Metoda cu spectru extins folosind metoda secvenței directe. Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) - prezentare

Cele mai multe camere digitale moderne oferă utilizatorilor posibilitatea de a alege între utilizarea intervalului ISO nativ și un mod ISO extins.

Fotografii cu experiență înțeleg bine ce funcții ale camerei sunt cu adevărat utile și care practic nu sunt folosite în munca lor și au fost adăugate de producător ca un truc de marketing. Începătorii, atunci când aleg o cameră, se pot confunda cu ușurință în toată varietatea de opțiuni, de exemplu, ce este ISO și cum să aleagă intervalul ISO de lucru potrivit.

Alegeți între intervalul ISO nativ și extins

Când schimbă valoarea ISO pe o cameră digitală, utilizatorul ajustează puterea semnalului, modificând astfel raportul câștigului forțat la capacitatea de recepție a luminii a senzorului. Există anumite valori minime și maxime ale câștigului ISO - acest interval se numește standard. Odată ce valorile standard sunt reduse sau depășite, senzorii camerei nu vor putea citi în mod adecvat datele.

Până cândva, pragul superior al valorii fotosensibilității era considerat de nezdruncinat, dar dezvoltarea rapidă a hardware-ului și software-ului camerelor moderne ne-a permis să atingem înălțimi incredibile. Același lucru este valabil și pentru valoarea mai mică a intervalului ISO - tehnologia modernă o poate reduce semnificativ. În esență, realizarea fotografiilor folosind o gamă ISO extinsă este similară cu post-procesarea unei fotografii pe un computer, doar că acest proces are loc direct în camera în sine.

Cum vă poate afecta fotografiile un interval ISO crescut

Camerele cu o gamă ISO mare folosesc senzori cu sensibilitate standard la lumină, la fel ca cei întâlniți la camerele convenționale. Intervalele ISO extinse, cum ar fi ISO 12800, ISO 25600, ISO 51200, ISO 102400 sunt obținute prin utilizarea senzorilor convenționali și a circuitelor electronice a căror sensibilitate la lumină este îmbunătățită cu ajutorul software-ului. Rezultă că gama ISO extinsă nu este altceva decât un truc de marketing.

Afirmațiile conform cărora o cameră poate filma până la ISO 102400 sunt impresionante pentru fotografi în devenire, dar asta nu înseamnă că atunci când cumpără o cameră, cumpără un senzor care are o sensibilitate atât de mare la lumină. De fapt, aceste valori sunt atinse datorită software-ului și se manifestă adesea în imagini de calitate scăzută, cu mult zgomot digital.

Fotografiile realizate la ISO extrem de ridicate vor arăta bine doar în alb-negru, anulând acest avantaj al camerelor cu intervale ISO extinse.

Un utilizator atent va observa cu siguranță că camera din intervalul ISO extins ia cadre în format JPEG, dar nu și în RAW. Acest lucru se datorează faptului că atunci când fotografiați în modul RAW, se formează un negativ digital cu o procesare minimă, deoarece aceasta extinde posibilitățile de post-procesare a cadrelor folosind editori foto. (Totuși, merită menționat că unii producători permit utilizarea unui interval ISO extins atunci când fotografiați în format RAW.)

Poate exista un anumit beneficiu în utilizarea unui interval ISO mai mare pentru fotografi JPEG care nu postprocesează imaginile. Încă este necesar să ții cont de faptul că va trebui să închizi ochii la calitate.

SISTEME DE RĂSPĂSPIRE SPECTRU

Termenul spectru răspândit a fost folosit în numeroase sisteme de comunicații militare și comerciale. În sistemele cu spectru extins, fiecare semnal purtător de mesaj necesită o lățime de bandă de frecvență radio semnificativ mai mare decât un semnal modulat convențional. O bandă de frecvență mai largă vă permite să obțineți unele proprietăți și caracteristici utile care sunt greu de realizat prin alte mijloace.

Spread spectrum este o metodă de generare a unui semnal cu spectru împrăștiat prin utilizarea unei etape de modulație suplimentară nu numai pentru a lărgi spectrul semnalului, ci și pentru a reduce influența acestuia asupra altor semnale. Modulația suplimentară nu are nimic de-a face cu mesajul transmis.

Sistemele de bandă largă sunt utilizate datorită următoarelor avantaje potențiale:

Creșterea imunității la zgomot;

Posibilitatea de a furniza codificarea diviziunii canalelor pentru acces multiplu pe baza acestuia în sistemele care utilizează tehnologia CDMA;

Secret energetic datorita nivelului scazut al densitatii spectrale;

Rezoluție înaltă la măsurarea distanțelor;

Securitatea comunicațiilor;

Capacitatea de a rezista la efectele interferențelor intenționate;

Capacitate crescută și eficiență spectrală în unele sisteme de comunicații personale celulare;

O scădere treptată a calității comunicațiilor cu o creștere a numărului de utilizatori care ocupă simultan același canal HF;

Cost redus de vânzare;

Disponibilitatea elementelor de bază moderne (circuite integrate).

Figura 6.1 – Structura unui sistem cu spectru împrăștiat direct

În funcție de arhitectura și tipurile de modulație utilizate, sistemele cu spectru extins pot fi împărțite în următoarele grupe principale.

Spectrul de răspândire directă bazat pe secvențe pseudo-aleatorie (PRS), inclusiv sisteme CDMA,

Agilitate de frecvență (salt de frecvență), inclusiv sisteme CDMA cu agilitate de frecvență lentă și rapidă,

Acces multiplu de detectare a transportatorului (CSMA),

Odată cu restructurarea poziției în timp a semnalelor (timp de sărituri),

Cu modulația liniară a frecvenței semnalelor (modulație cip),

Cu metode mixte de răspândire a spectrului.

Extinderea directă a spectrului folosind secvențe pseudoaleatoare

Figura 6.1 prezintă o diagramă conceptuală a unui sistem cu spectru împrăștiat direct bazat pe secvențe pseudo-aleatoare (a - emițător de semnal PSK cu spectru ulterior, b - emițător cu spectru împrăștiat în bandă de bază, c - receptor). Primul modulator realizează deplasarea de fază (PSK) a semnalului de frecvență intermediară cu un semnal digital binar al mesajului transmis d(t) în format non-return to zero (NRZ) cu ​​o frecvență de simbol f b = 1/T b .

Într-o celulă a unui sistem de comunicații radio mobile, de regulă, există mai mulți abonați care utilizează comunicarea simultan, fiecare dintre ei utilizând aceeași frecvență purtătoare RF și ocupând aceeași bandă de frecvență RF.

Procesul de generare a semnalelor cu spectru împrăștiat în sistemele cu acces multiplu are loc în două etape: modulare și spectru împrăștiat (sau modulare secundară prin PSP). Modulația secundară se realizează folosind operația ideală de multiplicare g(t)s(t). Cu această multiplicare, se formează un semnal bidirecțional modulat în amplitudine cu o purtătoare suprimată. Primul și al doilea modulator pot fi schimbate fără a modifica caracteristicile potențiale ale sistemului.

Semnalul cu spectru extins g(t)s(t) este convertit în sus la frecvența radio dorită. Deși conversia frecvenței în sus și în jos este un proces aproape necesar pentru majoritatea sistemelor, nu este un pas critic. Prin urmare, în viitor vom presupune că semnalul g(t)s(t) este transmis și recepționat la o frecvență intermediară, excluzând din considerare subsistemul de conversie a frecvenței în sus și în jos.

Astfel, intrarea receptorului primește o sumă de M semnale independente cu spectru extins care ocupă aceeași bandă RF.

Conceptul de sisteme cu spectru împrăștiat prin reglarea software a frecvenței de operare este în multe privințe similar cu conceptul de sisteme cu spectru împrăștiat direct. Aici, generatorul binar PSP controlează sintetizatorul de frecvență, cu ajutorul căruia se face o tranziție („salt”) de la o frecvență la alta dintre numeroasele frecvențe disponibile. Astfel, aici efectul extinderii spectrului se realizează prin reglarea pseudo-aleatoare a frecvenței purtătoare, a cărei valoare este selectată dintre frecvențele disponibile f1,...,fN, unde N poate atinge valori de câteva mii sau mai mult. . Dacă rata de reglare a mesajelor (rata de schimbare a frecvenței) depășește rata de transmisie a mesajului, atunci avem un sistem cu reglare rapidă a frecvenței. Dacă rata de acordare este mai mică decât rata de transmisie a mesajului, astfel încât în ​​intervalul de acordare sunt transmiți mai mulți biți, atunci avem un sistem cu acordarea lentă a frecvenței.

Dacă este selectat un ansamblu de semnale PSP necorelate, atunci după operația de compresie a spectrului este reținut doar semnalul util modulat. Toate celelalte semnale, fiind necorelate, păstrează bandă largă și au o lățime spectrală care depășește lățimea de bandă de tăiere a filtrului demodulator. Figura 6.2 prezintă diagrame de timp și spectrale simplificate care ilustrează calitativ procesele de extindere și compresie a spectrului de semnal. În special, le lipsește un semnal purtător.

Figura 6.2 - Diagrame pentru extinderea spectrului

În sistemele cu spectru împrăștiat, prin reglarea frecvenței de operare, aceasta din urmă rămâne constantă în timpul fiecărui interval de acordare, dar se modifică brusc de la interval la interval. Frecvențele de transmisie sunt generate de un sintetizator digital de frecvență controlat de un cod („cuvinte”), care sosesc în formă serială sau paralelă și care conține m simboluri binare (biți) Fiecare cuvânt de m biți sau parte a acestuia corespunde uneia dintre frecvențele M = 2m . Deși există M = 2m, m = 2, 3 frecvențe disponibile pentru reglarea frecvenței, nu toate sunt utilizate în mod necesar într-un anumit sistem. Sistemele cu extindere a spectrului prin reglarea software a frecvenței de operare sunt împărțite în sisteme cu viteze de reglare lente, rapide și medii.

În sistemele cu reglare lentă, rata de reglare fh este mai mică decât rata de transmisie a mesajelor fb. Astfel, în intervalul de acordare, se pot transmite doi biți de mesaj sau mai mulți (în unele sisteme peste 1000) înainte de a trece la o altă frecvență. În sistemele cu viteză medie de reglare, viteza de reglare este egală cu viteza de transmisie. Cele mai utilizate sisteme sunt sistemele cu reglare rapidă și lentă a frecvenței de operare.

Pentru a sincroniza receptoarele atunci când se primesc semnale cu spectru extins, pot fi necesare trei dispozitive de sincronizare:

Sincronizarea fazei purtătorului (recuperarea purtătorului);

Sincronizare simbolică (recuperare frecvență de ceas);

Sincronizarea în timp a generatoarelor care generează cod sau secvențe pseudoaleatoare.

Sincronizarea timpului este asigurată în două etape, în timpul cărora se efectuează următoarele:

Căutare (sincronizare inițială, grosieră);

Urmărire (sincronizare precisă).

Figura 6.3 prezintă diagrame bloc ale părților emitente și receptoare ale sistemului cu reglaj de frecvență.

Figura 6.3 - Sistem cu reglaj software de frecvență

Standardul GSM folosește codificarea Gaussiană minimă de deplasare (GMSK) eficientă din punct de vedere spectral. Manipularea se numește Gaussian deoarece succesiunea de biți de informație înaintea modulatorului trece printr-un filtru trece-jos (LPF) cu o caracteristică Gauss, ceea ce are ca rezultat o reducere semnificativă a benzii de frecvență a semnalului radio emis. Formarea unui semnal radio GMSK se realizează astfel încât în ​​intervalul unui bit de informație faza purtătoarei se schimbă cu 90°. Aceasta este cea mai mică schimbare de fază posibilă detectabilă cu un anumit tip de modulație. Schimbarea continuă a fazei unui semnal sinusoidal are ca rezultat modularea frecvenței cu o modificare discretă a frecvenței. Utilizarea unui filtru gaussian face posibilă obținerea de „tranziții netede” cu o modificare discretă a frecvenței. Standardul GSM utilizează modulația GMSK cu o lățime de bandă normalizată VT = 0,3, unde ÎN- lățimea de bandă a filtrului la nivelul -3 dB, T- durata de 1 bit al mesajului digital. Schema funcțională a modulatorului este prezentată în Figura 6.4.

Figura 6.4 - Schema funcțională a modulatorului

Baza modelului de semnal GMSK este un modulator în cuadratura (1/Q). Circuitul este format din doi multiplicatori și un sumator. Scopul acestui circuit este de a oferi o modulare continuă de fază precisă. Un multiplicator modifică amplitudinea unei oscilații sinusoidale, iar al doilea – o oscilație cosinus. Semnalul de intrare înaintea multiplicatorului este împărțit în două componente în cuadratura. Descompunerea are loc în două blocuri denumite „sin” și „cos”.

Diagramele care ilustrează formarea unui semnal GMSK sunt prezentate în Figura 4.9.

Modulația GMSK are următoarele proprietăți care sunt preferabile pentru comunicațiile mobile:

Anvelopa este constantă ca nivel, ceea ce permite utilizarea dispozitivelor de transmisie eficiente cu amplificatoare de putere în modul clasa C;

Spectru compact la ieșirea amplificatorului de putere al dispozitivului de transmisie, care asigură un nivel scăzut de radiație în afara benzii;

Caracteristici bune de imunitate la zgomot ale canalului de comunicare.

Figura 6.5 - Generarea semnalului GMSK

Procesarea vorbirii. Procesarea vorbirii în standardul GSM este efectuată pentru a asigura o calitate înaltă a mesajelor transmise și pentru a implementa capabilități suplimentare de servicii. Procesarea vorbirii se realizează în cadrul sistemului adoptat de transmisie intermitentă a vorbirii (Discontinuous Transmission - DTX), care asigură pornirea emițătorului atunci când utilizatorul începe o conversație și oprirea acestuia în timpul pauzelor și la sfârșitul conversația. DTX este controlat de un detector de activitate vocală (VAD), care detectează și distinge vorbirea cu zgomot și zgomotul fără vorbire, chiar și atunci când nivelul de zgomot este comparabil cu nivelul vorbirii. Sistemul de transmisie intermitentă a vorbirii include, de asemenea, un dispozitiv pentru generarea de zgomot confortabil, care este pornit și ascultat în timpul pauzelor în vorbire când transmițătorul este oprit. S-a dovedit experimental că oprirea zgomotului de fond la ieșirea receptorului în pauze atunci când emițătorul este oprit irită abonatul și reduce inteligibilitatea vorbirii, astfel încât utilizarea zgomotului confortabil în pauze este considerată necesară Procesul DTX în receptor implică interpolarea fragmente de vorbire pierdute din cauza erorilor din canal.

Spectrul răspândit joacă un rol vital în tehnologiile de comunicații radio. Această metodă nu se încadrează în niciuna dintre categoriile definite în capitolul anterior deoarece poate fi utilizată pentru a transmite atât date digitale, cât și analogice folosind un semnal analogic.

Inițial, metoda cu spectru răspândit a fost creată în scopuri militare și de informații. Ideea principală a metodei este de a distribui semnalul de informații pe o bandă radio largă, ceea ce în cele din urmă face mult mai dificilă suprimarea sau interceptarea semnalului. Prima schemă de spectru extins dezvoltată este cunoscută sub denumirea de tehnică de salt de frecvență. O schemă mai modernă cu spectru răspândit este metoda secvenței directe. Ambele metode sunt utilizate în diverse standarde și produse wireless.

Mai jos, după o scurtă prezentare generală, aceste metode cu spectru împrăștiat sunt discutate în detaliu. În plus, metoda de acces multiplu cu spectru răspândit va fi explorată în acest capitol.

Oricât de incredibil ar părea, saltul de frecvență a fost inventat de starul de film de la Hollywood Hedy Lamarr în 1940, la vârsta de 26 de ani. În 1942, Lamarr și-a brevetat invenția (brevetul SUA 2.292.387 din 11 august 1942) împreună cu un partener care s-a implicat în lucrare puțin mai târziu. Fata nu a primit niciun profit din brevet, având în vedere că metoda de comunicare pe care a descoperit-o a fost contribuția ei la participarea SUA la al Doilea Război Mondial.

7.1. Conceptul de spectru extins

În fig. Figura 7.1 prezintă elementele cheie ale unui sistem cu spectru răspândit. Semnalul de intrare este transmis către un codificator de canal, care generează un semnal analogic cu o lățime de bandă relativ îngustă centrată pe o anumită frecvență. Semnalul este apoi modulat folosind o secvență de numere numită cod de împrăștiere sau secvență de împrăștiere. De obicei, deși nu întotdeauna, codul de extensie este generat de un generator de numere aleatorii. Ca urmare a modulării, lățimea de bandă a semnalului transmis este extinsă semnificativ (cu alte cuvinte, spectrul semnalului este extins). Odată primit, semnalul este demodulat folosind același cod de împrăștiere. Ultimul pas este să trimiteți semnalul către decodorul de canal pentru a restabili datele.

Orez. 7.1. Schema generală a unui sistem de comunicații digitale folosind spectru împrăștiat

Excesul de spectru oferă următoarele beneficii.

Imunitatea semnalului la diferite tipuri de zgomot, precum și la distorsiunile cauzate de propagarea pe mai multe căi. Spectrul răspândit a fost folosit pentru prima dată în scopuri militare datorită rezistenței sale la încercările de bruiaj.

Spectrul răspândit permite semnalele să fie ascunse și criptate.

Doar un utilizator care cunoaște codul extensiei poate restaura datele criptate.

Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) este o metodă bazată pe modificarea periodică a frecvenței purtătoarei în conformitate cu un algoritm cunoscut transmițătorului și receptorului. Principii de implementare: Gama de frecvențe a canalului radio este împărțită în subcanale numerotate; În timpul funcționării algoritmului, este generată o secvență pseudo-aleatorie de numere, fiecare număr fiind asociat cu un număr de subcanal de frecvență; În timpul transmiterii unui bit individual, frecvența poate să nu se modifice (răspândire lentă) sau să se schimbe de mai multe ori (împrăștiere rapidă); Pentru codificarea liniară se folosește modularea în frecvență sau fază.

Caracteristicile metodei: La ascultarea unui subcanal separat, se obține un semnal asemănător zgomotului care nu permite recuperarea datelor transmise; În cazul utilizării spectrului de răspândire rapidă, distorsiunea semnalului transmis pe un subcanal separat nu duce la pierderea bitului transmis; Ca rezultat, schimbarea frecvențelor purtătoare reduce efectul interferenței intersimbol; Metoda poate fi utilizată pentru a organiza multiplexarea mai multor fluxuri de date - pentru fiecare flux este selectată o secvență pseudo-aleatorie separată; Ușurință de implementare.

Spectrul de răspândire a secvenței directe Spectrul de răspândire a secvenței directe (DSSS) - metoda se bazează pe înlocuirea fiecărui bit transmis cu N biți, ceea ce implică o creștere de N ori a frecvenței ceasului emițătorului și extinderea spectrului. Principiul de implementare: Fiecare unitate binară transmisă este înlocuită cu o secvență de biți numită secvență elementară (de răspândire). Zero binar este înlocuit cu valoarea inversă a secvenței de împrăștiere. Bit-ul secvenței de împrăștiere se numește semnal elementar (cip). Viteza de transmisie a cipurilor se numește viteza cipului. Numărul de biți din secvența elementară se numește factor de împrăștiere;

Exemplu: Dacă secvența de cipuri este (secvența Barker) atunci următoarea secvență de cipuri va fi transmisă pentru transmitere:

Caracteristicile metodei: Cu cât coeficientul de expansiune este mai mare, cu atât spectrul semnalului transmis este mai larg; Metoda oferă mai puțină protecție împotriva interferențelor decât metoda FHSS, deoarece distorsiunea semnalului într-o bandă de frecvență îngustă poate duce la recunoașterea eronată a bitului recepționat de către receptor;

Accesul prin multiplexare prin diviziune de cod (CDMA) se bazează pe metoda DSSS. Principii de implementare: În timpul procesului de transmisie, fiecare nod de rețea CDMA utilizează o secvență elementară unică (EP); Să notăm cu m lungimea secvenței în expansiune, Vectorul corespunzător lui e. notăm S, complementul (inversiunea) e.p. să notăm S (pentru a scrie un vector vom folosi notația bipolară: binarul 0 va fi notat cu -1, binarul cu +1). Secvențele elementare sunt alese astfel încât să fie ortogonale în perechi. Aceste. pentru fiecare vector S și T, produsul lor scalar normalizat ST trebuie să fie egal cu 0: Σ i=1 m 1 – m S i T i = 0 ST

Din ST = 0 rezultă ST=0 Rețineți că produsul scalar normalizat e.p. pe sine este egal cu 1. Σ i=1 m 1 – m SiSiSiSi SS = Σ i=1 m 1 – m Si2Si2 = Σ m 1 – m ±1 2 = = 1 SS = -1 Să presupunem că toate stațiile sunt sincronizate, t .e. Toate stațiile încep să transmită biți de date simultan. Când sunt transmise simultan, semnalele bipolare se adaugă liniar. Exemplul 1. Dacă stația A, B și C trimit +1, -1 și respectiv +1, atunci rezultatul va fi +1.

Exemplul 2. Fie că stațiile A, B, C folosesc următorul ep.: A: = () B: = () C: = () Să luăm în considerare exemple de transmisie simultană de date de către aceste stații: _ _ 1 C = () _ 1 1 B+C = () 1 0 _ A+B = () A+B+C = ()

Receptorul cunoaște în prealabil secvențele elementare ale tuturor stațiilor de transmisie. Pentru decodare, se calculează produsul scalar normalizat al secvenței recepționate (suma semnalelor primite) și secvența elementară a stației. Exemplul 3. Fie stațiile A, B și C să transmită 1, 0, respectiv 1 (în notație bipolară +1, -1, +1). Receptorul primește suma semnalelor S=A+B+C, apoi SA = (A+B+C)A = AA + BA + CA = = 1 SB = (A+B+C)B = AB + BB + CB = = -1 SC = (A+B+C)C = AC + BC + CC = = 1 Fie ca stațiile A, B și C să transmită 1, 0, _ respectiv (în notație bipolară +1, -1, _) . Receptorul primește suma semnalelor S=A+B, apoi SA = (A+B)A = AA + BA = 1+0 = 1 SB = (A+B)B = AB + BB = 0-1 = - 1 SC = (A+B)C = AC + BC = 0+0 = 0

Caracteristicile metodei: Secvențele ortogonale în perechi sunt generate folosind metoda Walsh (coduri Walsh); Cu cât e.p. cu atât este mai mare probabilitatea recunoașterii sale corecte pe un fundal de zgomot (în practică, sunt adesea folosite secvențe cu 64 sau 128 de cipuri); Pentru a crește fiabilitatea, sunt utilizate coduri de corectare a erorilor. Pentru a egaliza puterea semnalelor primite de la diferite stații, se folosește metoda de compensare a puterii (cu cât semnalul primit de la stația de bază este mai slab, cu atât este mai puternic semnalul pe care trebuie să îl transmită stația mobilă). Ipoteze în descrierea algoritmului: Sincronizarea stațiilor din rețea; Egalitatea puterilor tuturor semnalelor primite (echidistanța stațiilor mobile față de stația de bază); Cunoașterea stației de bază a e.p. toate stațiile de transmisie.

Format cadru Control cadru DurataA.1A. 2A. 3Număr A.4Type Versiune Sumă de verificare a datelor Către DS Din DS MFRepeatPower Continuare WSubtipO Tipuri de cadre: manageri de servicii de informare 1.Control de cadre (2 octeți) Versiune (2 biți) – versiunea protocolului; Tip (2 biți) – tip de cadru (informațional, de serviciu, de control); Subtip (4 biți) – subtip de cadru (CTS, RTS, semnalizare, autentificare etc.); Cadrul informativ:

Către DS (1 bit) – cadrul este transmis în direcția sistemului de distribuție; Din DS (1 bit) – cadrul este transmis în direcția de la sistemul de distribuție; MF (mai multe fragmente, 1 bit) – indică faptul că urmează un alt fragment; Repeat (1 bit) – indicarea trimiterii repetate a fragmentului; Putere (1 bit) – instruiește stația să intre sau să iasă dintr-un mod de consum redus; Continuare (mai multe date, 1 bit) – indică faptul că expeditorul are mai multe cadre de redirecționat; W (1 bit) – indică utilizarea criptării WEP; O (1 bit) – indică necesitatea procesării cadrelor strict în ordine;

2. Durată (2 octeți) – indicarea timpului estimat de transmitere a cadrului și de primire a confirmării (ACK) 3. A.1 (6 octeți) – adresa expeditorului 4. A.2 (6 octeți) – adresa destinatarului 5. A .3 (6 octeți) – adresa celulei sursă 6.Număr (2 octeți) – conține un subcâmp de număr de fragment de 4 biți utilizat pentru fragmentare și reasamblare și un număr de secvență de 12 biți utilizat pentru numerotarea cadrelor; 7. A.4 (6 octeți) – adresa celulei țintă; 8. Date (byte) – date transmise; 9. Sumă de control (4 octeți). Câmpurile A3 și A4 lipsesc din cadrele de control. În cadrele de serviciu (RTS, CTS, ACK) câmpurile A3, A4, Număr, Date lipsesc.

Reducerea zonei de acoperire radio la minimum acceptabil (ideal - zona de acoperire radio nu trebuie să se extindă dincolo de teritoriul controlat). Controlul accesului bazat pe autentificarea MAC. Folosind secvențe unice de salt de frecvență în tehnologia FHSS. Filtrarea dispozitivelor după adrese IP predefinite. Utilizarea WEP (Wired Equivalent Privacy) - criptare bazată pe algoritmul RC4 cu chei de 64 și 128 de biți (în algoritm au fost găsite vulnerabilități grave). Metode de protecție implementate în echipamentele WiFi:

Autentificare și autorizare bazate pe standardul IEEE 802.1x - utilizarea de servere AAA (de exemplu RADIUS) și chei de criptare dinamică. Utilizarea protocoalelor WPA și WPA2 (Acces protejat Wi-Fi). WPA implementează principiul cheilor de criptare temporară și este interconectat cu protocolul TKIP Temporal Key Integrity Protocol (WPA a fost dezvoltat ca înlocuitor pentru WEP). În 2008, au fost găsite vulnerabilități în tehnologia WPA. WPA2 implementează standardul i - un protocol de securitate fiabil folosind algoritmul de criptare AES (Advanced Encryption Standard). Implementarea rețelelor WiFi bazate pe VPN - implementarea unei rețele private virtuale peste una wireless existentă.

Departamentul de Informatică, Sisteme de Control și Telecomunicații

Cursuri pe tema:
„Modularea spectrului extins. Spectrul de răspândire directă"

Terminat
elev al grupei R-312
Aminov A.R.

Verificat
Preobrazhensky A.V.

N.Novgorod
2009

Modulație cu spectru extins.
Ubicuitatea rețelelor wireless, dezvoltarea infrastructurii hotspot și apariția tehnologiilor mobile cu o soluție wireless încorporată (Intel Centrino) au dus la faptul că utilizatorii finali (să nu mai vorbim de clienții corporativi) au început să acorde o atenție tot mai mare solutii wireless. Astfel de soluții sunt considerate, în primul rând, ca un mijloc de implementare a rețelelor locale wireless mobile și fixe și un mijloc de acces rapid la Internet. Cu toate acestea, utilizatorul final care nu este administrator de rețea, de obicei, nu are o înțelegere puternică a tehnologiei rețelei, ceea ce face dificilă alegerea atunci când achiziționează o soluție wireless, mai ales având în vedere varietatea de produse oferite astăzi.
Dezvoltarea rapidă a tehnologiei de comunicații fără fir a dus la faptul că utilizatorii, neavând timp să se obișnuiască cu un standard, sunt nevoiți să treacă la altul, oferind viteze de transmisie și mai mari. Vorbim, desigur, despre familia de protocoale de comunicații wireless cunoscută sub numele de IEEE 802.11, care include următoarele protocoale: 802.11, 802.11b, 802.11b+, 802.11a, 802.11g. Recent, oamenii au început să vorbească despre extinderea protocolului 802.11g.
Diferite tipuri de rețele fără fir diferă între ele în rază de acțiune, viteze de conectare acceptate și tehnologie de codificare a datelor. Astfel, standardul IEEE 802.11b oferă o viteză maximă de conectare de 11 Mbit/s, standardul IEEE 802.11b+ - 22 Mbit/s, standardele IEEE 802.11g și 802.11a - 54 Mbit/s.
Viitorul standardului 802.11a este destul de neclar. Cu siguranță acest standard nu va deveni larg răspândit în Rusia și Europa, iar în SUA, unde este utilizat în prezent, va exista cel mai probabil o tranziție la standarde alternative în viitorul apropiat. Dar noul standard 802.11g are o șansă semnificativă de a obține recunoaștere în întreaga lume. Un alt avantaj al noului standard 802.11g este că este pe deplin compatibil cu standardele 802.11b și 802.11b+, adică orice dispozitiv care acceptă standardul 802.11g va funcționa (deși la viteze de conectare mai mici) pe rețelele 802.11b/b+, iar un dispozitiv care acceptă standardul 802.11b/b+ este pe rețele 802.11g, deși cu o viteză de conectare mai mică.
Compatibilitatea standardelor 802.11g și 802.11b/b+ se datorează, în primul rând, faptului că acestea implică utilizarea aceluiași interval de frecvență și, în al doilea rând, faptului că toate modurile prevăzute în protocoalele 802.11b/b+ sunt implementat și în standardul 802.11 g. Prin urmare, standardul 802.11b/b+ poate fi considerat un subset al standardului 802.11g.
Stratul fizic al protocolului 802.11
Este recomandabil să începem revizuirea familiei de protocoale 802.11b/g cu protocolul 802.11, care, deși nu se mai găsește în forma sa pură, este în același timp precursorul tuturor celorlalte protocoale. Standardul 802.11, ca toate celelalte standarde din această familie, prevede utilizarea unui interval de frecvență de la 2400 la 2483,5 MHz, adică un interval de frecvență de 83,5 MHz lățime, care, așa cum se va arăta mai jos, este împărțit în mai multe subcanale de frecvență. .
Tehnologia cu spectru extins
Toate protocoalele wireless din familia 802.11 se bazează pe tehnologia Spread Spectrum (SS). Această tehnologie implică faptul că semnalul informațional util de bandă îngustă inițial (în ceea ce privește lățimea spectrului) este convertit în timpul transmisiei în așa fel încât spectrul său să fie semnificativ mai larg decât spectrul semnalului original. Adică, spectrul semnalului este, așa cum ar fi, „împânzit” în gama de frecvențe. Concomitent cu lărgirea spectrului de semnal, are loc o redistribuire a densității energiei spectrale a semnalului - energia semnalului este, de asemenea, „împrăștiată” pe tot spectrul. Ca rezultat, puterea maximă a semnalului convertit este semnificativ mai mică decât puterea semnalului original. În acest caz, nivelul semnalului informațional util poate fi literalmente comparat cu nivelul zgomotului natural. Ca rezultat, semnalul devine, într-un fel, „invizibil” - pur și simplu se pierde la nivelul zgomotului natural.
De fapt, ideea lărgirii spectrului se află în schimbarea densității de energie spectrală a semnalului. Cert este că, dacă abordăm problema transmiterii datelor în mod tradițional, adică în modul în care se face la radio, unde fiecărui post de radio i se atribuie propria rază de difuzare, atunci ne vom confrunta inevitabil cu problema că într-un raza radio limitată destinată partajării este imposibil să „găzduiască” toată lumea. Prin urmare, este necesar să se găsească o metodă de transmitere a informațiilor în care utilizatorii să poată coexista în același interval de frecvență și să nu interfereze între ei. Aceasta este tocmai problema pe care o rezolvă tehnologia de extindere a spectrului.
Beneficiile sistemelor cu spectru răspândit
- Imunitate ridicată la zgomot. Cu o bandă limitată a densității spectrale a interferenței, raportul semnal/zgomot crește cu G p = P w / P ori, unde P este banda semnalului original, P w este banda semnalului după extinderea spectrului, G p este factorul de extindere a spectrului. Dacă spectrul de interferență este uniform (zgomot alb), raportul semnal-zgomot nu se îmbunătățește.
- Confidențialitatea comunicării. Mesajul nu poate fi citit fără a cunoaște algoritmul cu spectru extins.
- Posibilitatea transmiterii simultane a mai multor mesaje pe o frecvență purtătoare într-un sistem de diviziune de cod ( CDMA (English Code Division Multiple Access) - acces multiplu cu divizare de cod.
Canalele de trafic cu această metodă de împărțire a mediului sunt create prin atribuirea fiecărui utilizator a unui cod numeric separat, care este distribuit pe întreaga lățime de bandă. Nu există diviziune în timp, toți abonații folosesc în mod constant întreaga lățime a canalului. Banda de frecvență a unui canal este foarte largă, emisiunile abonaților se suprapun între ele, dar deoarece codurile lor sunt diferite, acestea pot fi diferențiate.
Tehnologia de acces multiplu cu diviziune de cod este cunoscută de mult timp. În URSS, prima lucrare dedicată acestui subiect a fost publicată în 1935 de D. V. Ageev.)
- Posibilitatea de transmisie a semnalului de putere redusă. Energia semnalului este menținută ridicată prin creșterea duratei semnalului. Secretul energetic al comunicarii este asigurat. Semnalul nu este detectat, dar este perceput ca zgomot.
- Rezoluție în timp mare(cu cât spectrul este mai larg, cu atât frontul semnalului este mai abrupt). Momentul începerii semnalului este determinat foarte precis, ceea ce este important pentru sistemele de măsurare a distanței bazate pe timpul de parcurs al semnalului și pentru sincronizarea emițătorului și receptorului.
Cele mai comune metode de spectru de răspândire
- Spectrul de răspândire directă(secvențiere directă) folosind o secvență binară pseudoaleatoare (PSR) care modulează semnalul. Lățimea spectrului este limitată de durata minimă fezabilă din punct de vedere tehnic a unui simbol PSP elementar. Spectrul se extinde la zeci de megaherți.
- Salt de frecvență purtătoare(sărituri de frecvență).Schimbarea frecvenței M-ary este folosită în mod obișnuit. M simboluri corespund M frecvențe distanțate de un interval D f. Frecvența centrală f 0 a acestui interval se modifică brusc sub controlul PSP-ului în banda de acord de mai multe ori în timpul transmiterii unui simbol de mesaj (acord rapid) sau la un interval egal cu durata mai multor simboluri (acordare lentă). Saltul de frecvență face dificilă menținerea coerenței semnalului. Prin urmare, demodularea este de obicei incoerentă. Pentru a asigura ortogonalitatea semnalelor, distanța dintre frecvențe trebuie să satisfacă condiția D f = m/ T s, m este un număr întreg. Spectrul poate fi extins la câțiva gigaherți: factorul de expansiune a spectrului este mai mare decât în ​​cazul expansiunii directe.
Spectrul de răspândire directă
Cu codificarea potențialului, biții de informații - zerouri și unuri logice - sunt transmisi ca impulsuri de tensiune dreptunghiulare. Un impuls dreptunghiular de durata T are un spectru a cărui lățime este invers proporțională cu durata impulsului. Prin urmare, cu cât durata bitului de informație este mai scurtă, cu atât spectrul ocupat de un astfel de semnal este mai mare.
Pentru a lărgi în mod deliberat spectrul unui semnal inițial de bandă îngustă, tehnologia DSSS înglobează literalmente o secvență de așa-numitele cipuri în fiecare bit de informații transmis (0 sau 1 logic). Dacă biții de informații - zerouri logice sau unu - în timpul potențialului codificare a informațiilor pot fi reprezentați ca o secvență de impulsuri dreptunghiulare, atunci fiecare cip individual este, de asemenea, un impuls dreptunghiular, dar durata lui este de câteva ori mai mică decât durata bitului de informație. Secvența de jetoane este o secvență de impulsuri dreptunghiulare, adică zerouri și unu, dar aceste zerouri și unu nu sunt informaționale. Deoarece durata unui cip este de n ori mai mică decât durata bitului de informație, lățimea spectrului semnalului convertit va fi de n ori mai mare decât lățimea spectrului semnalului original. În acest caz, amplitudinea semnalului transmis va scădea de n ori.
Secvențele de cip încorporate în biții de informații sunt numite coduri asemănătoare zgomotului (PN-secvențe), ceea ce subliniază faptul că semnalul rezultat devine asemănător zgomotului și este greu de distins de zgomotul natural.
Este clar cum să lărgi spectrul de semnal și să-l faci să nu se distingă de zgomotul natural. Pentru a face acest lucru, în principiu, puteți utiliza o secvență de cip arbitrară (aleatorie). Cu toate acestea, apare întrebarea: cum să primiți un astfel de semnal? La urma urmei, dacă devine asemănător zgomotului, atunci izolarea unui semnal de informare util de la acesta nu este atât de ușoară, dacă nu imposibilă. Se pare că este posibil, dar pentru aceasta trebuie să selectați secvența cipului în consecință. Secvențele de cip utilizate pentru a lărgi spectrul semnalului trebuie să satisfacă anumite cerințe de autocorelare. Termenul de autocorelare în matematică se referă la gradul de similitudine al unei funcții cu ea însăși în momente diferite de timp. Dacă selectați o secvență de cip pentru care funcția de autocorelare va avea un vârf pronunțat doar pentru un moment în timp, atunci un astfel de semnal de informare va fi posibil să fie izolat la nivelul de zgomot. Pentru a face acest lucru, semnalul primit este înmulțit în receptor cu aceeași secvență de cip, adică se calculează funcția de autocorelare a semnalului. Ca urmare, semnalul devine din nou în bandă îngustă, deci este filtrat într-o bandă îngustă de frecvență și orice interferență care intră în banda semnalului original de bandă largă, după înmulțirea cu secvența de cip, dimpotrivă, devine în bandă largă și este întreruptă de filtre și doar o parte a interferenței intră în banda îngustă de informații, în funcție de puterea este semnificativ mai mică decât interferența care acționează la intrarea receptorului.
Cerințe de bază pentru PSP
- Imprevizibilitatea apariției semnelor 1 și 0, datorită căreia spectrul semnalului devine uniform, iar determinarea algoritmului de formare a PSP din secțiunea sa de lungime limitată este imposibilă.
- Disponibilitatea unui set mare de lățimi de bandă diferite de memorie de aceeași lungime pentru sistemele de divizare a codurilor de construcție.
- Proprietăți bune de corelare ale PSP, descrise de funcțiile de autocorelare (AFC) și de corelație încrucișată (MCC), periodice și aperiodice.
Caracteristicile secvențelor pseudoaleatoare (PSR)
Caracteristicile PSP sunt funcțiile de autocorelare (AFC) și de corelație încrucișată (MCC), periodice și aperiodice. FAC și FVK sunt calculate prin numărarea diferenței dintre numărul de biți potriviți și necoincidenți ai PSP-urilor comparate atunci când unul dintre ei este deplasat.
FAK și FVK periodice
etc.............