Системы связи с прямым расширением спектра (стр. 1 из 2)

Системы связи с прямым расширением спектра

1 Методы широкополосной передачи

Свое название широкополосные системы связи получили вследствие того, что полоса, занимаемая используемыми в них сигналами, намного шире полосы, необходимой для передачи непосредственно информации. Одной из первых таких систем, являлась разработанная в конце 1950-х гг. система «Рейк». В этой системе за счет использования метода широкополосной передачи удалось обеспечить устойчивую связь в условиях многолучевого распространения.

Методы широкополосной передачи позволили осуществить разделение нескольких лучей с различным запаздыванием и тем самым устранить эффект замирания сигналов, вызванный многолучевым распространением.

В специальных системах методы широкополосной передачи позволяют организовать устойчивую передачу информации в условиях действия преднамеренных помех, мощность которых на входе приемника может превышать мощность полезных сигналов в сотни и тысячи раз.

Кроме того, в таких системах использование методов широкополосной передачи позволяет затруднить средствам радиоразведки обнаружение факта передачи, т.е. повысить ее скрытность. В сотовых и спутниковых системах связи методы широкополосной передачи позволяют обеспечить одновременную работу многих пользователей в общей полосе частот, т.е. реализовать метод многостанционного доступа, основанный на разделении сигналов по форме (CDMA - CodeDivisionMultipleAccess).

В системах радиолокации использование методов широкополосной передачи позволяет повысить точность измерения дальности до цели при прочих равных условиях, а также преодолеть известное противоречие между дальностью действия локатора и его разрешающей способностью.

Среди методов широкополосной передачи в цифровых системах связи с расширенным спектром (SpreadSpectrum - SS) наибольшее распространение получили два основных методах расширения (широкополосной модуляции):

- спрямымрасширениемспектра (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS);

- с частотными скачками (FrequencyHoppingSpreadSpectrum - FHSS) или отечественное название - с псевдослучайной перестройкой рабочих частот (ППРЧ).

Первый метод расширения спектра DSSS основан на использовании псевдослучайных последовательностей (ПСП).

Такие сигналы обычно называют широкополосными (ШПС), или шумоподобными. Наиболее полное изложение теории и техники шумоподобных сигналов можно найти в работах Л. Е. Варакина. Укрупненная функциональная схема (модель) цифровой системы связи с DSSS приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Модель цифровой системы связи с ШПС

Генераторы ПСП на передающей и приемной сторонах идентичны. Именно они сначала применяются для расширения спектра передаваемых по каналу связи сигналов, а затем перед демодуляцией для его сжатия.

Для расширения спектра в такой схеме применяют фазовую манипуляцию (BinaryPhaseShiftKeying - BPSK), а получаемые при этом сигналы, называют BPSK/ DSSS.

Информационная манипуляция также фазовая, хотя возможна и произвольная. В модуляторе сначала осуществляется перемножение кодированных символов с ПСП (расширение спектра), а затем непосредственно фазовая манипуляция.

Второй часто используемый метод широкополосной передачи основан на псевдослучайной перестройке рабочей частоты сигнала (ППРЧ). Укрупненная функциональная схема (модель) цифровой системы связи с ППРЧ приведена на рис. 2

Рисунок 2 - Модель цифровой системы связи с ППРЧ

Отличаются две схемы тем, что во второй расширение спектра осуществляется не за счет перемножения кодированной информации с ПСП, а за счет вырабатываемой синтезатором и перестраиваемой по псевдослучайному закону рабочей (несущей) частоты модулятора.

На приемной стороне производится обратное преобразование, что приводит к сжатию спектра перед демодуляцией.

При ППРЧ информационная манипуляция также может быть произвольной, хотя следует отметить, что в этом случае в моменты смены частот могут наблюдаться случайные скачки начальной фазы несущей, поэтому может потребоваться некогерентная демодуляция, а это заметно снижает эффективность кодирования.

В обоих случаях расширения спектра формируется радиосигнал, полоса частот которого значительно превышает спектр сигнала исходного сообщения.

При этом в отличие от радиотехнологий с узкополосной модуляцией, энергия сигнала не сосредоточена на небольшом интервале вокруг несущего колебания, а распределена во всей выделенной полосе. В результате введения такой частотной избыточности достигается целый ряд преимуществ:

- повышается помехоустойчивость;

- обеспечивается противостояние воздействию преднамеренных помех;

- обеспечивается возможность кодового разделения каналов для многостанционного доступа на его основе;

- повышается энергетическая скрытность благодаря низкому уровню спектральной плотности;

- обеспечивается высокая разрешающая способность при измерениях расстояния;

- обеспечивается защищенность сеанса связи;

- повышается пропускная способность и спектральная эффективность;

- обеспечивается постепенное снижение качества связи при увеличении числа пользователей, одновременно занимающих один и тот же ВЧ канал (в отличие, например, от ЧМ);

- дешевизна при реализации;

- наличие современной элементной базы.

Для современных средств связи такие аспекты как повышенная помехоустойчивость и противостояние воздействию преднамеренных помех и работа в среде с множественным доступом имеют ключевое значение.

2 Сопротивляемость помехам широкополосных систем связи

Сопротивляемость широкополосных систем связи помехам рассмотрим при воздействии белого шума и преднамеренных помех (рис. 3). Пусть G(f) - спектральная плотность мощности сигнала до расширения, а G_ss(f) - после расширения (рис.3 а). Как видно из рисунка, односторонняя спектральная плотность мощности белого шума N_о не изменяется при расширении полосы сигнала с W до W_ss. Следовательно, расширение спектра не улучшает качества связи при наличии белого гауссовского шума.

На рис. 3 б представлены преднамеренные помехи ограниченной мощности P_J со спектральной плотностью мощности J₀^’=P_J /W, где W - ширина спектра исходного нерасширенного сигнала, подвергающегося воздействию помех.

После расширения спектра преднамеренная помеха может воздействовать

- в виде рассеянной по всему диапазону сигнала спектральной плотности мощности помехи J₀=P_J/W_ss (при этом J₀ в W/W_ss раз меньше J₀'). Получаемую спектральную плотность шумов J₀ называют спектральной плотностью мощности широкополосной преднамеренной помехи.

Рисунок 3 – Сопротивляемость широкополосных систем связи при воздействии а)белого шума и б) преднамеренных помех

- в виде сосредоточенной в полосе W узкополосной помехи, меньшей широкополосного сигнала W_ss. При этом количество точек диапазона, в которых создаются помехи, уменьшается, хотя и увеличивается спектральная плотность помехи с J₀ до J₀/ρ (0<ρ≤1), где ρ — часть полосы расширенного спектра, в которой создаются помехи.

Как видно, в любой из этих ситуаций воздействие помех на широкополосную систему имеет частичное воздействие: либо уменьшается спектральная плотность мощности помехи, либо помеха действует на часть спектра широкополосного сигнала.

3 Учет влияния преднамеренных помех в системе DSSS

САРД работают в условиях сложной помеховой обстановки и особенно присутствия преднамеренных помех от аналогичного оборудования. Обычно уровень ошибок в канале связи рассматривается как функция помех при наличии теплового шума. При этом основное внимание уделяется различию между требуемым и фактическим отношением сигнал/шум E_b/N₀ (здесь E_b – энергия бита, N₀ – спектральная мощность плотности шума).

С учетом присутствия преднамеренных помех, вероятность ошибок в канале рассматривается как функция суммы помех теплового шума и широкополосного гауссова шума, созданного станцией преднамеренных помех. Поэтому отношение сигнал/шум необходимо рассматривать с учетом преднамеренных помех как

E_b/(N₀+J₀), (1)

где J₀ =P_J/ W_ss — спектральная плотность мощности преднамеренных помех, P_J - средняя мощность преднамеренных помех, полученная приемником; W_ss — ширина полосы расширенного спектра.

В общем случае мощность станции преднамеренных помех значительно выше мощности теплового шума. Поэтому суммарную величину отношения сигнал/шум можно считать равной E_b/J₀, подразумевая при этом отношение энергии бита данных к спектральной плотности мощности преднамеренной помехи, которое обеспечивает поддержание заданного уровня вероятности ошибок в канале связи.

Энергию бита E_b можно выразить как

, (2)

где P_s— мощность принятого сигнала, Т_b — время передачи бита, R_b=1/Т_b - скорость передачи данных (бит/с). Тогда (2) можно записать следующим образом:

(3)

где G_p= W_ss/ R_b — коэффициент расширения спектра сигнала.

Отношение сигнал/шум может быть выражено и в таком виде:

(4)

Здесь отношение (P_J/P_s)_треб —критерий качества, который определяет степень невосприимчивости системы связи к помехам. На рис. 4 приведены зависимости степени невосприимчивости системы связи к помехам от отношения сигнал/преднамеренная помеха (E_b/J₀)_треб.