В технологиях радиосвязи крайне важную роль играет расширенный спектр. Данный метод не подпадает ни под одну из категорий, определенных в предыдущей главе, поскольку может быть использован для передачи как цифровых, так и аналоговых данных с помощью аналогового сигнала.
Изначально метод расширенного спектра создавался для разведывательных и военных целей. Основная идея метода состоит в том, чтобы распределить информационный сигнал по широкой полосе радиодиапазона, что в итоге позволит значительно усложнить подавление или перехват сигнала. Первая разработанная схема расширенного спектра известна как метод перестройки частоты. Более современной схемой расширенного спектра является метод прямой последовательности. Оба метода используются в различных стандартах и продуктах беспроводной связи.
Ниже, после краткого обзора, названные методы расширенного спектра рассматриваются подробно. Кроме того, в данной главе будет исследован метод множественного доступа на основе расширения спектра.
Как бы невероятно это не звучало, но расширение спектра методом перестройки частоты придумала голливудская кинозвезда Хеди Ламарр (Hedy Lamarr) в 1940 году в возрасте 26 лет. В 1942 году Ламарр запатентовала свое изобретение (патент США 2 292 387 от 11 августа 1942 г.) совместно с партнером, который начал принимать участие в работе несколько позже. Девушка не получила никакой прибыли от патента, считая открытый ею метод связи своим вкладом в участие США во второй мировой войне.
7.1. Понятие расширенного спектра
На рис. 7.1 приведены ключевые элементы системы расширенного спектра. Входной сигнал поступает на канальный кодер, который генерирует аналоговый сигнал со сравнительно узкой полосой, центрированной на определенной частоте. Далее сигнал модулируется с помощью последовательности чисел, именуемой кодом расширения, или расширяющей последовательностью. Обычно, хотя и не всегда, код расширения создается генератором случайных чисел. В результате модуляции полоса передаваемого сигнала значительно расширяется (другими словами, расширяется спектр сигнала). После приема сигнал демодулируется с использованием того же кода расширения. Последний шаг - сигнал подается на канальный декодер для восстановления данных.
Рис. 7.1. Общая схема цифровой системы связи с использованием расширенного спектра
Избыток спектра дает возможность получить следующие преимущества.
Невосприимчивость сигнала к различным типам шумов, а также к искажениям, вызванным многолучевым распространением. Впервые расширенный спектр был использован в военных целях благодаря устойчивости расширенного сигнала к попыткам подавления.
Расширенный спектр позволяет скрывать и шифровать сигналы. Восстановить зашифрованные данные сможет только пользователь, которому известен код расширения.
Несколько пользователей могут одновременно использовать одну полосу частот при крайне малой взаимной интерференции. Данное свойство используется в технологии мобильной связи, известной как уплотнение с кодовым разделением (code division multiplexing - CDM), или множественный доступ с кодовым разделением (code division multiple access - CDMA).
Метод прямой последовательности (DSSS) можно представить себе следующим образом. Вся используемая «широкая» полоса частот делится на некоторое число подканалов - по стандарту 802.11 этих подканалов 11. Каждый передаваемый бит информации превращается, по заранее зафиксированному алгоритму, в последовательность из 11 бит, и эти 11 бит передаются как бы одновременно и параллельно (физически сигналы передаются последовательно), используя все 11 подканалов. При приёме, полученная последовательность бит декодируется с использованием того же алгоритма, что и при её кодировке. Другая пара приёмник-передатчик может использовать другой алгоритм кодировки - декодировки, и таких различных алгоритмов может быть очень много.
Первый очевидный результат применения этого метода - защита передаваемой информации от подслушивания («чужой» DSSS-приёмник использует другой алгоритм и не сможет декодировать информацию не от своего передатчика).
При этом сильно уменьшается отношение уровня передаваемого сигнала к уровню шума, (то есть случайных или преднамеренных помех), так что передаваемый сигнал уже как бы неразличим в общем шуме. Но благодаря его 11-кратной избыточности принимающее устройство все же сумеет его распознать.
Еще одно чрезвычайно полезное свойство DSSS-устройств заключается в том, что благодаря очень низкому уровню мощности своего сигнала они практически не создают помех обычным радиоустройствам (узкополосным большой мощности), так как эти последние принимают широкополосный сигнал за шум в пределах допустимого. И наоборот - обычные устройства не мешают широкополосным, так как их сигналы большой мощности «шумят» каждый только в своем узком канале и не могут целиком заглушить весь широкополосный сигнал.
Использование широкополосных технологий дает возможность использовать один и тот же участок радиоспектра дважды - обычными узкополосными устройствами и «поверх них» - широкополосными.
Энциклопедичный YouTube
1 / 3
☙◈❧ Сэнсэй-3 . ͟͟И͟͟с͟͟к͟͟о͟͟н͟͟н͟͟ы͟͟й͟͟ ͟͟Ш͟͟а͟͟м͟͟б͟͟а͟͟л͟ы͟ ☙◈❧ Анастасия Новых. аудиокниги
2012 Crossing Over A New Beginning "FIRST EDITION"
☙◈❧ Эзоосмос ☙◈❧ Необычная рыбалка. Скрытая реальность. Тамга Прави. Анастасия Новых.
Технология
В каждый передаваемый информационный бит (логический 0 или 1) встраивается последовательность так называемых чипов. Если информационные биты - логические нули или единицы - при потенциальном кодировании информации можно представить в виде последовательности прямоугольных импульсов, то каждый отдельный чип - это тоже прямоугольный импульс, но его длительность в несколько раз меньше длительности информационного бита. Последовательность чипов представляет собой последовательность прямоугольных импульсов, то есть нулей и единиц, однако эти нули и единицы не являются информационными. Поскольку длительность одного чипа в n раз меньше длительности информационного бита, то и ширина спектра преобразованного сигнала будет в n раз больше ширины спектра первоначального сигнала. При этом и амплитуда передаваемого сигнала уменьшится в n раз.
Чиповые последовательности, встраиваемые в информационные биты, называют шумоподобными кодами (PN-последовательности), что подчеркивает то обстоятельство, что результирующий сигнал становится шумоподобным и его трудно отличить от естественного шума.
Используемые для уширения спектра сигнала чиповые последовательности должны удовлетворять определённым требованиям автокорреляции . Под термином автокорреляции в математике подразумевают степень подобия функции самой себе в различные моменты времени. Если подобрать такую чиповую последовательность, для которой функция автокорреляции будет иметь резко выраженный пик лишь для одного момента времени, то такой информационный сигнал возможно будет выделить на уровне шума. Для этого в приёмнике полученный сигнал умножается на ту же чиповую последовательность, то есть вычисляется автокорреляционная функция сигнала. В результате сигнал становится опять узкополосным, поэтому его фильтруют в узкой полосе частот и любая помеха, попадающая в полосу исходного широкополосного сигнала, после умножения на чиповую последовательность, наоборот, становится широкополосной и обрезается фильтрами, а в узкую информационную полосу попадает лишь часть помехи, по мощности значительно меньшая, чем помеха, действующая на входе приёмника (если не используется приёмник с алгоритмом Боцмана).
Метод расширения спектра скачкообразной перестройкой частоты (FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum) основан на постоянной смене несущей в пределах широкого диапазона частот.
Частота несущей F1, …, FN случайным образом меняется через определенный период времени, называемый периодом отсечки (чип) , в соответствии с выбранным алгоритмом выработки псевдослучайной последовательности. На каждой частоте применяется модуляция (FSK или PSK). Передача на одной частоте ведётся в течение фиксированного интервала времени, в течение которого передаётся некоторая порция данных (Data). В начале каждого периода передачи для синхронизации приемника с передатчиком используются синхробиты, которые снижают полезную скорость передачи.
В зависимости от скорости изменения несущей различают 2 режима расширения спектра:
· медленное расширение спектра – за один период отсечки передается несколько бит;
· быстрое расширение спектра – один бит передается за несколько периодов отсечки, то есть повторяется несколько раз.
В первом случае период передачи данных меньше периода передачи чипа , во втором – больше.
Метод быстрого расширения спектра обеспечивает более надёжную передачу данных при наличии помех за счёт многократного повторения значения одного и того же бита на разных частотах, но более сложен в реализации, чем метод медленного расширения спектра.
Прямое последовательное расширение спектра
Метод прямого последовательного расширения спектра (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum) состоит в следующем.
Каждый «единичный» бит в передаваемых данных заменяется двоичной последовательностью из N бит, которая называется расширяющей последовательностью , а «нулевой» бит кодируется инверсным значением расширяющей последовательности. В этом случае тактовая скорость передачи увеличивается в N раз, следовательно, спектр сигнала также расширяется в N раз.
Зная выделенный для беспроводной передачи (линии связи) частотный диапазон, можно соответствующим образом выбрать скорость передачи данных и значение N , чтобы спектр сигнала заполнил весь диапазон.
Основная цель кодирования DSSS как и FHSS – повышение помехоустойчивости.
Чиповая скорость – скорость передачи результирующего кода.
Коэффициент расширения – количество битов N в расширяющей последовательности. Обычно N находится в интервале от 10 до 100. Чем больше N , тем больше спектр передаваемого сигнала.
DSSS в меньшей степени защищен от помех, чем метод быстрого расширения спектра.
Множественный доступ с кодовым разделением
Методы расширения спектра широко используются в сотовых сетях, в частности, при реализации метода доступа CDMA (Code Division Multiple Access) – множественный доступ с кодовым разделением . CDMA может использоваться совместно с FHSS, но в беспроводных сетях чаще с DSSS.
Каждый узел сети использует собственную расширяющую последовательность, которая выбирается так, чтобы принимающий узел мог выделить данные из суммарного сигнала.
Достоинство CDMA заключается в повышенной защищенности и скрытности передачи данных: не зная расширяющей последовательности, невозможно получить сигнал, а иногда и обнаружить его присутствие.
Технология WiFi. Технология WiМах. Беспроводные персональные сети. Технология Bluetooth. Технология ZigBee. Беспроводные сенсорные сети. Сравнение беспроводных технологий.
Технология WiFi
Технология беспроводных ЛВС (WLAN) определяется стеком протоколов IEEE 802.11, который описывает физический уровень и канальный уровень с двумя подуровнями: MAC и LLC.
На физическом уровне определены несколько вариантов спецификаций, которые различаются:
· используемым диапазоном частот;
· методом кодирования;
· скоростью передачи данных.
Варианты построения беспроводных ЛВС стандарта 802.11, получившего название WiFi.
IEEE 802.11 (вариант 1):
· среда передачи – ИК-излучение;
· передача в зоне прямой видимости;
· используются 3 варианта распространения излучения:
Ненаправленная антенна;
Отражение от потолка;
Фокусное направленное излучение («точка-точка»).
IEEE 802.11 (вариант 2):
· метод кодирования – FHSS: до 79 частотных диапазонов шириной
1 МГц, длительность каждого из которых составляет 400 мс (рис.3.49);
· при 2-х состояниях сигнала обеспечивается пропускная способность среды передачи в 1 Мбит/с, при 4-х – 2 Мбит/с.
IEEE 802.11 (вариант 3):
· среда передачи – микроволновый диапазон 2,4 ГГц;
· метод кодирования – DSSS c 11-битным кодом в качестве расширяющей последовательности: 10110111000.
IEEE 802.11a:
1) диапазон частот – 5 ГГц;
2) скорости передачи: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Мбит/с;
3) метод кодирования – OFDM.
Недостатки:
· слишком дорогое оборудование;
· в некоторых странах частоты этого диапазона подлежат лицензированию.
IEEE 802.11b:
1) диапазон частот – 2,4 ГГц;
2) скорость передачи: до 11 Мбит/с;
3) метод кодирования – модернизированный DSSS.
IEEE 802.11g:
1) диапазон частот – 2,4 ГГц;
2) максимальная скорости передачи: до 54 Мбит/с;
3) метод кодирования – OFDM.
В сентябре 2009 года был утверждён стандарт IEEE 802.11n. Его применение позволит повысить скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g. Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с. Радиус действия беспроводных сетей IEEE 802.11 – до 100 метров.
Технология WiМах
Технология беспроводного широкополосного доступа с высокой пропускной способностью WiMax представлена группой стандартов IEEE 802.16 и первоначально была предназначена для построения протяженных (до 50 км) беспроводных сетей, относящихся к классу региональных или городских сетей.
Стандарт IEEE 802.16 или IEEE 802.16-2001 (декабрь 2001 года), являющийся первым стандартом «точка-многоточка», был ориентирован на работу в спектре от 10 до 66 ГГц и, как следствие, требовал нахождения передатчика и приёмника в области прямой видимости, что является существенным недостатком, особенно в условиях города. Согласно описанным спецификациям, сеть 802.16 могла обслуживать до 60 клиентов со скоростью канала T-1 (1,554 Мбит/с).
Позднее появились стандарты IEEE 802.16a, IEEE 802.16-2004 и IEEE 802.16е (мобильный WiMax), в которых было снято требование прямой видимости между передатчиком и приёмником.
Основные параметры перечисленных стандартов технологии WiMax.
Рассмотрим основные отличия технологии WiМах от WiFi.
1. Малая мобильность. Первоначально стандарт разрабатывался для стационарной беспроводной связи на большие расстояния и предусматривал мобильность пользователей в пределах здания. Лишь в 2005 году был разработан стандарт IEEE 802.16e, ориентированный на мобильных пользователей. В настоящее время ведётся разработка новых спецификаций 802.16f и 802.16h для сетей доступа с поддержкой работы мобильных (подвижных) клиентов при скорости их движения до 300 км/ч.
2. Использование более качественных радиоприемников и передатчиков обусловливает более высокие затраты на построение сети. 3. Большие расстояния для передачи данных требуют решения ряда специфических проблем: формирование сигналов разной мощности, использование нескольких схем модуляции, проблемы защиты информации.
4. Большое число пользователей в одной ячейке.
5. Более высокая пропускная способность , предоставляемая пользователю.
6. Высокое качество обслуживания мультимедийного трафика.
Первоначально считалось, что IEEE 802.11 – мобильный аналог Ethernet , 802.16 – беспроводной стационарный аналог кабельного телевидения . Однако появление и развитие технологии WiMax (IEEE 802.16e) для поддержки мобильных пользователей делает это утверждение спорным.
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)).
