Обгрунтування вибору сигналу для систем тропосферного зв`язку з кодо (стр. 1 из 4)
ОБҐРУНТУВАННЯ ВИБОРУ СИГНАЛУ ДЛЯ СИСТЕМ ТРОПОСФЕРНОГО ЗВ’ЯЗКУ З КОДОВИМ РОЗПОДІЛОМ КАНАЛІВ
1. Основні принципи побудови широкосмугових сигналів
Системи зв’язку з шумоподібними сигналами (ШПС) відомі близько чверті століття. За цей час їхні переваги стали очевидними, а їх недоліки усунені. В теперішній час системи зв’язку з ШПС отримують все більше розповсюдження. Процес розширення областей використання систем зв’язку з ШПС у найближчому майбутньому буде розширюватися. Основи теорії систем зв’язку з ШПС закладені в працях В.А.Котельникова, Шеннона, а основи кодового розподілу каналів в роботах Д.В.Агеєва [2]. Переваги зв’язку такі: по-перше, вони мають високу перешкодозахищеність в умовах потужних перешкод; по-друге, забезпечують кодову адресацію великої кількості абонентів, і їх кодовий розподіл при роботі в загальній смузі частот; по-третє, вони забезпечують прийом інформації з вискою достовірністю. Всі ці якості системи ШПС були відомі давно, але оскільки потужні передавачі повинні бути відносно невеликі, а елементна база не дозволяла реалізувати пристрої формування та обробки в прийнятних габаритах, то довгий час системи зв’язку з ШПС широкого розвитку не мали.
В теперішній момент ситуація суттєво змінилася. Потужність перешкод на вході приймача може на декілька порядків перевищувати потужність корисного сигналу. Для забезпечення високої перешкодозахищеності при подібних перешкодах необхідно використовувати ШПС з дуже великими базами. Слід відмітити, що основи теорії ШПС з великими базами сформувалися лише останнім часом. В свою чергу реалізація пристроїв формування та обробки таких сигналів стає можливим завдяки бурхливому розвитку великих та надвеликих інтегральних мікросхем, спеціалізованих мікропроцесорів, пристроїв з поверхнево-акустичними хвилями, пристроїв із зарядним зв’язком. Усі ці причини і визначили новий період розвитку систем зв’язку з ШПС. Поміж застосуванням в умовах впливу потужних перешкод системи зв’язку з ШПС починають успішно конкурувати з системами зв’язку з частотною модуляцією та частотним роподілом каналів.
Широкосмугові сигнали ще мають назву складних. Складним сигналом називають такий сигнал, добуток тривалості якого на ширину спектру значно більше одиниці.
B=TF; B>>1, ( 1)
де В – база сигналу;
Т – тривалість сигналу;
F – ширина спектру сигнала.
На застосуванні складних сигналів базується технологія, яка дозволяє використовувати вже зайняті частотні діапазони при дотриманні умов повної електромагнітної сумісності [3]. В найближчому майбутньому стратегія розвитку систем багатоканального зв’язку буде заключатися в покращенні показників спектральної ефективності складних сигналів, на застосуванні яких засновано функціонування систем із кодовим розподілом каналів.
Основна ідея технології складних сигналів базується на перетворенні вузькосмугових сигналів з шириною спектру Δf в широкосмуговий із шириною спектру ΔF при постійній енергії сигналів Е, як зображено на рис. 1.
 |
Рис. 1. Перетворення вузькосмугового сигналу в широкосмуговий
Нехай потрібно передати повідомлення, спектр якого має ширину Δf, а спектральна щільність енергії може бути оцінена відношенням Е/f. При використанні широкосмугової передачі в ефір випромінюється сигнал з навмисно розширеною смугою F, так що спекральна щільність енергії відносно сигналу зменшується в F/f разів і складає Е/F. База ж сигналу, яка дорівнює добутку ширини спектру на тривалість, збільшується при цьому в F/f разів.
Із рис. 1 видно, що отриманий складний (шумоподібний) сигнал по відношенню до вихідного простого сигналу являє собою шум з приблизно постійною в межах інтервалу Δf спектральною щільністю енергії. Зрозуміло, що чим більше «розтягнута» смуга ΔF складного сигналу при постійній енергії Е, тим менша спектральна щільність енергії сигналу. В результаті отримана широкосмугова система може чинити на працюючу в цьому ж діапазоні вузькосмугову систему, як завгодно малий вплив.
Відомо декілька способів організації систем із складними сигналами, але в кожному випадку повинно бути виконано ряд умов:
- розширення бази сигналу за допомогою коду;
- кодова синхронізація передавальної та приймальної сторін;
- рівень взаємних перешкод в системі не вище граничного рівня;
- застосування оптимальних кодових послідовностей з метою покращення характеристик системи.
Існують два основних способи розширення бази сигналів [3]:
1) швидка стрибкоподібна зміна несучої частоти;
2) пряме розширення спектру частот.
При стрибкоподібній зміні частоти несучого коливання кожен символ повідомлення передається за допомогою набору дискретних частот.
При використанні другого способу розширення бази, вихідний вузькосмуговий сигнал перемножують на псевдовипадкову послідовність (ПВП), яка складається із N елементів тривалістю δ кожний, ПВП має період повторення Т=Nδ. В цьому випадку база сигналу дорівнює кількості N елементів в періоді ПВП. Алгоритми генерування ПВП відомі та табульовані. На практиці часто використовуються бінарні ПВП, тобто послідовності на основі двійкового алфавіту, які умовно можна позначити +1 і -1. Такі послідовності мають ряд важливих властивостей:
- в ПВП кількість елементів +1 і -1 приблизно однакові;
- відрізок ПСП довжиною r, який складається з +1 або -1 зустрічається в середньому 2/rN разів в послідовності з періодом повторення N;
- автокореляційні функції (АКФ) та взаємнокореляційні функції (ВКФ) таких послідовностей забезпечують оптимальну кореляційну обробку при прийомі.
Принцип розширення бази сигналу по методу прямого розширення спектру частот пояснює рис. 2.
 |
 |
Рис. 2. Принцип методу прямого розширення спектру частот
При цьому слід враховувати, що в цифрових системах зв’язку, які передають інформацію у вигляді двійкових символів, тривалість ШСС та швидкість передачі інформації V зв’язані співвідношенням Т=1/V, через це база ШСС буде рівна
Також застосування ШПС в системах зв’язку дозволяє боротися з багатопроменевим розповсюдженням радіохвиль. Багатопроменевість виникає в тому випадку, якщо радіохвилі приходять в точку прийому, відбившись від різних перешкод на шляху розповсюдження (шари іоносфери, тропосфери, будівлі, пагорби і т.д.).
Через різницю шляху ці радіохвилі приходять з різним запізненням. В результаті, якщо сигнали прийшли по різним шляхам, то вони перекриваються в часі і між ними виникає інтерференція, яка в свою чергу викликає глибокі завмирання результуючого сигналу [3]. Звичайно для компенсації завмирань передбачено підвищення потужності на 20 дБ. Інакше відбувається при застосуванні ШСС, оскільки при обробці ШПС узгодженим фільтром відбувається стиснення ШПС в часі, що показано на рис. 2. На рис. 2 показано ШПС з частотною модуляцією тривалістю Т, а також напругу на виході узгодженого фільтра – відгук на ШПС. Цей відгук називають АКФ. Як видно з даного рисунка, тривалість АКФ – 2Т і в ній можна виділити дві різко різних структури. В центрі АКФ різкий викид у вигляді вузького імпульсу, який називається центральним піком. Його амплітуда дорівнює V, а тривалість τ≈1/F.
На рис. 3 зображено відгук узгодженого фільтра на декілька ШПС, які прийшли різними шляхами. Якщо затримка між променями Δt, більше тривалості τ, то промені розділяються і центральні піки можна розділити один від другого, а потім об’єднати, усунувши затримку між ними. Таким чином умова Δt>τ, забезпечує розділення променів. Оскільки τ і F зв’язані співвідношенням τ=1/F, то умова розділення променів записується наступним чином:
.Шумоподібні сигнали забезпечують добру електромагнітну сумісність (ЕМС) з вузькосмуговими сигналами. На рис. 4 зображено спектр ШПС із шириною спектру F та вузькосмуговою системою із шириною спектру FВ.
 |
Рис. Автокореляційні функції двох сигналів
 |
Рис. 4. Спектри вузькосмугового та ШПС сигналів
Відповідно для ШПС спектральна щільність потужності буде [2]:
. ( 2)Для вузькосмугового сигналу:
. ( 3)Перешкодозахищеність систем зв’язку з ШПС визначається фундаментальним співвідношенням:
. ( 4)Вузькосмугова система має постійний спектр, який можна подавити використавши режекторний фільтр, налаштований на частоту вузькополосної системи. Таким чином вплив такої системи на систему зв’язку з ШПС буде незначний. В свою чергу, широкосмугова система, також слабо впливає на вузькосмугову систему. Потужність ШСС, який приходить на вхід приймача:
. ( 5)