Принципы построения систем с расширенным спектром

 

Часто основным показателем качества функционирования систем радиодоступа выступает устойчивость к внешним помехам. В такой ситуации находят широкое распространение сигналы с расширенным спектром, которые применяются также при решении задач множественного доступа, борьбы с замираниями, определения местоположения объектов и др.

Сигналы с расширенным спектром (СРС) занимают значительно большую полосу, чем требуется для передачи информационных символов. Иначе такие сигналы называют сигналами с большой базой

 

В = FT» 1,

 

где F- полоса частот, занимаемая сигналом; Т- длительность символа. Таким образом, под сигналом с расширенным спектром понимают сигнал, у которого в течении длительности информационного символа меняются параметры.

К основным преимуществам СРС относятся высокая помехоустойчивость, возможность борьбы с замираниями, применение кодового разделения каналов (CDMA) и изменения координат и параметров движения объектов.

Высокая помехоустойчивость обеспечивается увеличением отношения сигнал/(шум+помеха) на выходе коррелятора (рис. 2.34) или согласованного фильтра в В раз.

 

Рисунок 9 Структура системы связи с использованием сигналов с расширенным спектром

 

 

 

 

Рисунок 10 Временные диаграммы при формировании сигнала с расширенным спектром

 

Исходная последовательность данных d(t) с длительностью символа Т_с (рис. 2.35) умножается на расширяющую последовательность r(t), изменяющуюся по псевдослучайному закону, а затем результирующая последовательность m(t) модулирует несущую, например по фазе. Расширение спектра при этом происходит во столько раз, во сколько длительность элементарного символа ПСП т₀ меньше длительности символа последовательности данных В = Т_с/т₀.

Наиболее распространена двоичная или BPSK φ_i - = {0,π} модуляция, однако находят применение сигналы QPSK φ_i = {0, π/2, π, 3π/2} и многофазные сигналы. База сигнала ФМ ПСП определяется выражением

 

B =Т_ПСП/T₀ = T_ПСПF,

 

где T_ПСП ⁼ NT_o - длительность сигнала с расширенным спектром; F - полоса частот элементарного символа.

В результате длительного развития теории сигналов разработано значительное количество систем ФМ ПСП с хорошими корреляционными свойствами и оценкой значений боковых лепестков. Наиболее известными и распространенными являются М-последовательности, связанные с ними системы сигналов Голда, Касами; сигналы Уолша, сигналы Баркера, Фрэнка, сигналы на основе последовательностей Виленкина-Крестенсона др.

Применение конкретной системы СРС в системе радиодоступа определяет ключевые характеристики, такие как коэффициент повтора частот, возможности кодового разделения сигналов и количество одновременно действующих в общей полосе частот абонентов.

Реализация положительных свойств СРС требует обеспечения точной синхронизации приемника и передатчика (реализуется устройством синхронизации). В системах радиодоступа с кодовым разделением каналов синхронизировать требуется все передатчики и приемники, входящие в сектор базовой станции.

Примеры шумоподобных сигналов

 

В настоящее время усиленно разрабатываются методы синтеза сигналов с заданными автокорреляционными и взаимокорреляционными свойствами. Если рассматривать последовательности из n импульсов прямоугольной формы, которые могут принимать значения ±1, то простым перебором можно найти такие последовательности.

 

Таблица 9.1- Сигналы Баркера и их АКФ

N	Номер импульса	Максимум нормированного модуля АКФ
		Основной	Дополнительный
2	1,-1	1	½
3	1,1,-1	1	1/3
4	1,1,-1,1	1	¼
4	1,1,1,-1	1	¼
5	1,1,1,-1,1	1	1/5
7	1,1,1,-1,-1,1,-1	1	1/7
11	1,-1,1,1,-1,1,1, 1,-1,-1,-1	1	1/11
13	1,1,1,1,1,-1,-1, 1,1,-1,1,-1,1	1	1/13

 

Последовательности Баркера имеют близкую к идеальной форме автокорреляционную функцию: абсолютное значение боковых лепестков не превышает 1/n основного. На рисунке 11а приведены последовательность (называемая также кодом) Баркера для n =11 и ее автокорреляционная функция (рисунок 11, б).

 

Рисунок 11 Реализация последовательности Баркера (а) и ее автокорреляционная функция (б)

 

Прием последовательности s₁(t) ("адрес" первого канала) рис. 9.10, а выполняется согласованным трансверсальным фильтром рис. 9.11.

Рисунок 12 Согласованный фильтр для последовательности Баркера

 

Импульсы последовательности Баркера с числом знаков n=11 поступают сначала на фильтр СФ_пи, согласованный с прямоугольным импульсом (см. $ 5.7), а затем в линию задержки (ЛЗ), имеющую отводы через промежутки D, далее на фазоинверсные (-) и фазосохраняющие (+) каскады с одинаковыми коэффициентами передачи, схему суммирования и решающее устройство РУ.

Фазоинверсные и фазосохраняющие каскады включены в порядке, соответствующем обратному порядку чередования биполярных импульсов n-последовательности (рис. 9.10, а): число этих каскадов равно числу элементов последовательности. Первый каскад включен до линии задержки, последний - на ее конце. При приеме n-последовательность продвигается по ЛЗ, и в момент, когда все импульсы совпадут по знаку с весами, включенными между отводами ЛЗ и суммирующим устройством, все импульсы сложатся синфазно, на выходе РУ появится наибольший импульс - согласованный фильтр зафиксирует адрес 1-го канала. При всех других сдвигах суммирование производится не в фазе (с разными знаками), и на выходе РУ появляются уровни, не превышающие по модулю 1/n от максимального значения.

Поскольку функции взаимной корреляции между последовательностями имеют наибольшее значения, не превышающее 1/n, то последовательность адреса чужого канала не может вызвать ложного срабатывания решающего устройства 1-го канала.

Исследования показывают, что последовательностей с "остатками" величины 1/n для n > 13 не существует. Поэтому для больших n приходится довольствоваться последовательностями, имеющими "остатки" большие, чем 1/n.

Несколько худшие автокорреляционные свойства по сравнению с баркеровскими последовательностями, но все же достаточно подходящие для использования в качестве адресных сигналов имеют линейные рекуррентные M- последовательности (ЛРП) или, как их еще называют, линейные последовательности сдвигового регистра максимальной длительности. Для ЛРП отношение главного максимума к максимальному боковому лепестку автокорреляционной функции растет приближенно как Ön, где n - число импульсов в последовательности.

Линейные рекуррентные последовательности обладают свойством хаотичности, которое заключается в следующем. Если из периода ЛПР, содержащего n = 2^m - 1 членов, выбрать возможные отрезки m членов в каждом, то, во-первых, среди этих отрезков не будет совпадающих и, во-вторых, среди них найдутся любые комбинации из +1 и -1, состоящие из m членов (кроме запрещенной комбинации, состоящей только из +1). Эти свойства сходны со свойствами случайных биполярных последовательностей; поэтому ЛРП часто называют псевдослучайными или шумоподобными последовательностями.