів (3.8).

95

Рис.3.15 Формування широкосмугового модулюючого сигналу методом DSSS

а) блок-схема, б) первинний інформаційний модулюючий сигнал та його спектр, в) індивідуальна розширююча послідовність, г) модульований сигнал з розширеним спектром

Смуги інформаційних сигналів можуть бути розширені з коефіцієнтами G

від 10 до 10000 за рахунок представлення їх спеціальними двійковими послідовностями. Послідовність вибирається таким чином, щоб сторонньому спостерігачу вона здавалась випадковою, тобто її властивості повинні бути подібні на властивості шуму. Оскільки тривалість короткого імпульсу в М разів менша тривалості інформаційного біту, спектр сигналу з представленням інформаційних бітів у вигляді пвевдовипадкової послідовності в М раз ширший за спектр первинного інформаційного сигналу.

96

Кореляційний приймач

З теорії систем зв’язку відомо, що оптимальним для прийому сигналів,

спотворених білим гаусовим шумом, являється кореляційний приймач [10]. Він перемножує спотворений прийнятий сигнал з відомим, синхронізованим відносно прийнятого, опорним сигналом. В нашому випадку опорний – псевдовипадковий сигнал, що використовується в передавачі для розширення інформаційних бітів. На рис. 3.16 приведені структурні схеми передавача та приймача системи DSSS. Вважається, що двійкові інформаційні сигнали,

приведені на рис. 3.16, мають біполярне представлення, тобто представлення псевдовипадкової послідовності (ПВП) інформаційними бітами еквівалентна перемноженню ПВП на -1 або +1.

а)

gm(t).gc(t) Корелятор

r(t) Демодулятор gm(t)

б)

Рис.3.16 Узагальнена структура системи DSSS:

а) передавач, б ) приймач

Формуючий ФНЧ обмежує спектр модулюючого сигналу до величини,

необхідної для каналу зв’язку. Але тепер на вході фільтра сигнал має в G раз

(3.8) більш широкий спектр, тобто і радіосигнал має в G разів більш широкий

97

спектр, порівняно з звичайним вузькосмуговим радіосигналом .

В приймачі вхідний сигнал спочатку поступає на демодулятор Далі,

демодульований сигнал поступає на вхід корелятора та схеми виділення тактової частоти. Тактова частота в даному випадку необхідна для синхронізації роботи генератора кодової послідовності в приймачі.

Відновлення початкового інформаційного сигналу здійснюється з допомогою кореляційної обробки прийнятого сигналу і синхронізованої кодової послідовності приймача.

В кореляційному приймачі здійснюється перемноження вхідного сигналу і кодової послідовності необхідного абонента. В результаті приймається тільки той сигнал, який був розширений за допомогою відповідної кодової послідовності. Для нього результат кореляції вищий за порогове значення, а всі інші сприймаються як шум. Таким чином, не заважаючи один одному, в одній смузі можуть працювати багато абонентів. При цьому кількість одночасно працюючих абонентів визначається тільки кількістю кодів (а їх може бути досить багато) і не залежить ні від робочої частоти, ні від швидкості передачі інформації. Практично кількість абонентів обмежується тільки допустимим шумовим фоном, який створюють багато абонентів. При великій кількості абонентів шумовий фон може бути настільки великим, що базовій станції важко виділити сигнал найбільш віддалених абонентів на фоні високого рівня шуму.

Переваги широкосмугової системи з DSSS

Система DSSS представляє собою альтернативу системам з вузькосмуговим каналом [4]. Розглянемо переваги такої системи. Протягом багатьох років системи з розширеним спектром застосовувались тільки у військових цілях. Псевдошумовий сигнал з потужністю, яка не перевищує рівень шуму, досить важко виявити. Для можливості його розпізнавання приймач повинен знати конкретну ПВП, що використовувалась в передавачі, та бути синхронізованим з передавачем. Відмітимо, що в реальних системах

98

використовуються псевдовипадкові послідовності з періодом від декількох

десятків до багатьох тисяч біт. Вибір послідовності проводиться наступним

чином:

щоб її автокореляційна функція була приблизно рівна нулю незалежно від часового зсуву між послідовністю та її зсунутою копією (вийнятком є лише нульовий зсув, при якому автокореляційна функція приймає своє максимальне значення);

в той же самий час функція взаємної кореляції для різних послідовностей однакової довжини повинна бути рівна нулю для будь-якого часового зсуву між послідовностями.

Нульова автокореляційна функція для будь-яких, відмінних від нуля,

часових зсувів забезпечує стійкість системи до багатопроменевого поширення радіохвиль. Широкосмуговий сигнал значно менше піддається впливу різних завад та перешкод. Розповсюджуючись між базовою станцією і мобільним апаратом, радіохвиля багато разів відбивається від перешкод. В результаті інтерференції сигналів, що пройшли різними шляхами, інтенсивність сигналу в певних точках приймання може різко зменшитись. Тобто, сигнал від передавача до одержувача потрапляє не тільки по найкоротшому шляху - прямій, але й іншими шляхами. Ця властивість розповсюдження радіосигналу називається багатопроменевим поширенням радіохвиль. Багатопроменеве поширення може викликати ряд небажаних ефектів. Радіосигнали, надходячи до одержувача різними шляхами, матимуть різну затримку. В точці прийому сигнали додаються. Якщо при цьому серед відбитих сигналів переважають сигнали,

синфазні прямому, то сумарний сигнал збільшується, якщо більше протифазних сигналів – то сумарний сигнал значно зменшується. Такі явища, в радіотехніці називаються завмираннями або федінгами (fading) і зазвичай спостерігаються в обмежених просторових областях, форма і розташування котрих визначаються розташуванням будівель і довжиною хвилі, на якій ведеться передача.

Стійкість до багатопроменевого поширення сигналу виникає, якщо

99

тривалість чіпа є коротшою за найменшу різницю між затримками поширення сигналу різними шляхами. Сигнал приходить в приймач у вигляді декількох зсунутих в часі копій. Але різниці між часовими зсувами переважно більші тривалості одного чіпа. Отже приймач синхронізується з сильнішою складовою прийнятого сигналу. В результаті кореляційної обробки всі інші копії сигналу відкидаються.

Точно так само, завдяки нульовій взаємній кореляції між двома різними послідовностями, відкидаються сигнали інших користувачів.

Але необхідно звернути увагу на те, що ігнорування всіх прийнятих копій сигналу (за вийнятком самої сильної) не являється оптимальним рішенням.

Воно приводить до втрати інформації, яка міститься у відкинутих ехо-сигналах.

Згадані копії також можна використати після їх виділення та застосувати таким чином, щоб енергія суми сигналів була максимальною. Така операція реалізується в RAKE-приймачі. Він являється основним типом приймача, який використовується в каналах з багатопроменевим поширенням.

З властивостей взаємної кореляції псевдовипадкових послідовностей, які використовуються можна отримати цікаву властивість систем з розширеним спектром. Завдяки тому, що кореляційні пристрої приймача пропускають лише єдину послідовність, один і той же спектр може розділятись між різними користувачами, що використовують різні псевдо випадкові послідовності. Така властивість якраз і лежить в основі методу CDMA.

Розробники військових систем були зацікавлені в системах з розширеним спектром ще й тому, що таким системам властива стійкість до вузькосмугових завад. Вузькосмугова завада здатна ―зіпсувати‖ широкосмуговий сигнал тільки в якомусь відносно вузькому частотному діапазоні, а корисна інформація може бути відновлена на основі непошкоджених ділянок несучого діапазону. Згадана перевага широкосмугового сигналу справедлива також у випадку наявності федінгу.

Сигнали з розширеним спектром мають цікаву особливість. При перемножуванні бітової послідовності з шумоподібною послідовністю (в

100