1.1. Penerangan ringkas tentang lanjutan spektrum isyarat dengan kaedah lompat frekuensi

1.1.1. Prinsip asas dan kaedah pelebaran isyarat

Dalam kes apabila penyelidik dan pemaju sistem komunikasi radio (RCS) berhadapan dengan masalah memastikan komunikasi yang boleh dipercayai dalam keadaan gangguan yang teratur dan tidak disengajakan, perambatan berbilang laluan gelombang radio, serta pelaksanaan pelbagai akses apabila bekerja dalam rangkaian radio paket , hasil terbaik boleh diperoleh apabila digunakan dalam isyarat spektrum penyebaran RCS. Prinsip asas kaedah yang diketahui untuk menyebarkan spektrum isyarat, yang mencerminkan dengan secukupnya intipati fizikalnya, diberikan dalam: ...menyebarkan spektrum isyarat ialah kaedah penghantaran di mana isyarat menduduki jalur frekuensi yang lebih luas daripada jalur minimum yang diperlukan untuk menghantar maklumat; lanjutan jalur frekuensi isyarat disediakan oleh kod khas yang tidak bergantung pada maklumat yang dihantar; untuk pemampatan seterusnya jalur frekuensi isyarat dan pemulihan data, kod khas juga digunakan dalam peranti penerima, sama dengan kod dalam pemancar CPC dan disegerakkan dengannya... Oleh itu, kaedah penghantaran maklumat dengan spektrum penyebaran terdiri daripada : pada bahagian pemancar - dalam modulasi serentak dan bebas parameter isyarat dengan kod khas (menyebarkan fungsi spektrum) dan mesej yang dihantar; pada bahagian penerima - dalam penyahmodulasi segerak isyarat mengikut fungsi penyebaran spektrum dan pemulihan mesej yang dihantar.

Walaupun fakta bahawa prinsip mengembangkan spektrum isyarat dalam bentuk umum telah diketahui pada 20-30-an abad ke-20, asas teori untuk pembangunan SRS dengan isyarat sedemikian adalah formula asas K.E. Shannon

yang, mencirikan keupayaan mengehadkan saluran Gaussian, secara radikal mengembangkan pemahaman tentang kemungkinan menghantar maklumat melalui saluran komunikasi radio dengan bunyi Gaussian putih aditif terhad jalur (AWGN).

Oleh itu, daripada (1.1) ia berikutan bahawa kapasiti (bit/s) saluran komunikasi radio, selepas ia dinyatakan, di bawah pengaruh gangguan Gaussian aditif (bunyi) dengan kuasa purata terhad (W) boleh dipastikan sama ada dengan menggunakan jalur frekuensi lebar ( Hz) dengan nisbah isyarat kepada gangguan yang rendah, atau - jalur frekuensi sempit (Hz) dengan nisbah isyarat kepada gangguan yang lebih tinggi, di mana kuasa isyarat purata. Oleh itu, boleh berlaku pertukaran antara lebar jalur saluran dan nisbah isyarat kepada gangguan saluran tersebut. Dalam kes ini, mengikut pergantungan (1.1), yang paling sesuai ialah menukar kuasa isyarat untuk lebar jalur saluran. Sebagai contoh, ia diperlukan untuk menyediakan bit/s throughput dengan nisbah isyarat-ke-bunyi =. Berdasarkan (1.1), saluran komunikasi radio mesti mempunyai lebar jalur MHz. Dengan nisbah isyarat kepada gangguan yang lebih besar, sebagai contoh, kapasiti bit/s saluran komunikasi radio boleh direalisasikan dalam jalur frekuensi kHz yang agak sempit. Formula (1.1) juga menunjukkan bahawa untuk nisbah isyarat-kepada-gangguan yang diberikan dalam saluran komunikasi radio dengan AWGN, daya tampung boleh ditingkatkan dengan mengembangkan spektrum isyarat secara sepadan.

Untuk nisbah isyarat-ke-bunyi yang kecil, ungkapan (1.1) berbentuk:

di mana 1.44 ialah modulus peralihan daripada logaritma binari kepada logaritma semula jadi; dalam kes nisbah yang besar, ia mengikuti daripada (1.1) dengan anggaran yang baik bahawa

Kapasiti maksimum untuk saluran komunikasi radio Gaussian ialah pada

di manakah ketumpatan spektrum kuasa sehala bagi bunyi putih.

Ungkapan (1.2c) menunjukkan bahawa dalam saluran yang bising, walaupun dalam kes mengehadkan pada, nisbah isyarat kepada gangguan mesti melebihi nilai ambang tertentu. Jadi, untuk menghantar sedikit maklumat, tenaga isyarat yang diperlukan ialah (atau).

Jika daya pemprosesan adalah sama dengan kadar penghantaran maklumat yang diperlukan, maka dari (1.1) dan (1.2) adalah jelas bahawa saluran komunikasi radio boleh beroperasi dengan lebihan kuasa gangguan yang ketara ke atas kuasa isyarat yang berguna. Oleh itu, kaedah untuk mengembangkan spektrum isyarat digunakan secara meluas dalam SRS khas, yang mesti menyediakan komunikasi yang boleh dipercayai dalam keadaan jamming elektronik (ERS).

Kaedah spektrum sebaran boleh berdasarkan perubahan (memodulasi) amplitud, fasa, frekuensi dan kedudukan temporal (kelewatan) isyarat mengikut kod khas yang dihasilkan berdasarkan urutan pseudo-rawak.

Walau bagaimanapun, modulasi amplitud, sebagai peraturan, tidak digunakan untuk menjana isyarat spektrum penyebaran, kerana ini menghasilkan isyarat dengan kuasa puncak (semerta) yang besar, yang agak mudah dikesan oleh penerima mudah stesen peninjauan radio (RTR).

Oleh kerana imuniti hingar yang tidak mencukupi, kaedah mengembangkan spektrum dengan memodulasi kedudukan temporal (kelewatan) isyarat, kaedah yang dipanggil modulasi nadi masa pseudo-rawak (PVPM), tidak menemui aplikasi bebas dalam CRS. Dengan kaedah PVIM, pengembangan spektrum dicapai dengan memampatkan isyarat maklumat dalam domain masa. Mengurangkan masa penghantaran setiap isyarat maklumat dengan faktor membawa kepada pengembangan spektrum isyarat dengan faktor dan mengurangkan jumlah masa penghantaran. Maklumat dihantar hanya pada selang masa tertentu, yang mengikut satu sama lain mengikut kod yang dipilih. Apabila menggunakan kaedah PVIM, serta kaedah penyebaran spektrum disebabkan oleh modulasi amplitud, faktor puncak yang besar berlaku, yang membawa kepada penggunaan kuasa pembaziran pemancar SRS.

Kaedah utama, asas untuk mengembangkan spektrum isyarat, digunakan secara meluas dalam sistem SRS moden, kawalan dan pengedaran maklumat, ialah:

Kaedah modulasi langsung pembawa dengan urutan pseudo-rawak (PSR);

Kaedah penalaan pseudo-rawak frekuensi operasi (PRFC);

Kaedah penggunaan bersama (bersepadu) pelbagai kaedah; contohnya, kaedah modulasi langsung pembawa PSP dan kaedah lompat frekuensi; kaedah PPRF dan kaedah PVIM dan kombinasi lain.

Dalam kaedah pertama, meluaskan spektrum isyarat dicapai melalui modulasi terus frekuensi pembawa PSP, unsur-unsur yang dihasilkan pada kelajuan yang jauh lebih tinggi daripada kadar penghantaran unsur-unsur jujukan maklumat, dan kemudian ditumpangkan pada setiap simbol maklumat. Contoh tipikal isyarat sedemikian ialah isyarat jalur lebar berkunci anjakan fasa (WWPS). Dengan bentuk segi empat tepat bagi unsur-unsur urutan maklumat dan menggunakan PSP, yang memastikan pengembangan spektrum isyarat, PMSHPS binari boleh digambarkan dengan ungkapan

Rajah 1.4, a, b menunjukkan dalam bentuk ideal ketumpatan kuasa spektrum isyarat dan gangguan jalur sempit pada titik ciri rajah struktur pemancar dan penerima SRS dengan FMSPS.

Dalam Rajah. Rajah 1.4 menunjukkan bagaimana spektrum isyarat berguna ditukar dan spektrum gangguan jalur sempit dikembangkan dalam peranti pemancar dan penerima SRS dengan FMSPS.

Apabila menyebarkan spektrum menggunakan kaedah spektrum penyebaran jujukan terus (DSSS), selepas memproses isyarat sumber dengan kod penyebaran, setiap bit sumber diberikan beberapa bit isyarat yang dihantar. Tahap pengembangan spektrum adalah berkadar terus dengan bilangan bit kod. Dengan kata lain, kod 10-bit memanjangkan lebar jalur isyarat 10 kali lebih banyak daripada kod 1-bit.

Satu kaedah untuk menggunakan DSSS adalah untuk menggabungkan aliran maklumat digital dan jujukan bit kod penyebaran menggunakan OR eksklusif. Operasi OR eksklusif dilakukan mengikut peraturan berikut:

Contoh gabungan sedemikian ditunjukkan dalam Rajah. 7.6. Ambil perhatian bahawa bit data yang sama dengan satu menyongsangkan bit kod; jika bit data adalah sifar, bit kod sambungan dihantar tidak berubah. Gabungan dua jujukan bit mempunyai kadar penghantaran yang sama dengan jujukan kod penyebaran. Oleh itu, jalur lebar jujukan gabungan adalah lebih besar daripada lebar jalur jujukan data. Dalam contoh ini, kadar penghantaran jujukan bit kod adalah empat kali lebih tinggi daripada bit data.

DSSSmenggunakanBPSK

Mari kita pertimbangkan penggunaan skema DSSS dalam amalan, dengan mengandaikan penggunaan modulasi BPSK. Untuk menandakan data perduaan, adalah lebih mudah untuk menggunakan bukan sifar dan satu, tetapi "+1" dan "−1", masing-masing. Seperti yang ditunjukkan dalam persamaan (6.5), isyarat BPSK boleh diterangkan dengan formula berikut:

A- amplitud isyarat;

f c- kekerapan pembawa;

d(t) ialah fungsi diskret yang mengambil nilai +1 jika bit yang sepadan bagi aliran data ialah 1, dan −1 apabila bit data ialah 0.

nasi. 7.6. Contoh Spread Spectrum

kaedah urutan langsung

Untuk mendapatkan isyarat DSSS anda perlu mendarab s d (t) untuk berfungsi c(t), yang sepadan dengan urutan pseudo-rawak dan mengambil nilai -1 dan +1:

Apabila isyarat tiba di penerima, ia didarab semula dengan c(t). Kerana c(t) × c(t) = 1, hasil daripada pendaraban isyarat asal akan dipulihkan:

Formula (7.5) boleh ditafsirkan dalam dua cara, yang membayangkan dua pelaksanaan kaedah yang diterangkan. Tafsiran pertama - pendaraban c(t) pada d(t) diikuti dengan penggunaan modulasi BPSK (ini adalah pendekatan yang dibincangkan di atas). Anda juga boleh menggunakan pendekatan alternatif - modulasi BPSK aliran data d(t) diikuti dengan pendaraban fungsi yang terhasil s d (t) pada c(t).

nasi. 7.7. Sistem spektrum sebaran

urutan langsung

Pelaksanaan tafsiran kedua ditunjukkan dalam Rajah. 7.7 Contoh penggunaan pendekatan ini ditunjukkan dalam Rajah. 7.8.

nasi. 7.8. Contoh sistem spektrum sebaran

urutan langsung (modulasiBPSK)

Analisis Prestasi

Penyebaran spektrum apabila menggunakan skema DSSS agak mudah untuk ditentukan (Rajah 7.9). Dalam contoh kami, lebar jalur bagi satu bit isyarat maklumat ialah T, yang sepadan dengan kadar pemindahan data 1/ T. Oleh itu, bergantung pada pengekodan, lebar spektrum isyarat akan mengikut urutan 2/ T. Begitu juga, spektrum isyarat pseudorandom ialah 2/ T Dengan . Spektrum lanjutan yang terhasil ditunjukkan dalam Rajah. 7.9, V. Tahap pengembangan secara langsung bergantung pada kadar penghantaran urutan pseudo-rawak.

Seperti reka bentuk FSSS, pandangan tentang keberkesanan DSSS boleh diperoleh dengan menganalisis rintangan jamming sistem komunikasi. Mari kita andaikan bahawa gangguan yang disengajakan diletakkan pada frekuensi tengah sistem DSSS. Isyarat gangguan mempunyai bentuk berikut:

Isyarat yang diterima boleh diwakili seperti berikut:

s(t) - isyarat dihantar;

s j (t) - isyarat gangguan yang disengajakan;

n(t) - bunyi putih tambahan;

S j - kuasa isyarat gangguan.

nasi. 7.9. Anggaran spektrum isyaratDSSS

Penyebar dalam penerima membiak s r (t) pada c(t). Komponen isyarat yang sepadan dengan gangguan yang disengajakan boleh ditulis seperti berikut:

Oleh itu, kami mempunyai aplikasi mudah modulasi BPSK kepada nada pembawa. Oleh itu, kuasa pembawa S j diedarkan dalam jalur yang lebarnya lebih kurang sama dengan 2/ T Dengan . Pada masa yang sama, penyahmodulasi BPSK (Rajah 7.7), mengikut penyebar, termasuk penapis laluan jalur dengan lebar jalur 2/ T, yang selaras dengan data BPSK. Ini bermakna kebanyakan kuasa gangguan ditapis keluar. Walaupun pengaruh banyak faktor mesti diambil kira dengan ketat, kuasa gangguan yang disengajakan yang belum dihapuskan oleh penapis laluan jalur boleh ditulis lebih kurang:

Oleh itu, penggunaan spektrum penyebaran telah mengurangkan kuasa gangguan yang disengajakan dengan ( T c /T) sekali. Songsangan pekali ini menyatakan keuntungan dalam nisbah isyarat-ke-bunyi:

R c - kadar data kod sambungan;

R - kelajuan pemindahan data;

W d - jalur lebar isyarat;

W s - lebar jalur isyarat spektrum penyebaran.

Hasilnya adalah serupa dengan yang diperoleh sebelum ini untuk skim FHSS (Persamaan (7.3)).

Spektrum sebaran memainkan peranan penting dalam teknologi komunikasi radio. Kaedah ini tidak termasuk dalam mana-mana kategori yang ditakrifkan dalam bab sebelumnya kerana ia boleh digunakan untuk menghantar kedua-dua data digital dan analog menggunakan isyarat analog.

Pada mulanya, kaedah spektrum penyebaran dicipta untuk tujuan risikan dan ketenteraan. Idea utama kaedah ini adalah untuk mengedarkan isyarat maklumat melalui jalur radio yang luas, yang akhirnya menjadikannya lebih sukar untuk menekan atau memintas isyarat. Skim spektrum sebaran pertama yang dibangunkan dikenali sebagai teknik lompat frekuensi. Skim spektrum sebaran yang lebih moden ialah kaedah jujukan terus. Kedua-dua kaedah digunakan dalam pelbagai piawaian dan produk tanpa wayar.

Di bawah, selepas gambaran ringkas, kaedah spektrum penyebaran ini dibincangkan secara terperinci. Selain itu, kaedah capaian berbilang spektrum penyebaran akan diterokai dalam bab ini.

Walaupun kedengaran luar biasa, sambungan spektrum menggunakan kaedah penalaan frekuensi telah dicipta oleh bintang filem Hollywood Hedy Lamarr pada tahun 1940 pada usia 26 tahun. Pada tahun 1942, Lamarr telah mempatenkan ciptaannya (Paten AS 2,292,387 bertarikh 11 Ogos 1942) bersama rakan kongsi yang mula mengambil bahagian dalam kerja itu tidak lama kemudian. Gadis itu tidak menerima sebarang keuntungan daripada paten itu, memandangkan kaedah komunikasi yang ditemuinya sebagai sumbangannya kepada penyertaan AS dalam Perang Dunia II.

7.1. Konsep spektrum sebar

Dalam Rajah. Rajah 7.1 menunjukkan elemen utama sistem spektrum sebaran. Isyarat input disalurkan kepada pengekod saluran, yang menjana isyarat analog dengan lebar jalur yang agak sempit berpusat pada frekuensi tertentu. Isyarat kemudiannya dimodulasi menggunakan urutan nombor yang dipanggil kod penyebaran, atau urutan penyebaran. Biasanya, walaupun tidak selalu, kod sambungan dijana oleh penjana nombor rawak. Hasil daripada modulasi, lebar jalur isyarat yang dihantar berkembang dengan ketara (dengan kata lain, spektrum isyarat diperluaskan). Setelah diterima, isyarat didemodulasi menggunakan kod penyebaran yang sama. Langkah terakhir ialah menghantar isyarat kepada penyahkod saluran untuk memulihkan data.

nasi. 7.1. Gambar rajah umum sistem komunikasi digital menggunakan spektrum sebaran

Spektrum yang berlebihan memberikan faedah berikut.

Imuniti isyarat kepada pelbagai jenis bunyi, serta herotan yang disebabkan oleh perambatan berbilang laluan. Spektrum sebaran pertama kali digunakan untuk tujuan ketenteraan kerana rintangannya terhadap percubaan jamming.

Spread spectrum membolehkan isyarat disembunyikan dan disulitkan. Hanya pengguna yang mengetahui kod sambungan boleh memulihkan data yang disulitkan.

Berbilang pengguna boleh menggunakan jalur frekuensi yang sama secara serentak dengan sedikit gangguan. Sifat ini digunakan dalam teknologi komunikasi mudah alih yang dikenali sebagai pemultipleksan pembahagian kod (CDM), atau capaian berbilang pembahagian kod (CDMA).

Sambungan spektrum

Penggal pengembangan spektrum telah digunakan oleh banyak sistem komunikasi ketenteraan dan komersial. Dalam sistem spektrum sebaran, setiap isyarat pembawa mesej memerlukan lebih banyak lebar jalur frekuensi radio daripada isyarat termodulat konvensional. Jalur frekuensi yang lebih luas membolehkan beberapa berguna

sifat dan ciri yang sukar dicapai dengan cara lain.

Spektrum penyebaran ialah kaedah menjana isyarat spektrum penyebaran dengan menggunakan peringkat modulasi tambahan untuk bukan sahaja meluaskan spektrum isyarat, tetapi juga mengurangkan pengaruhnya pada isyarat lain. Modulasi tambahan tiada kaitan dengan mesej yang dihantar. Oleh itu, pengembangan jalur lebar sedemikian tidak mengurangkan kesan bunyi Gaussian putih aditif (AWGN), seperti yang berlaku dengan modulasi frekuensi jalur lebar.

Faedah Sistem Spread Spectrum

ketumpatan spektrum 4) Resolusi tinggi untuk pengukuran jarak 5) Keselamatan komunikasi 6) Keupayaan untuk menahan kesan gangguan yang disengajakan

8) Penurunan kualiti komunikasi secara beransur-ansur dengan peningkatan dalam bilangan pengguna secara serentak menduduki saluran HF yang sama

9) Kos pelaksanaan yang rendah

10) Ketersediaan asas elemen moden (litar bersepadu).

Kumpulan utama sistem spektrum penyebaran

Mengikut seni bina dan jenis modulasi yang digunakan,

Sistem spektrum penyebaran boleh dibahagikan kepada kumpulan utama berikut:

Sistem spektrum penyebaran langsung berasaskan jujukan pseudo-rawak (PRS), termasuk sistem CDMA.

Sistem dengan ketangkasan frekuensi (frequency hopping), termasuk sistem CDMA dengan ketangkasan frekuensi yang perlahan dan cepat.

Sistem Carrier Sense Multiple Access (CSMA).

Sistem dengan penyusunan semula kedudukan masa isyarat ("masa melompat").

Sistem dengan modulasi frekuensi linear isyarat (modulasi cip). Sistem dengan kaedah campuran untuk menyebarkan spektrum.

Kaedah spektrum penyebaran langsung, lompat frekuensi dan spektrum penyebaran deria pembawa digunakan secara meluas dalam sistem komunikasi radio mudah alih dan rangkaian kawasan tempatan tanpa wayar.

Pengembangan spektrum langsung menggunakan jujukan pseudorandom

nasi. 1. Gambar rajah blok

sistem dengan langsung

pengembangan spektrum

isyarat menggunakan

pseudorandom

urutan: a -

pemancar isyarat dengan

PSK dan seterusnya

pengembangan spektrum; b - litar setara pemancar, di mana

pengembangan spektrum

dijalankan dalam jalur asas; c - penerima.

Proses menjana isyarat spektrum penyebaran berlaku dalam dua peringkat: modulasi dan penyebaran (atau modulasi sekunder melalui urutan pseudo-rawak). Menengah

modulasi dijalankan menggunakan operasi pendaraban ideal g(t)s(t) (Rajah 1). Dengan pendaraban sedemikian ia membentuk

isyarat dua hala termodulat amplitud dengan pembawa yang ditindas.

Isyarat PSK ditakrifkan oleh ungkapan berikut:

dengan d(t) ialah isyarat dua peringkat tidak ditapis yang mempunyai dua keadaan: +1 dan -1; ωf - frekuensi perantaraan, Ps - kuasa isyarat.

Sebagai isyarat lanjutan spektrum g(t), isyarat jujukan pseudo-rawak (PSR) dengan kadar pengulangan simbol f= 1/Тс digunakan. Hasil daripada modulasi berulang, isyarat PSK dengan spektrum lanjutan terbentuk:

Isyarat frekuensi perantaraan ini kemudiannya dipindahkan ke frekuensi yang dikehendaki menggunakan pensintesis frekuensi radio (RF). Di sini ω0 menandakan sama ada perantaraan ω IF atau frekuensi radio ω RF.

Oleh itu, jumlah isyarat spektrum sebaran bebas M yang menduduki jalur RF yang sama diterima pada input penerima:

di mana M ialah bilangan pengguna (aktif) yang menghantar secara serentak; g i (t) -PSP pasangan pemancar-penerima ke-i; s i (t) isyarat termodulat; I(t) - gangguan (sengaja atau disebabkan sendiri); n(t) - AWGN.

Penerima pengguna yang ditujukan mesej mempunyai isyarat disegerakkan masa g i (t) yang menyediakan pemampatan

spektrum dan mewakili salinan tepat isyarat PSP bagi pemancar yang sepadan. Isyarat PSK jalur sempit yang diperolehi selepas pemampatan spektrum didemodulasi. Contoh yang ditunjukkan menggunakan modulasi/penyahmodulasi fasa binari. Walau bagaimanapun, adalah mungkin untuk melaksanakan jenis lain

modulasi seperti MSK, GMSC, GFS^ FBPSC dan FQFSK.

Jika ensemble isyarat PSP yang tidak berkaitan dipilih, maka selepas operasi pemampatan spektrum hanya isyarat berguna termodulat dikekalkan. Semua isyarat lain, yang tidak berkorelasi, mengekalkan jalur lebar dan mempunyai lebar spektrum melebihi lebar jalur pemotongan penapis penyahmodulasi.

Bahagian penerima sistem ditunjukkan dalam Rajah 4. Di sini, penjana PSP binari mengawal pensintesis frekuensi, dengan bantuan peralihan ("melompat") dari satu frekuensi ke frekuensi lain dilakukan dari set frekuensi yang tersedia. Jadi inilah kesan pengembangan

spektrum dicapai melalui penalaan pseudo-rawak frekuensi pembawa, nilai yang dipilih daripada frekuensi yang tersedia f j ,. . . ,fN,

di mana N boleh mencapai nilai beberapa ribu atau lebih.

Jika kelajuan penalaan mesej (kelajuan perubahan frekuensi)

melebihi kelajuan penghantaran mesej, maka kami mempunyai sistem dengan cepat penalaan frekuensi. Jika kelajuan penalaan kurang daripada kelajuan

penghantaran mesej, supaya beberapa bit dihantar dalam selang penalaan, maka kami mempunyai sistem dengan penalaan frekuensi perlahan.

2.4.2. Kaedah spektrum penyebaran langsung. Asas teori komunikasi mudah alih dan tanpa wayar

2.4.2. Kaedah Spektrum Sebaran Langsung

Sifat penting kaedah spektrum penyebaran langsung boleh dianggap bahawa lebar spektrum isyarat memodulasi frekuensi rujukan, dan oleh itu isyarat radio, ditentukan terutamanya bukan oleh kadar penghantaran maklumat berguna, tetapi oleh parameter lebar jalur. Nadi PSP asas dipanggil cip. Setiap bit maklumat, selepas mendarab dengan lebar jalur memori, akan dipaparkan oleh banyak cip. (Sebagai contoh, satu bit maklumat dipaparkan oleh 128 cip PSP.) Kelajuan dalam saluran radio ditentukan sebagai hasil darab kelajuan penghantaran pada output pengekod saluran dan bilangan cip setiap selang satu bit. Biasanya, kelajuan penghantaran saluran radio diukur dalam cip mega sesaat (Mchip/s).

Isyarat spektrum sebaran adalah pseudorandom, iaitu, ia mempunyai sifat yang serupa dengan proses rawak atau hingar, walaupun ia dibentuk menggunakan algoritma deterministik sepenuhnya. PSP selalunya binari dengan unsur 0 dan 1 dan mempunyai sifat yang serupa dengan jujukan binari rawak. Sebagai contoh, jika pada mana-mana selang terhingga bilangan sifar adalah lebih kurang sama dengan bilangan satu, maka fungsi autokorelasi bagi jujukan sedemikian adalah hampir dengan fungsi autokorelasi bagi jujukan binari rawak, khususnya, ia mempunyai nilai yang kecil. pekali korelasi antara salinan urutan yang sama beralih relatif kepada satu sama lain, dsb. Sifat ini digunakan untuk mengenali PSP.

Urutan pseudorandom biasanya dibentuk menggunakan rantai logik yang melaksanakan algoritma deterministik. Dalam Rajah. 2.5 menunjukkan contoh litar sedemikian, yang mengandungi daftar anjakan unsur bersiri bersambung dengan dua keadaan stabil dan beberapa litar logik dalam litar maklum balas.

Urutan binari aksara 0 dan 1 yang disimpan dalam daftar dialihkan ke kanan dalam daftar apabila nadi jam seterusnya digunakan; simbol dari sel terakhir daftar dikeluarkan sebagai simbol seterusnya dalam urutan; simbol semua atau beberapa sel daftar dimasukkan ke dalam litar maklum balas logik, di mana simbol maklum balas dijana dan dihantar ke sel daftar pertama.

Tempoh pengulangan denyutan jam menentukan tempoh simbol asas (cip) jujukan. Jika litar maklum balas logik hanya mengandungi get XOR yang paling biasa digunakan, peranti itu dipanggil penjana jujukan pseudorandom linear (LPG). Dalam kes ini, nilai simbol seterusnya pada output litar maklum balas ditentukan oleh hubungan ulangan berikut:

di mana simbol “+” menandakan modulo penjumlahan 2, dan pekali dan simbol mengambil nilai 0 atau 1. Litar maklum balas logik dalam kes ini ialah penambah modulo 2.

Keadaan awal sel daftar dan struktur litar maklum balas logik sepenuhnya menentukan keadaan sel daftar berikutnya. Jika kita mengambil beberapa keadaan daftar anjakan sebagai yang awal, kemudian melalui N kitaran, keadaan ini akan berulang lagi. Jika pada masa yang sama kita mendaftarkan urutan aksara pada output sel dengan nombor saya, maka panjang jujukan ini akan sama dengan N. Pada seterusnya N dalam bar urutan ini akan berulang lagi, dsb.

Nombor N dipanggil tempoh jujukan. Maknanya N dengan panjang daftar tetap m bergantung kepada bilangan pekali pemberat bukan sifar Dengan dan lokasi pili yang sepadan dalam daftar. Sebagai contoh, daripada kesamaan (2.6) ia mengikuti bahawa jika pada satu ketika keadaan semua sel daftar adalah sama dengan 0, maka semua elemen urutan berikutnya pada output daftar akan menjadi sifar. Terdapat keadaan bukan sifar yang berbeza bagi daftar anjakan. Akibatnya, tempoh lebar jalur linear yang dijana oleh daftar anjakan dengan m sel, tidak boleh melebihi aksara. PSP dengan tempoh , yang dihasilkan oleh daftar anjakan maklum balas linear, dipanggil jujukan panjang maksimum atau, ringkasnya, M-urutan. Tempoh tempoh ulangan PSP boleh berpuluh hingga ratusan jam.

Peranti, rajah berfungsi yang ditunjukkan dalam Rajah. 2.5 boleh dipanggil mesin digital. Jika jujukan yang dijananya diterangkan oleh persamaan (2.6), maka automata tersebut biasanya ditakrifkan oleh polinomial ciri:

di mana dan . Nilai vektor sepenuhnya menentukan struktur mesin penjanaan PSP: jika pekali ialah , maka ini bermakna output nombor sel saya tidak disambungkan ke litar maklum balas; di saya Output th disambungkan.

Terdapat sejumlah besar kaedah untuk menghasilkan jujukan pseudorandom, yang sifat statistiknya dikaji dengan baik. Fungsi autokorelasi mereka mempunyai maksimum yang jelas, dan fungsi korelasi silang mempunyai watak seperti hingar rawak dengan tahap nilai yang rendah. Cara baharu melaksanakan PSP sedang dibangunkan hari ini.

Terdapat dua cara untuk menerima isyarat radio spektrum penyebaran. Sebagai contoh, mula-mula darab jujukan bit asal daripada output pengekod saluran dengan isyarat PSP, dengan itu mengembangkan spektrum. Kemudian gunakan isyarat yang diterima untuk memodulasi ayunan frekuensi pembawa. Untuk modulasi kedua, kaedah modulasi fasa (BPSK, QPSK) atau fasa amplitud (QAM) boleh digunakan. Contoh membina kaedah sedemikian untuk menjana isyarat radio dengan spektrum lanjutan ditunjukkan dalam rajah berfungsi Rajah. 2.6.

nasi. 2.6. Gambar rajah fungsi penjanaan isyarat radio spektrum penyebaran

Penapis jalur asas dalam litar ini direka untuk menghasilkan isyarat jalur asas dengan bentuk ketumpatan spektrum kuasa yang diperlukan dan jalur frekuensi yang diperlukan. Walau bagaimanapun, kini pada input penapis isyarat mempunyai spektrum yang lebih luas, jadi isyarat radio juga mempunyai a DALAM spektrum kali lebih luas daripada isyarat radio jalur sempit konvensional.

Keputusan yang serupa akan diperoleh jika anda mula-mula memodulasi ayunan frekuensi pembawa dengan jujukan sedikit menggunakan kaedah BPSK, QPSK atau QAM, dan kemudian memodulasi isyarat radio yang diterima dengan denyutan PSP.

Penyebaran spektrum langsung dilakukan dengan mendarab isyarat maklumat dengan isyarat PSP , terbentuk daripada urutan pseudo-rawak sepanjang keseluruhan sesi komunikasi. Akibatnya, isyarat modulasi boleh ditulis:

Dalam Rajah. Rajah 2.7 menunjukkan pandangan anggaran bahagian jujukan bit asal, isyarat PSP dan spektrum yang sepadan.

nasi. 2.7. Pandangan anggaran perhubungan antara jujukan bit dan lebar jalur memori

Isyarat spektrum penyebaran mempunyai ciri yang menarik. Apabila jujukan bit mula-mula didarab dengan isyarat PSP (dalam pemancar), spektrum dikembangkan kepada jalur . Pada penerima, isyarat radio spektrum penyebaran input disalurkan kepada penyahmodulator pertama, yang juga dibekalkan dengan lebar jalur yang sama yang digunakan dalam pemancar. Hasil daripada mendarabkan isyarat radio input dengan isyarat PSP pada output penyahmodulasi pertama, isyarat radio diperoleh, spektrum yang sekali lagi mengecil dan menjadi sama lebar dengan spektrum jujukan bit saluran. Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa semasa pendaraban pertama (dalam pemancar) jujukan bit dengan isyarat PRP, spektrum diperluaskan, dan pendaraban kedua (dalam penyahmodulator penerima) dengan PRP yang sama sekali lagi mengecilkan spektrum kepada asal. spektrum bit saluran. Sifat isyarat spektrum penyebaran ini memainkan peranan yang sangat berguna dalam mengurangkan kesan negatif gangguan. Mari kita anggap bahawa terdapat gangguan jalur sempit (sengaja atau rawak) dalam saluran radio, yang spektrumnya berada dalam spektrum lanjutan isyarat. Apabila gangguan, bersama-sama dengan isyarat, mengenai input penerima pada penyahmodulator pertama, isyarat akan menjalani pendaraban kedua oleh PSP, spektrumnya akan mengecil, dan gangguan akan menjalani pendaraban pertama dengan PSP, spektrumnya akan berkembang dan tenaganya akan "tersebar" pada julat frekuensi yang luas (lihat Rajah 2.8, A). Apabila spektrum isyarat berguna diasingkan oleh penapis laluan jalur (contohnya, pada frekuensi pertengahan), hanya sebahagian kecil daripada tenaga gangguan akan jatuh ke dalam jalurnya. Oleh itu, walaupun gangguan jalur sempit yang agak kuat akan mempunyai kesan yang boleh diabaikan.

a – gangguan jalur sempit; b – gangguan jalur lebar

Apabila gangguan jalur lebar mengenai input penerima bersama-sama dengan isyarat berguna (Rajah 2.8, b) selepas pendaraban dengan PSP, spektrum kedua-dua isyarat dan bunyi akan disempitkan secara berkadar. Jika mereka mempunyai jalur yang berbeza dan frekuensi pusat yang berbeza, maka gangguan dan isyarat boleh dipisahkan oleh penapis laluan jalur. Kekebalan terhadap gangguan ini menjadikannya menarik untuk menggunakan isyarat spektrum penyebaran dalam persekitaran gangguan.

Dalam keadaan perambatan isyarat berbilang laluan, salinan yang dipantulkan akan tiba di input penerima dengan kelewatan berbanding isyarat utama. Jika kelewatan salinan lebih lama daripada tempoh cip, maka ia boleh dipisahkan daripada isyarat utama. Dalam isyarat jalur sempit yang dimodulasi oleh denyutan bit, tempoh denyutan bit agak panjang, dan salinan isyarat yang dipantulkan mempunyai masa untuk bertindih dengan isyarat utama. Tempoh denyutan cip adalah lebih pendek, jadi isyarat yang dipantulkan mungkin tidak bertindih dengan isyarat utama.

Satu lagi sifat isyarat spektrum penyebaran harus diperhatikan. Oleh kerana lebar spektrum lanjutan isyarat radio dari satu saluran adalah lebih besar daripada lebar spektrum isyarat yang diperolehi oleh pembahagian frekuensi saluran (jalur sempit), maka dengan kuasa yang dipancarkan yang sama dari isyarat radio ini, spektrum kuasa ketumpatan isyarat dengan spektrum lanjutan ternyata jauh lebih kecil dan mungkin tidak melebihi ketumpatan kuasa spektrum bunyi. Ini memastikan kerahsiaan isyarat jalur lebar yang baik.

Ia juga penting untuk sistem komunikasi mudah alih bahawa tidak perlu menyelesaikan masalah pengagihan frekuensi antara pelanggan yang berbeza, kerana semua pelanggan menggunakan jalur frekuensi yang sama. Untuk kaedah modulasi jalur sempit, menyelesaikan masalah perancangan frekuensi adalah wajib.

Satu ciri penting bagi isyarat jalur lebar ialah asas, maksudnya ialah peningkatan relatif dalam jalur frekuensi isyarat yang dihantar dalam saluran radio berbanding jalur frekuensi isyarat bit (asal). Saiz asas isyarat: . Biasanya, asas isyarat ditentukan dalam desibel: . Dalam amalan, adalah lebih mudah untuk mentakrifkan asas isyarat sebagai hasil daripada lebar spektrum isyarat asal dan tempoh simbol asas PSP (cip): . Atas banyak sebab, adalah mudah untuk menggunakan tempoh cip PSP supaya asas isyarat spektrum penyebaran ialah integer. Pada bahagian penerima adalah mudah untuk menggunakan konsep menang pemprosesan, nilainya secara berangka sama dengan nilai asas isyarat dan bermakna keuntungan disebabkan oleh penyempitan terbalik spektrum daripada dikembangkan kepada asal: .

Mari kita senaraikan secara ringkas beberapa sifat isyarat spektrum penyebaran langsung yang paling penting dari sudut pandangan mengatur berbilang akses dalam sistem komunikasi dengan objek mudah alih.

· Akses berbilang. Jika beberapa pelanggan secara serentak menggunakan saluran penghantaran, maka beberapa isyarat spektrum penyebaran langsung hadir secara serentak dalam saluran. Setiap isyarat ini menduduki keseluruhan lebar jalur saluran. Dalam penerima isyarat pelanggan tertentu, operasi terbalik dijalankan - konvolusi isyarat pelanggan ini dengan menggunakan isyarat pseudo-rawak yang sama yang digunakan dalam pemancar pelanggan ini. Operasi ini menumpukan kuasa isyarat jalur lebar yang diterima semula dalam jalur frekuensi sempit sama dengan lebar spektrum simbol maklumat. Jika fungsi korelasi silang antara isyarat pseudo-rawak pelanggan tertentu dan pelanggan lain adalah cukup kecil, maka semasa penerimaan koheren hanya sebahagian kecil daripada kuasa isyarat pelanggan lain akan jatuh ke dalam jalur maklumat penerima pelanggan. . Isyarat daripada pelanggan tertentu akan diterima dengan betul.

· Gangguan berbilang laluan. Jika isyarat pseudo-rawak yang digunakan untuk menyebarkan spektrum mempunyai fungsi autokorelasi yang ideal yang nilainya di luar selang adalah sama dengan sifar, dan jika isyarat yang diterima dan salinan isyarat ini dalam rasuk lain dialihkan mengikut masa dengan jumlah yang lebih besar daripada , maka apabila isyarat dilipat, salinannya boleh dianggap sebagai gangguan yang mengganggu yang hanya memasukkan sebahagian kecil kuasa ke dalam jalur maklumat.

· Gangguan jalur sempit. Dengan penerimaan koheren, penerima mendarabkan isyarat yang diterima dengan salinan isyarat pseudo-rawak yang digunakan untuk menyebarkan spektrum dalam pemancar. Akibatnya, operasi menyebarkan spektrum gangguan jalur sempit akan dijalankan dalam penerima, sama seperti yang dilakukan dengan isyarat maklumat dalam pemancar. Akibatnya, spektrum gangguan jalur sempit pada penerima akan diperluaskan dengan DALAM masa di mana DALAM- faktor penyebaran, supaya hanya sebahagian kecil daripada kuasa gangguan akan jatuh ke dalam jalur frekuensi maklumat, dalam DALAM kali kurang daripada kuasa gangguan asal.

· Kebarangkalian pemintasan. Memandangkan isyarat spektrum penyebaran langsung menduduki keseluruhan jalur frekuensi sistem semasa keseluruhan masa penghantaran, kuasa terpancarnya setiap 1 Hz lebar jalur akan menjadi sangat kecil. Oleh itu, mengesan isyarat sedemikian adalah tugas yang sangat sukar.

Penggunaan isyarat jalur lebar mempunyai kelebihan dan kekurangannya, yang umumnya wujud dalam mana-mana kaedah pembentukannya.

Kelebihan isyarat jalur lebar:

• penjanaan isyarat pseudo-rawak yang diperlukan boleh disediakan oleh peranti mudah (daftar anjakan);
• operasi spektrum sebaran boleh direalisasikan dengan pendaraban mudah atau penambahan isyarat digital modulo 2;
• penjana gelombang pembawa adalah mudah, kerana perlu menghasilkan gelombang pembawa harmonik dengan hanya satu frekuensi;
• penerimaan isyarat koheren dengan spektrum penyebaran langsung boleh direalisasikan;
• tidak perlu memastikan penyegerakan antara pelanggan sistem.

Kelemahan isyarat jalur lebar:

• Menjajarkan dan mengekalkan penyegerakan antara kod pseudo-rawak yang dijana pada penerima dan yang terkandung dalam isyarat yang diterima adalah tugas yang sukar. Penyegerakan mesti dikekalkan dalam sebahagian kecil daripada tempoh simbol asas;
• Penerimaan maklumat yang betul hanya dipastikan dengan ketepatan tinggi penyegerakan masa, apabila ralat adalah sebahagian kecil daripada tempoh simbol asas, yang mengehadkan kemungkinan mengurangkan tempoh simbol ini dan, akibatnya, kemungkinan mengembangkan lebar jalur hanya kepada 10...20 MHz. Oleh itu, terdapat had untuk meningkatkan faktor penyebaran;
• Kuasa isyarat yang diterima daripada pelanggan yang dekat dengan BS jauh lebih tinggi daripada kuasa isyarat pelanggan yang jauh. Akibatnya, pelanggan "dekat" sentiasa mencipta gangguan yang sangat kuat untuk pelanggan "jauh", sering menjadikan penerimaan isyaratnya mustahil. Masalah jarak dekat ini boleh diselesaikan dengan menggunakan sistem untuk mengawal kuasa yang dikeluarkan oleh stesen pengguna dan stesen pangkalan ke arah stesen pengguna. Tujuan kawalan adalah untuk memastikan kuasa purata isyarat yang sama daripada pengguna yang berbeza pada input penerima stesen pangkalan.