4. Системи цифрового зв’язку з розширеним спектром.

Корисний сигнал d(t), який несе інформацію, передається в системах радіо або оптичного зв’язку завдяки модуляції деяких параметрів несучої електромагнітної хвилі. Почнемо зі спрощеного пояснення цієї модуляції та ширини спектру модульованого сигналу.

Амплітуди електричної або магнітної складових несучої хвилі можна записати спрощено у вигляді гармонічної функції E(t)=Asin(ωt+φ). Три параметри такої функції можна змінювати відповідно до корисного сигналу d(t): амплітуду А; частоту ω; фазу φ. Така зміна параметрів називається модуляцією несучої хвилі. Під час модуляції неминуче розширюється частотний спекр модульованого сигналу, тобто зростає частотна ширина каналу передачі. Зворотня процедура демодуляції, або детектування, виділяє корисний сигнал з несучої у приймачі. Саме таким чином передають інформацію у безпровідних системах зв’язку.

Якщо А=d(t), то модуляцію називають амплітудною. Використовують її віддавна, бо відповідна технічна реалізація є найпростішою та спектр несучої хвилі розширюється найменше. Завдяки останній особливості канал передачі є найвужчим і можна вмістити більше радіостанцій у довгохвильовому, середньохвильовому та короткохвильовому діапазонах радіопередач.

При модуляції частоти або фази спектр несучої хвилі є в кілька раз ширший. Таку модуляцію використовують лише у діапазонах вищих частот (наприклад FM – Frequency Modulation), де можна розмістити більше радіостанцій. Разом з тим ширший спектр несучої помітно покращує якість передачі, бо зменшує вплив завад.

У сучасних системах зв’язку все більше застосовують модуляцію з розширеним спектром. Розглянемо основні засади такої модуляції.

4.1. Модуляція несучої в системах із розширеним спектром.

Системи з розширеним спектром (spread spectrum systems) мають частотний спектр несучої набагато ширший, ніж потрібно традиційним системам. Нехай для пересилання сигналу з шириною спектра F Hz необхідна частотна смуга пропускання каналу становить n*F Hz. За амплітудної модуляції несучої n=2 для звичайної АМ і n=1 для односмугової АМ. Для частотної і фазової модуляцій 2≤n≤20 при значно вищій якості передачі. Для сигнала з розширеним спектром n>100 і може сягати багатьох тисяч.

Сигналам з розширеним спектром притаманні такі особливості:

– складно розпізнати ці сигнали на тлі шуму, а отже перехопити інформацію без дозволу;

– сигнал має високу завадостійкість, а отже потрібна менша потужність передавача;

– можлива одночасна робота багатьох передавачів в одному частотному каналі без створення взаємних завад;

– пропускна здатність каналу зв’язку може динамічно змінюватись і визначається граничним значенням співвідношення сигнал/шум.

Спектр сигнала розширюють, зазвичай, за допомогою псевдо­випадкового сигналу, який має період повторення. Існує три основних методи розширення спектра сигналу:

– пряма амплітудна модуляція широкосмугового псевдовипадкового сигналу з подальшою модуляцією несучої (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum);

– псевдовипадкові зміни частоти несучої (FHSS, Frequency Hoping Spread Spectrum);

– псевдовипадкові стрибки в часі (THSS, Time Hoping Spread Spectrum).

Мірою якості систем передачі сигналів є виграш перетворення (processing gain), що показує стійкість системи до завад в каналі зв’язку. Для систем із модуляцією несучої виграш перетворення G є відношенням ширини частотного спектру несучої S_s після модуляції до ширини спектру корисного сигнала S_d перед модуляцією: G=S_s/S_d.

Розглянемо по черзі всі названі методи модуляції. Але перед тим нагадаємо одне визначення.

Система сигналів s_i(t), і=1,...n, періодичних з періодом Т_р, називається ортонормованою, якщо виконуються наступні умови для кореляційного інтеграла:

Добре відомими є ортонормовані системи гармонічних функцій та кусково-постійних функцій Уолша. Неважко створити ортонормовані системи псевдовипадкових сигналів PN (Pseudo Noise) з періодом повторюва­ності Т_р , які використовують у системах із розширеним спектром.