1.1. Краткая характеристика расширения спектра сигналов методом ППРЧ

1.1.1. Основные принципы и методы расширения спектра сигналов

В случае, когда перед исследователями и разработчиками систем радиосвязи (СРС) встает проблема обеспечения надежной связи в условиях организованных и непреднамеренных помех, многолучевого распространения радиоволн, а также осуществления многостанционного доступа при работе в пакетных сетях радиосвязи, наилучшие результаты могут быть получены при использовании в СРС сигналов с расширением спектра . Основные принципы известных методов расширения спектра сигналов, адекватно отражающие их физическую сущность, приведены в : ...расширение спектра сигнала есть способ передачи, при котором сигнал занимает полосу частот более широкую по сравнению с полосой, минимально необходимой для передачи информации; расширение полосы частот сигнала обеспечивается специальным кодом, который не зависит от передаваемой информации; для последующего сжатия полосы частот сигнала и восстановления данных в приемном устройстве также используется специальный код, аналогичный коду в передатчике СРС и синхронизированный с ним... Таким образом, способ передачи информации с расширением спектра заключается: на передающей стороне – в одновременной и независимой модуляции параметров сигнала специальным кодом (расширяющей спектр функцией) и передаваемым сообщением; на приемной стороне – в синхронной демодуляции сигнала в соответствии с расширяющей спектр функцией и восстановлении переданного сообщения .

Несмотря на то, что принципы расширения спектра сигналов в общем виде были известны уже в 20-30-х годах XX века, теоретической базой для разработки СРС с такими сигналами стала фундаментальная формула К.Е. Шеннона

которая, характеризуя предельные возможности гауссовского канала, кардинальным образом расширяет представление о возможности передачи информации по каналам радиосвязи с ограниченным по полосе аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ).

Так, из (1.1) следует, что пропускная способность (бит/с) канала радиосвязи, после того как она задана, в условиях действия аддитивной гауссовской помехи (шума) с ограниченной средней мощностью (Вт) может быть обеспечена либо использованием широкой полосы частот (Гц) с малым отношением сигнал-помеха , либо – узкой полосы частот (Гц) с более высоким отношением сигнал-помеха , где - средняя мощность сигнала. Следовательно, между полосой пропускания канала и отношением сигнал-помеха в этом канале возможен взаимообмен. При этом в соответствии с зависимостью (1.1) наиболее целесообразным является обмен мощности сигнала на полосу пропускания канала. Например, требуется обеспечить пропускную способность бит/с при отношении сигнал-помеха =. На основе (1.1) канал радиосвязи должен иметь полосу МГц. При большем отношении сигнал-помеха, например , пропускная способность канала радиосвязи бит/с может быть реализована достаточно узкой полосой частот кГц. Формула (1.1) указывает и на то, что при заданном отношении сигнал-помеха в канале радиосвязи с АБГШ пропускная способность может быть увеличена путем соответствующего расширения спектра си шала .

При малых отношениях сигнал-помеха выражение (1.1) принимает вид:

где 1,44 - модуль перехода от двоичных логарифмов к натуральным; в случае больших отношений из (1.1) с хорошим приближением следует, что

Предельное значение пропускная способность для гауссовского канала радиосвязи имеет при

где - односторонняя спектральная плотность мощности белого шума.

Выражение (1.2в) указывает на то, что в канале с шумами даже в предельном случае при отношение сигнал-помеха должно превышать определенное пороговое значение. Так, для передачи бита информации требуемая энергия сигнала (или ) .

Если пропускная способность равна требуемой скорости передачи информации , то из (1.1) и (1.2) видно, что при канал радиосвязи может работать при значительном превышении мощности помехи над мощностью полезного сигнала . Поэтому методы расширения спектра сигналов находят широкое применение в специальных СРС, которые должны обеспечивать надежную связь в условиях радиоэлектронного подавления (РЭП).

Методы расширения спектра могут базироваться на изменении (модуляции) амплитуды, фазы, частоты и временного положения (задержки) сигнала в соответствии со специальным кодом, формируемым на основе псевдослучайной последовательности.

Однако амплитудная модуляция для формирования сигнала с расширением спектра, как правило, не применяется, так как при этом получается сигнал с большим значением пиковой (мгновенной) мощности, который достаточно легко обнаруживается простыми приемниками станций радиотехнической разведки (РТР) .

Из-за недостаточной помехозащищенности самостоятельное применение в СРС не находит и метод расширения спектра за счет модуляции временного положения (задержки) сигнала, так называемый метод псевдослучайной время-импульсной модуляции (ПВИМ) . При методе ПВИМ расширение спектра достигается путем сжатия информационного сигнала во временной области. Сокращение времени передачи каждого информационного сигнала в раз приводит к расширению спектра сигнала в раз и уменьшает до общее время передачи. Информация передается только в заданные интервалы времени, которые следуют друг за другом в соответствии с выбранным кодом. При использовании метода ПВИМ, как и метода расширения спектра за счет амплитудной модуляции, имеет место большой пикфактор, что приводит к нерациональному расходованию мощности передатчика СРС.

Основными, базовыми методами расширения спектра сигналов, широко применяемыми в современных СРС, системах управления и распределения информации, являются:

Метод непосредственной модуляции несущей псевдослучайной последовательностью (ПСП);

Метод псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ);

Метод совместного (комплексного) использования различных методов; например, метода непосредственной модуляции несущей ПСП и метода ППРЧ; метода ППРЧ и метода ПВИМ и другие сочетания.

При первом методе расширение спектра сигнала достигается за счет непосредственной модуляции несущей частоты ПСП , элементы которой генерируются со скоростью , значительно превышающей скорость передачи элементов информационной последовательности , и затем накладываются на каждый информационный символ. Типовым примером таких сигналов являются фазоманипулированные широкополосные сигналы (ФМШПС) . При прямоугольной форме элементов информационной последовательности и при использовании ПСП , обеспечивающей расширение спектра сигнала, двоичный ФМШПС можно описать выражением

На рис.1.4, а, б в идеализированном виде изображены спектральные плотности мощности сигнала и узкополосной помехи в характерных точках структурных схем передатчика и приемника СРС с ФМШПС.

На рис. 1.4 видно, как происходит преобразование спектра полезного сигнала и расширение спектра узкополосной помехи в передающем и приемном устройствах СРС с ФМШПС.

Идея метода расширения спектра скачкообразной перестройкой частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) возникла во время Второй мировой войны, когда радио широко использовалось для секретных переговоров и управления военными объектами, например торпедами. Для того чтобы радиообмен нельзя было перехватить или подавить узкополосным шумом, было предложено вести передачу с постоянной сменой несущей в пределах широкого диапазона частот. В результате мощность сигнала распределялась по всему диапазону, и прослушивание какой-то определенной частоты давало только небольшой шум. Последовательность несущих частот выбиралась псевдослучайной, известной только передатчику и приемнику. Попытка подавления сигнала в каком-то узком диапазоне также не слишком ухудшала сигнал, так как подавлялась только небольшая часть информации.

Идею этого метода иллюстрирует рис. 10.12.

Рис. 10.12. Расширение спектра скачкообразной перестройкой частоты

В течение определенного фиксированного интервала времени передача ведется на неизменной несущей частоте. На каждой несущей частоте для передачи дискретной информации применяются стандартные методы модуляции, такие как FSK или PSK. Чтобы приемник синхронизировался с передатчиком, для обозначения начала каждого периода передачи в течение некоторого времени передаются синхробиты. Так что полезная скорость этого метода кодирования оказывается меньше из-за постоянных накладных расходов на син­хронизацию.

Несущая частота меняется в соответствии с номерами частотных подканалов, вырабатываемых алгоритмом псевдослучайных чисел. Псевдослучайная последовательность зависит от некоторого параметра, который называют начальным числом . Если приемнику и передатчику известны алгоритм и значение начального числа, то они меняют частоты в одинаковой последовательности, называемой последовательностью псевдослучайной перестройки частоты.

Если частота смены подканалов ниже, чем скорость передачи данных в канале, то такой режим называют медленным расширением спектра (рис. 10.13, а); в противном случае мы имеем дело с быстрым расширением спектра (рис. 10.13, б).

Метод быстрого расширения спектра более устойчив к помехам, поскольку узкополосная помеха, которая подавляет сигнал в определенном подканале, не приводит к потере бита, так как его значение повторяется несколько раз в различных частотных подканалах. В этом режиме не проявляется эффект межсимвольной интерференции, потому что ко времени прихода задержанного вдоль одного из путей сигнала система успевает перейти на другую частоту.

Рис. 10.13. Соотношение между скоростью передачи данных и частотой смены подканалов

Метод медленного расширения спектра таким свойством не обладает, но зато он проще в реализации и имеет меньшие накладные расходы.

Методы FHSS применяют в беспроводных технологиях IEEE 802.11 и Bluetooth. В методах FHSS подход к использованию частотного диапазона не такой, как в других методах кодирования - вместо экономного расходования узкой полосы делается попытка занять весь доступный диапазон. На первый взгляд это кажется не очень эффективным - ведь в каждый момент времени в диапазоне работает только один канал. Однако последнее утверждение не всегда справедливо, поскольку коды расширенного спектра можно задействовать также и для мультиплексирования нескольких каналов в широком диапазоне. В частности, методы FHSS позволяют организовать одновременную работу нескольких каналов путем выбора для каждого канала таких псевдослучайных последовательностей, которые в каждый момент времени дают каждому каналу возможность работать на соб­ственной частоте (конечно, это можно сделать, только если число каналов не превышает числа частотных подканалов).

Беспроводные технологии обеспечивают безопасную и надежную связь с удаленными участками производства, когда возможность использования кабельной продукции ограничена. Для организации технического обслуживания беспроводные устройства осуществляют контроль состояния насосов и механизмов, передают данные удаленных станций мониторинга сточных вод и систем ввода/вывода.

В одном из решений беспроводная система получает показания метеостанции и показания расхода сточных вод химического производства. Заводская метеостанция располагается в 2.5 километрах от главного пульта управления, и в ней установлен регистратор, собирающий данные анемометра (скорость ветра), термометра и гигрометра. Регистратор подключен к беспроводному прибору WLM Remote RF компании Moore Industries, работающему на частоте 900 МГц, используя технологию смены рабочей частоты с расширением спектра (FHSS) , передает данные с помощью директорной антенны, установленной на высоком кронштейне неподалеку от метеостанции. Серьезных проблем при эксплуатации пока не возникало.

Казалось, что организовать беспроводную связь со станцией мониторинга сточных вод невозможно. Хотя расстояние от станции до центрального пульта управления всего лишь 500м, радиочастотный сигнал должен был пройти через четырехэтажное здание котельной. Тем не менее, перед монтажом были проведены испытания, и радиосеть работала без проблем. Главный урок из всего этого – беспроводная технология работает даже там, где, как вам казалось, работать не должна. Все что необходимо сделать – протестировать систему.

Существует множество радиотехнологий. Понимание механизмов их функционирования необходимо для выбора лучшего решения для конкретного приложения. Беспроводная сеть может быть лицензируемой или нелицензируемой, с Ethernet или последовательным интерфейсом, с узким диапазоном или расширенным спектром, с безопасным или открытым протоколом, Wi-Fi … список можно продолжать. Эта статья – введение в беспроводную технологию.

Диапазон радиочастот

Диапазон от 9 килогерц (кГц) до тысяч гигагерц (ГГц) может использоваться для организации беспроводной связи. Частоты выше – инфракрасный спектр, спектр освещения, рентгеновские лучи, и т.д. Так как радиочастоты – ресурс ограниченный, используемый теле- и радиостанциями, мобильными телефонами и другими беспроводными устройствами, диапазоны, которые могут использоваться для определенных типов коммуникаций и передачи данных, определяются правительственными учреждениями.

В Соединенных Штатах, Федеральная Комиссия Связи (FCC) распределяет частоты между неправительственными пользователями. FCC определила, что промышленное, научное, и медицинское оборудование должно работать в диапазонах 902-928 МГц, 2400-2483.5 МГц, и 5725-5875 МГц с ограничениями по силе сигнала, мощности и другим параметрам радиопередачи. Эти диапазоны являются нелицензируемыми и могут использоваться свободно в рамках предписаний FCC. Другие диапазоны в спектре могут использоваться после предоставления лицензии. В таблице 1 указаны диапазоны спектра радиочастот и сферы их применения.

Источник: http://encyclopedia.thefreedictionary.com/radio%20frequency

Лицензируемые или нелицензируемые частоты

Лицензия, предоставляемая Федеральной комиссией связи, необходима для работы на лицензируемой частоте. В идеале эти частоты помехоустойчивы, и в случае возникновения помех, нарушитель может быть привлечен к юридической ответственности. Недостатки – сложная и длительная процедура получения лицензии, невозможность приобретения уже доступных устройств, так как они должны быть изготовлены для работы на лицензируемой частоте, и, конечно, затраты на получение лицензии.

Под нелицензируемой частотой понимается частота, определенная Федеральной Комиссией Связи, как свободная для использования без необходимости регистрации и авторизации. В зависимости от места расположения системы существуют ограничения по мощности сигнала. Например, в США в 900 мегагерцовом диапазоне максимальная мощность – 1 ватт или 4 ватта EIRP (эффективной изотропической мощности излучения).

Преимущества использования нелицензируемых частот очевидны: не нужно тратить время и деньги на получение лицензии; многие производители поставляют на рынок продукцию, поддерживающую эти частоты, низкая стоимость ввода в эксплуатацию из-за отсутствия затрат на лицензию. Недостатки лежат в самой идее нелицензируемого диапазона: на одной частоте могут работать одновременно несколько систем, что приводит к возникновению помех и потерям при передаче данных. В этом случае возникает необходимость использования технологии расширения спектра. Передатчики с расширяемым спектром очень эффективно справляются с возникающими помехами и работают даже в условиях радиочастотных шумов.

Системы с расширяемым спектром

Расширяемый спектр – это метод, расширяющий радиочастотный сигнал в широкий диапазон частот при низкой мощности, тогда как при передаче через узкополосный сигнал вся мощность концентрируется на одной частоте. Узкополосным называется сигнал, занимающий небольшой диапазон радиочастотного спектра. Широкополосный сигнал занимает гораздо больший сектор. Две самых распространенных технологии расширения спектра: скачкообразная смена рабочей частоты с расширением спектра (FHSS) и расширение спектра сигнала прямой последовательностью (DSSS).

Как понятно из определения, в устройствах скачкообразного изменения частоты рабочая частота передатчика изменяется через определенный интервал времени. Преимущества скачкообразного изменения очевидны: поскольку передатчик меняет частоту передачи данных настолько часто, что только настроенный по такому же алгоритму приемник способен принять информацию. Приемник должен иметь аналогичную псевдослучайную последовательность принимаемых частот, чтобы в нужное время получить сигнал передатчика на правильной частоте. На рисунке 1 показано как частота сигнала изменяется во времени. Каждый скачкообразный переход имеет одинаковую мощность и время выдержки (время работы на канале). На рисунке 2 зависимости время-частота, видно, что скачок происходит через равные промежутки времени. Последовательность скачков является псевдослучайной.

Рисунок 1. В результате «скачков» несущая частота изменяется. Мощность сигнала остается постоянной.

DSSS объединяет сигнал данных с последовательностью символов, известных как ‘чипы’ – таким образом “расширяя” сигнал по большей полосе. Другими словами, исходный сигнал умножается на сигнал шума, сгенерированный псевдослучайной последовательностью положительного и отрицательного битов. Приемник, умножает полученный сигнал на ту же последовательность, получая исходную информацию (т.к. 1 x 1=1 и -1 x-1 = 1).

Когда сигнал “расширен”, мощность исходного узкополосного сигнала распределяется по широкому диапазону, уменьшая мощность на каждой конкретной частоте (т.н. низкая плотность мощности). На рисунке 3 показан сигнал на узкой части радиочастотного спектра. На рисунке 4, сигнал, расширенный на большую часть спектра, имеет такую же суммарную мощность, но меньшую мощность на каждую частоту. Так как расширение уменьшает силу сигнала на отдельных участках спектра, сигнал может восприниматься как шум. Приемник должен распознать и демодулировать полученный сигнал, очистив исходный сигнал от добавленных «чипов».

Технологии FHSS и DSSS широко используются в промышленности. В зависимости от каждого конкретного случая, та или иная технология может быть лучшим решением. Вместо дискуссий, какая из них лучше, гораздо важнее понимать различия и выбрать технологию, подходящую именно для вашего приложения. Вообще, на выбор влияют следующие характеристики:

Пропускная способность

Коллокация

Интерференция

Дальность связи

Безопасность

Пропускная способность

Пропускная способность – объем данных передаваемых или принимаемых системой за одну секунду. Это один из самых важных факторов при выборе необходимой технологии. DSSS имеет более высокую пропускную способность чем FHSS из-за более эффективного использования полосы частот и работе на большем диапазоне. Для большинства промышленных систем распределенного ввода-вывода данных низкая пропускная способность FHSS не является серьезной проблемой. Однако если увеличивается размер сети или скорость передачи дан ных, этому показателю уделяется боль шее внимание. Большинство радиопередатчиков FHSS имеют пропускную способность 50-115 кбит/с для сети Ethernet. DSSS работает с пропускной способностью 1-10 Мбит/с. Хотя DSSS-передатчики имеют более высокую пропускную способность, чем FHSS аналоги. Найти DSSS-устройство, обеспечивающее аналогичную сетевую безопасность и дальность работы, необхо димые для промышленного производства и SCADA-систем, не так просто.

В отличие от FHSS-передатчиков, работающих с диапазоном 26 мегагерц на базовой частоте 900 мегагерц (902- 928 МГц) и DSSS-передатчиков с диапа зоном 22 МГц на частоте 2.4 ГГц, радиопе редатчики, использующие лицензируемые частоты, ограничены спектром 12.5 кГц. Естественно, так как ширина спектра лимитирована, пропускная способность также ограничена. Большинство пере датчиков, работающих на лицензируемой частоте, предлагает пропускную способ ность 6400 – 19200 бит в секунду.

Коллокация

Под коллокацией понимается возмож ность работы нескольких радиосетей в не посредственной близости друг от друга. Технология DSSS не позволяет несколь- ким радиосетям функционировать по со седству, так как сигнал расширяется по одной полосе частот. Например, в пределах диапазона 2.4 ГГц ISM (промышленный, научный и медицинский диапазон), мож- но использовать только три DSSS канала. Каждый канал расширен до 22 мегагерц спектра, что позволяет работать без пере крытия частот только трем сетям одновре менно.

C другой стороны, благодаря исполь зованию различной последовательности скачков, на одном диапазоне частот могут функционировать несколько FHSS сетей. Последовательность скачков, при которой различные частоты используются в разное время на одной полосе частот, так же называется ортогональной последовательностью. В FHSS применяются программы ортогональной последовательности, обеспечивающие работу нескольких сетей без создания помех. Это – огромное преимущество при разработке больших сетей и необходимости разделения коммуникаций. Большинство лабораторных исследований показывает, что одновременно могут работать до 15 сетей FHSS и только 3 сети DSSS.

Очевидно, по причине работы на одном 12.5 мегагерцовом диапазоне спектра, узкополосные радиостанции не могут быть расположены слишком близко друг к другу.

Интерференция

Интерференция – радиошумы в соседней или той же части радиочастотного спектра. Наложение двух сигналов может генерировать новую радиоволну или привести к потерям данных, передаваемых рабочим сигналом. Технология расширения спектра очень хорошо справляется с возникающими шумами, хотя различные технологии решают эту проблему по-разному. Когда приемник DSSS обнаруживает узкополосный шум, происходит умножение полученного сигнала на значение «чипа» для восстановления исходного сообщения. Тем самым исходный первоначальный сигнал преобразовывается в узкополосный сигнал с большой мощностью; помехи, как широкополосный сигнал малой мощности, игнорируются.

В своей основе механизм, который размещает сигнал DSSS ниже уровня собственных шумов радиосети, позволяет игнорировать узкополосную интерференцию при демодуляции сигнала. Поэтому DSSS очень хорошо работает при сторонних шумах, однако если помеха имеет большую мощность, могут возникнуть серьезные проблемы, т.к. демодуляция не способна уменьшить сигнал помехи ниже мощности исходного сигнала.

Учитывая, что FHSS работает с полосой 83.5 МГц на частоте 4 ГГц и производит сигналы высокой мощности на определенных частотах (аналогично генерации синхронизированных пакетов данных на узкой полосе), тем самым, избегая помех, если узкополосный генератор шумов не работает на одной из используемых частот. Узкополосные шумы, в худшем случае, блокируют несколько скачков, которые система может компенсировать, передав сообщение еще раз на другой частоте. Кроме того, правила Федеральной комиссии связи требуют минимального разделения частоты в последовательности скачков, поэтому возможность создания помех узкополосным сигналом минимизирована.

В случае широкополосных помех, DSSS не работает так же надежно. Поскольку DSSS расширяет сразу весь сигнал на 22 МГц полосы с гораздо меньшей мощностью, при наложении на эти 22 мегагерца шума или более мощного сигнала, могут блокироваться до 100 % передачи DSSS, и только 25 % передачи FHSS. В этом случае, эффективность FHSS падает, но полной потери данных не происходит.

На лицензируемых частотах используется очень узкая полоса, поэтому даже небольшие помехи могут вызвать потерю информации. В этом случае направленные антенны и полосовые фильтры могут использоваться для организации непрерывной коммуникации, и в отношении организатора помех могут применяться юридические меры.

Радиоустройства стандарта 802.11 более подвержены воздействию помех, так как в этом диапазоне работают очень многие приборы. Вы замечали, какие помехи возникают в беспроводном телефоне при работе микроволновой печи? Оба устройства работают в 2.4 ГГц диапазоне, как и остальная часть устройств стандарта 802.11. При использовании таких передатчиков, сетевая безопасность становится серьезным предметом для беспокойства.

Если приемник определенного передатчика расположен к другому передатчику ближе, чем к собственному, возникает проблема взаимодействия приемника с этими передатчиками. Соседние передатчики могут забивать канал приемника посторонними сигналами высокой мощности. В такой ситуации большинство систем DSSS выйдут из строя. В такой же ситуации, несколько скачков FHSS-системы будут заблокированы, но в целом не нарушат работу сети. В случае системы работающей на лицензируемой частоте, эффективность работы системы будет зависеть от частоты постороннего сигнала. Если частота этих сигналов близка или аналогична частоте системы, ваш сигнал будет глушиться, что дает основания для юридического преследования нарушителя, если он не имеет аналогичную лицензию

Дальность связи

Дальность связи определяется возможностью организации коммуникаций, т.е. силой радиочастотной связи между передатчиком и приемником и расстоянием, на котором они могут поддерживать надежное соединение. При работе на одной мощности и с использованием одинакового алгоритма модуляции, радиопередатчик, работающий на частоте 900 МГц, обеспечивает более надежную связь, чем передатчик на 2.4 ГГц. При увеличении частоты радиочастотного спектра, дальность передачи данных уменьшается, при условии, что все остальные параметры остаются неизменными. Способность проникать через стены и объекты с увеличением частоты также уменьшается. Верхние частоты в спектре демонстрируют отражающие свойства. Например, радиоволна 2.4 ГГц может отражаться от стен зданий и туннелей. Это может использоваться для распространения сигнала на большие расстояния. Возможные сложности связаны с возникновением многолучевого распространения или полным отсутствием сигнала, из-за обратного отражения.

Федеральная комиссия связи ограничивает выходную мощность радиопередатчиков с расширенным спектром. DSSS последовательно передает данные с низкой мощностью, как показано выше, и попадает в ограничения Федеральной комиссии связи. Это ограничивает расстояние передачи радиопередатчиков DSSS, и таким образом делает их неподходящими для промышленного рынка. FHSS-передатчики, с другой стороны, передают сигналы высокой мощности на определенных частотах в последовательности скачков, но средняя мощность остается низкой, поэтому соответствует предписаниям. FHSS-сигнал передается с большей мощностью, чем сигнал DSSS, что позволяет работать на больших расстояниях. Большинство передатчиков FHSS могут передавать данные более чем на 20 км или еще большие расстояния, используя антенны с большим коэффициентом усиления.

Радиопередатчики стандарта 802.11, доступны в формате DSSS и в FHSS. Они работают на широком диапазоне частот и со скоростью передачи данных до 54 Мбит/с. Но необходимо отметить, что указанная пропускная способность, очень сильно уменьшается с ростом расстояния между радиомодемами. Например, расстояние 100 м уменьшает скорость с 54 Мбит/с до 2 Мбит/с. Это идеально для небольших офисных или домашних приложений, но не для промышленных приложений, где необходимо передавать данные на несколько километров.

Так как узкополосные радиопередатчики работают на низких частотах, они могут быть хорошим решением в случае, если FHSS не могут обеспечить необходимую дальность передачи. Потребность в использовании узкополосных лицензируемых частот, возникает, когда нужно передать данные на большое расстояние, или передача должна проходить ближе к поверхности Земли, так как организация связи в зоне прямой видимости невозможна.

Безопасность

Так как сигнал DSSS имеет очень маленькую мощность, хакерам не так просто его обнаружить. Одно из главных достоинств DSSS – способность уменьшить энергию сигнала, распределяя мощность первоначального узкополосного сигнала по большей полосе частот, уменьшая в результате спектральную плотность мощности. Это может снизить уровень сигнала до уровня собственных шумов радиосети, таким образом, делая его “невидимым” для потенциальных злоумышленников. В то же время, если «чип», известен или имеет небольшую длину, обнаружить передачу DSSS и восстановить сигнал намного легче, поскольку он имеет ограниченное число несущих частот. Многие системы DSSS предлагают шифрование как функцию безопасности, хотя это увеличивает стоимость системы и уменьшает эффективность работы, вследствие использования дополнительной мощности на кодирование сигнала.

Для успешной настройки на работающую FHSS-систему, злоумышленник должен знать используемые частоты, последовательность скачков, время работы, и метод шифрования. Учитывая, что для диапазона 2.4 ГГц время работы на канале 400 мс и более 75 используемых каналов, почти невозможно обнаружить и следовать за сигналом FHSS, если приемник не сконфигурирован на ту же последовательность скачков. Кроме того, большинство систем FHSS поставляются с расширенными функциями безопасности, такими как динамическое шифрование ключа и контроль циклического избыточного кода.

Сегодня беспроводные локальные сети (WLAN) становятся все более и более популярными. Они используют стандарт 802.11, открытый протокол, разработанный IEEE. Wi-Fi – эмблема стандарта, используемая Ассоциацией контроля совместимости с беспроводным Ethernet (WECA), для сертификации продуктов 802.11. Хотя промышленные FHSS-устройства не поддерживают стандарт Wi-Fi, и поэтому не совместимы с WLAN, при их совместной работе, из-за работы в одной полосе частот, могут возникать помехи. Так как большинство продуктов Wi-Fi работают в 2.4 или 5 гигагерцовых диапазонах, хорошей идеей может оказаться использование, с разрешения руководящего органа, частоты 900 МГц, (в Европе допускается работа только на 2.4 ГГц). Это также обеспечит дополнительную защиту от радиочастотных снифферов (программ, используемых хакерами) применяемых в более популярном 2.4 гигагерцовом диапазоне.

Сетевая безопасность беспроводных технологий является одним из самых обсуждаемых вопросов. Последние статьи о “машине, управляемой хакерами” заставили потенциальных и существующих потребителей засомневаться в эффективности защиты от несанкционированных проникновений в беспроводную сеть. Необходимо понимать, что стандарты 802.11 – стандарты открытые, поэтому легко могут быть взломаны.

Причиной возникшей неразберихи в вопросах безопасности является нечеткое понимание технологии работы различных беспроводных систем. На сегодняшний момент, Wi-Fi (802.11a, b, и g), возможно является лучшей технологией для многих IT-приложений, дома и в небольшом офисе. 802.11 – открытый стандарт, поэтому квалифицированному хакеру достаточно просто обойти защиту сети и перехватить управление системой.

Так как же пользователи беспроводной технологии защищают себя от незаконных проникновений? Во многих приложениях на базе стандарта 802.11 безопасность практически не обеспечивается, и пользователь должен хорошо разбираться в настройке виртуальных частных сетей (VPN), или других сетей безопасности, чтобы защитить себя от нападений. Устройства других стандартов используют протоколы компаний-производителей для защиты сети от злоумышленников, наряду с применением элементов обеспечения безопасности, присущих технологии расширения спектра.

Представление о том, что сети, работающие на лицензируемой частоте, обеспечивают большую безопасность, ошибочно. Если частота известна, можно настроиться на сеть, и подобрав пароль и взломав систему шифрования, получить полный контроль. Все преимущества систем с расширяемым спектром отсутствуют, так как лицензируемые частоты работают в узкой полосе. Скачкообразная смена рабочей частоты с расширением спектра в настоящий момент является самой надежной и безопасной беспроводной технологией.

Ячеистая радиосеть

Технология ячеистой радиосети основана на способности радиопередатчиков взаимодействовать друг с другом. Это решение появилось не так давно и еще не столь широко используется в промышленности. Существует ряд проблем, с которыми разработчики ячеистой технологии пока не могут справиться, например, большая задержка передачи данных и низкая пропускная способность. Концепция ячеистой сети не нова. Интернет и телефонные сети – превосходный пример ячеистой сети в проводном мире, в этих сетях каждый узел может инициировать коммуникацию с другим узлом и обмениваться информацией

В беспроводном мире, полоса пропускания, ограниченный спектр радиочастот и помехи – только часть проблем, с которыми приходится сталкиваться ячеистым сетям. Сейчас эти сети все еще исследуются и развиваются. Новейшие ячеистые технологии, такие как гибридная и структурная ячеистая сети появились совсем недавно. В настоящее время все еще недостаточно данных, подтверждающих необходимую для использования в тяжелых промышленных условиях надежность и безопасность ячеистых сетей,.

Резюме

В заключении можно сказать, что выбор радио-технологии зависит от требований каждого конкретного приложения. Для большинства промышленных производств лучшим решением являются радиоустройства со скачкообразной сменой рабочей частоты с расширением спектра (рисунок 5), благодаря более низкой стоимости в сравнении с радиостанциями, работающими на лицензируемой частоте. Когда большие расстояния ограничивают использование FHSS-узлов с повторителями, для лучшей связи оптимальным решением представляется использование передатчиков, работающих в узкой полосе лицензируемой частоты. Стоимость лицензирования может оказаться меньше стоимость установки дополнительных повторителей FHSS-системы.

Одно из самых простых решений – пригласить одного или нескольких представителей компании-производителя беспроводных устройств на ваш завод и оценить возможность использования предлагаемой технологии. Например, Moore Industries установили на предприятии, упомянутом выше, в качестве «демо-версии» один из своих Wireless Link Module (WLM), и смонтировали всенаправленные антенны и передатчики на удаленных станциях. Испытания показали, что даже четырехэтажное здание не является помехой для беспроводных коммуникаций.

Поверьте, возможности современной беспроводной технологии могут удивить вас.

Приложение

Определения

Полоса	Частота или диапазон частот
Диапазон частот	Диапазон частот, или длина радиочастотного спектра на котором передается сигнал.
Широкополосный канал	Радиоканал с шириной полосы пропускания от 1.5 Мбит/с на полосе 1 МГц
Коллокация	Работа нескольких радиосетей одновременно в одной зоне.
Демодуляция	Процесс получения и выделения первоначального цифрового сигнала из модулированной аналоговой несущей волны
Технология расширения спектра сигнала прямой последовательностью (DSSS)	Технология модуляции, объединяющая информационный сигнал с высокоскоростной битовой последовательностью, известный как «чип», тем самым «расширяя» сигнал на большую полосу.
Эффективная излучаемая мощность (EIRP)	Мощность сигнала излучаемая антенной. Равна мощность передатчика минус потери при передаче (вызванные коаксиальным кабелем, коннекторами, молниеотводами) плюс усиление антенны
Европейский институт стандартизации электросвязи (ETSI)	Европейский регулирующий орган по телекоммуникациям.
Федеральная комиссия связи (FCC)	Регулирующий орган США по коммуникациям
Скачкообразная смена рабочей частоты с расширением спектра (FHSS)	Техника модуляции, при которой частота передачи (несущая частота) изменяется в псевдослучайной последовательности («скачет») через регулярные временные интервалы.
Промышленный, научный и медицинский (ISM) диапазоны	Диапазоны 902-928 MГц, 2400-2483.5 MГц, и 5725-5875 MГц соответственно
Интерференция	Наложение двух и более радиоволн, работающих на соседних или общих частотах, приводящее к появлению дополнительной волновой структуры
Международный союз электросвязи (ITU)	Регулирующий орган ООН по телекоммуникациям
Линия прямой видимости (LOS)	Канал связи между передающей и принимающей антеннами, не имеющий физический препятствий, таких как деревья или здания.
Баланс мощности	Расчет, принимающий во внимание работу всех компонентов, усиливающих и ослабляющих радиосигнал (передатчики, антенны, кабели и т.д.) для определения максимальной дистанции для организации надежной радиосвязи
Многолучевое распространение	Процесс возникновения нескольких каналов распространения сигнала, отличных от первоначального
Узкополосный канал	Радиоканал с шириной полосы пропускания от 50 бит/с до 64 кбит/с
Национальная Администрация по Телекоммуникациям и Информации (NTIA)	Регулирующий орган, распределяющий радиочастоты между правительственными организациями США
Всенаправленная антенна	Антенна, получающая и передающая сигналы во всех направлениях
Спектральная плотность мощности (PSD)	Отношение общей мощность полосы к ширине полосы
Расширение спектра	Метод расширения радиочастотного сигнала по широкой полосе частот с низкой мощностью, в отличии от концентрации всей мощности на единичной частоте, в случае передачи данных по узкополосному каналу.
Пропускная способность	Объем данных, получаемых системой каждую секунду
Трансивер	Радиопередатчик и радиоприемник в общем корпусе
Виртуальная частная сеть (VPN)	Сеть для закрытых коммуникаций, использующая криптографическое туннелирование для обеспечения безопасности незащищенных сетей
Протокол шифрования в беспроводной связи (WEP)	Часть стандарта IEEE 802.11 определяющая требования обеспечения безопасности беспроводной сети
Ассоциация контроля совместимости с беспроводным Ethernet (WECA)	Сертифицирующий орган технологии WLAN
Wireless Fidelity (Wi-Fi)	Логотип стандарта, используемый WECA для обозначения сертифицированных продуктов стандарта 802.11
Wireless Local Area Networks (WLAN)	Компьютерная сеть на базе радиоустройств
Директорная антенна	Антенна, отправляющая и получающая сигналы только в узком секторе

Расширение спектра

Термин расширение спектра был использован многочисленных военныхи коммерческих системах связи. В системах с расширенным спектромкаждый сигнал-переносчик сообщений требует значительно более широкойполосы радиочастот по сравнению с обычным модулированным сигналом. Более широкая полоса частот позволяет получить некоторые полезные

свойства и характеристики, которые трудно достичь другими средствами.

Расширение спектра представляет собой метод формирования сигнала с расширенным спектром с помощью дополнительной ступени модуляции, обеспечивающей не только расширение спектра сигнала, но и ослабление его влияния на другие сигналы. Дополнительная модуляция никак не связана с передаваемым сообщением. Поэтому подобное расширение полосы непозволяет ослабить влияние аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ), как это происходит при широкополосной частотной модуляции.

Преимущества систем с расширенным спектром

спектральной плотности 4) Высокая разрешающая способность при измерениях расстояния 5) Защищённость связи6) Способность противостоять воздействию преднамеренных помех

8) Постепенное снижение качества связи при увеличении числа пользователей одновременно занимающих один и тот же ВЧ канал

9) Низкая стоимость при реализации

10) Наличие современной элементнойбазы (интегральных микросхем).

Основные группы систем с расширенным спектром

В соответствии с архитектурой и используемыми видами модуляции,

системы с расширенным спектром могут быть разделены на следующие основные группы:

Системы с прямым расширением спектра на основе псевдослучайных последовательностей (ПСП), включая системы МДКРК (CDMA).

Системы с перестройкой рабочей частоты (с «прыгающей» частотой), включая системы МДКРК с медленной и быстрой перестройкой рабочей частоты.

Системы множественного доступа с расширенным спектром и контролем несущей (CSMA).

Системы с перестройкой временного положения сигналов («прыгающим» временем).

Системы с линейной частотной модуляцией сигналов (chip modulation). Системы со смешанными методами расширения спектра.

В подвижных системах радиосвязи и беспроводных локальных сетях нашли широкое применение методы прямого расширения спектра, перестройки рабочей частоты и расширения спектра с контролем несущей.

Прямое расширение спектра с помощью псевдослучайных последовательностей

Рис. 1. Структурная схема

системы с прямым

расширением спектра

сигналов с помощью

псевдослучайной

последовательности: а -

передатчик сигналов с

PSK и последующим

расширением спектра; б - эквивалентная схема передатчика, в которой

расширение спектра

осуществляется в полосе модулирующих частот; в - приемник.

Процесс формирования сигналов с расширенным спектром происходит в два этапа: модуляция и расширение спектра (или вторичная модуляции посредством псевдослучайной последовательности). Вторичная

модуляция осуществляется с помощью идеальной операции перемножения g(t)s(t) (рис.1).При таком перемножении формирует

амплитудно-модулированный двухполосный сигнал с подавленной несущей.

PSK сигнал определяется следующим выражением:

где d(t) - нефильтрованный двухуровневый сигнал, имеющий два состояния: +1 и -1; ωпч - промежуточная частота,Ps - мощность сигнала.

В качестве сигнала расширения спектра g(t) используется сигнал псевдослучайной последовательности (ПСП) с частотой следованиясимволов f= 1/Тс. В результате повторной модуляции формируется PSKсигнал с расширенным спектром:

Этот сигнал промежуточной частоты затем переносится вверх на необходимую частоту с помощью синтезатора радиочастоты (РЧ). Здесьω0 обозначает либо промежуточнуюω ПЧ либо радиочастотуωРЧ.

Таким образом, на вход приемника поступает сумма М независимых сигналов с расширенным спектром, занимающих одну и ту же полосу РЧ:

где М - число одновременно передающих (активных) пользователей; g i (t) -ПСП i-й пары передатчик-приемник; s i (t) модулированный сигнал; I(t) -помеха (преднамеренная или собственная);n(t) - АБГШ.

В приемнике пользователя, которому предназначено сообщение, имеетсясинхронизированный во времени сигналg i (t) обеспечивающий сжатия

спектра и представляющий точную копию сигнала ПСП соответствующего передатчика. Полученный после сжатия спектра узкополосный PSK сигнал демодулируется. В приведенном примере используется двоичная фазовая модуляция/демодуляция. Однако возможна реализация и других видов

модуляции, таких, как МSК, GМSК, GFS^ FВРSК и FQFSК.

Если выбран ансамбль некоррелированных сигналов ПСП, то после операции сжатия спектра сохраняется лишь модулированный полезный сигнал. Все другие сигналы, являясь некоррелированными, сохраняют широкополосность и имеют ширину спектра, превышающую граничную полосу пропускания фильтра демодулятора.

приемной частей системыизображенына рис.4. Здесь генератор двоичной ПСП управляет синтезатором частот, с помощью которого осуществляется переход(«перескок») с одной частоты на другую измножества доступных частот. Таким образом, здесь эффект расширения

спектра достигается за счет псевдослучайной перестройки частоты несущей, значение которой выбирается из имеющихся частот f j ,. . . , f N ,

где N может достигать значений несколько тысяч и более.

Если скорость перестройки сообщений (скорость смены частот)

превышает скорость передачи сообщений, то имеем систему с быстрой перестройкой частоты. Если скорость перестройки меньше скорости

передачи сообщений, так что в интервале перестройки передается несколько битов, то имеем систему с медленной перестройкой частоты.

При расширении спектра методом прямой последовательности (direct sequence spread spectrum - DSSS) после обработки исходного сигнала кодом расширения каждому исходному биту ставится в соответствие несколько битов передаваемого сигнала. Степень расширения спектра прямо пропорциональна количеству битов кода. Другими словами, 10-битовый код расширяет полосу частот сигнала в 10 раз больше, чем 1-битовый код.

Один из методов применения DSSS - комбинирование цифрового информа­ционного потока и битовой последовательности кода расширения с использова­нием исключающего ИЛИ. Операция исключающего ИЛИ выполняется согласно следующим правилам:

Пример такого комбинирования приводится на рис. 7.6. Отметим, что бит дан­ных, равный единице, инвертирует биты кода; если же бит данных равен нулю, биты кода расширения передаются без изменений. Комбинация двух последова­тельностей битов имеет такую же скорость передачи, как и последовательность кода расширения. Следовательно, полоса комбинированной последовательности больше полосы последовательности данных. В данном примере скорость переда­чи последовательности битов кода в четыре раза превышает аналогичный пара­метр для битов данных.

DSSS с использованием BPSK

Рассмотрим использование схемы DSSS на практике, предполагая применение модуляции BPSK. Для обозначения двоичных данных удобнее будет использо­вать не нуль и единицу, а "+1" и "−1" соответственно. Как было показано в уравнении (6.5), сигнал BPSK можно описать следующей формулой:

А - амплитуда сигнала;

f c - несущая частота;

d (t ) - дискретная функция, принимающая значение +1, если соответствую­щий бит потока данных равен 1, и −1, когда бит данных равен 0.

Рис. 7.6. Пример использования расширения спектра

методом прямой последовательности

Чтобы получить сигнал DSSS, необходимо умножить s d (t ) на функцию c (t ), которая соответствует псевдослучайной последовательности и принимает значе­ния −1 и +1:

При поступлении сигнала на приемник он еще раз умножается на c (t ). Посколь­ку c (t ) × c (t ) = 1, в результате умножения будет восстановлен исходный сигнал:

Формулу (7.5) можно интерпретировать двояко, откуда следуют две реали­зации описанного метода. Первая интерпретация - умножение c (t ) на d (t ) с по­следующим применением модуляции BPSK (именно такой подход рассматривал­ся выше). Можно также использовать альтернативный подход - модуляцию по схеме BPSK потока данных d (t ) с последующим умножением полученной функ­ции s d (t ) на c (t ).

Рис. 7.7. Система расширения спектра методом

прямой последовательности

Реализация второй трактовки приведена на рис. 7.7 Пример использования такого подхода изображен на рис. 7.8.

Рис. 7.8. Пример системы расширения спектра методом

прямой последователь­ности (модуляция BPSK )

Анализ производительности

Расширение спектра при использовании схемы DSSS определить довольно просто (рис. 7.9). В нашем примере ширина полосы одного бита информационного сиг­нала равна Т , что соответствует скорости передачи данных 1/T . Следовательно, в зависимости от кодировки ширина спектра сигнала будет составлять порядка 2/T . Подобным образом, спектр псевдослучайного сигнала равен 2/Т с . Получаю­щийся расширенный спектр изображен на рис. 7.9, в. Степень расширения пря­мо зависит от скорости передачи псевдослучайной последовательности.

Как и для схемы FSSS, представление об эффективности DSSS можно полу­чить, проанализировав устойчивость системы связи к подавлению. Предполо­жим, что намеренная помеха ставится на центральной частоте системы DSSS. Сигнал помех имеет следующий вид:

Полученный сигнал можно представить так:

s (t ) - переданный сигнал;

s j (t ) - сигнал намеренных помех;

n (t ) - аддитивный белый шум;

S j - мощность сигнала помех.

Рис. 7.9. Приблизительный спектр сигнала DSSS

Устройство сужения спектра в приемнике умножает s r (t ) на c (t ). Компонент сиг­нала, соответствующий намеренным помехам, можно записать в следующем виде:

Таким образом, имеем простое применение модуляции BPSK к несущему тону. Следовательно, мощность несущей S j распределена в полосе, ширина которой приблизительно равна 2/Т с . В то же время демодулятор BPSK (рис. 7.7), следую­щий за устройством сужения спектра, включает полосовой фильтр с шириной полосы 2/T , который согласован с данными BPSK. Значит, большая часть мощ­ности помех отфильтровывается. Хотя строго следует учитывать влияние множе­ства факторов, мощность намеренных помех, которые не были отсеяны полосо­вым фильтром, можно записать приблизительно:

Таким образом, использование расширенного спектра снизило мощность наме­ренных помех в (Т c /Т ) раз. Величина, обратная данному коэффициенту, выража­ет выигрыш в отношении сигнал/шум:

R c - скорость передачи данных кода расширения;

R - скорость передачи данных;

W d - ширина полосы сигнала;

W s - ширина полосы сигнала расширенного спектра.

Результат подобен полученному ранее для схемы FHSS (уравнение (7.3)).