Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) - prezentare. Concepte de bază ale sistemelor cu spectru răspândit

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 răspândit 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 asigura divizarea codului de canale 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 transmisi 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 sincronizate 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, doi biți de mesaj sau mai mulți (în unele sisteme peste 1000 în unele sisteme) pot fi transmisi 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 cu deplasare minimă (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 purtătorului se modifică 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 schimbare 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 conversatia. 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.

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 găsiți în 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 potrivit 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 cu 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 beneficiu 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. (Este de menționat, totuși, că unii producători permit posibilitatea utilizării unui interval ISO extins atunci când fotografiați în format RAW.)

Poate exista un 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.

Metode cu spectru răspândit

Inițial, metodele cu spectru răspândit (PC sau SS - Spread-Spectrum) au fost utilizate în dezvoltarea sistemelor militare de control și comunicații. În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, spectrul extins a fost folosit în radar pentru a combate interferența intenționată. În ultimii ani, dezvoltarea acestei tehnologii se explică prin dorința de a crea sisteme de comunicații radio eficiente care să asigure imunitate ridicată la zgomot la transmiterea semnalelor în bandă îngustă pe canale zgomotoase și complicând interceptarea acestora.

Sistemul de comunicații este un sistem cu spectru extins în următoarele cazuri:

Banda de frecvență utilizată în timpul transmisiei este mult mai largă decât minimul necesar pentru transmiterea informațiilor curente. În acest caz, energia semnalului informațional se extinde pe întreaga bandă de frecvență cu un raport semnal-zgomot scăzut, făcând semnalul dificil de detectat, interceptat sau interferat cu transmisia sa prin introducerea interferenței. Deși puterea totală a semnalului poate fi mare, raportul semnal-zgomot în orice domeniu de frecvență este mic, ceea ce face ca semnalul cu spectru împrăștiat să fie dificil de detectat prin comunicațiile radio și, în contextul ascunderii informațiilor prin tehnici steganografice, greu de identificat prin oameni.

Răspândirea spectrului se realizează folosind un așa-numit semnal de răspândire (sau cod), care este independent de informațiile transmise. Prezența energiei semnalului în toate intervalele de frecvență face ca semnalul radio cu spectru împrăștiat să fie rezistent la interferențe, iar informațiile încorporate în container folosind metoda cu spectru împrăștiat sunt rezistente la eliminarea sau scoaterea acestuia din container. Compresia și alte atacuri asupra unui sistem de comunicații pot elimina energia semnalului din unele porțiuni ale spectrului, dar deoarece energia a fost răspândită pe întregul spectru, există încă suficiente date în alte benzi pentru a recupera informațiile. Ca urmare, dacă, desigur, nu dezvălui cheia care a fost folosită pentru a genera semnalul de cod, probabilitatea ca persoane neautorizate să extragă informații este redusă semnificativ.

Reconstrucția informațiilor primare (adică „îngustarea spectrului”) se realizează prin compararea semnalului primit și o copie sincronizată a semnalului de cod.

Există trei metode principale de extindere a spectrului utilizate în comunicațiile radio:

Utilizarea PSP direct (RSPP);

Utilizarea saltului de frecvență;

Utilizarea compresiei folosind modulația liniară a frecvenței (LFM).

La răspândirea spectrului prin secvență directă, semnalul informațional este modulat de o funcție care preia valori pseudoaleatoare în limitele stabilite și este înmulțită cu o constantă de timp - frecvența (viteza) de repetare a parcelelor elementare (elemente de semnal). Acest semnal pseudo-aleatoriu conține componente la toate frecvențele, care, atunci când sunt extinse, modulează energia semnalului pe o gamă largă.

În metoda cu spectru extins cu salt de frecvență, transmițătorul schimbă instantaneu o frecvență a semnalului purtător cu alta. Cheia secretă în acest caz este legea pseudo-aleatorie a modificărilor de frecvență.

Cu compresia chirp, semnalul este modulat de o funcție a cărei frecvență variază în timp.

Este evident că oricare dintre aceste metode poate fi extinsă pentru a fi utilizată în domeniul spațial atunci când se construiesc sisteme steganografice.

Să luăm în considerare una dintre opțiunile de implementare a metodei RSPP, ai cărei autori sunt J.R. Smith și V.O. Comiskey. Algoritmul de modulație este următorul: fiecare bit al mesajului este reprezentat de o funcție de bază, dimensiune, multiplicată, în funcție de valoarea bitului (1 sau 0), cu +1 sau -1:

Mesajul modulat primit în acest caz este însumat pixel cu pixel cu o imagine container, care este o imagine semiton de dimensiune . Rezultatul este o imagine stegan, cu .

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 a spectrului de răspândire este metoda de răspândire în serie directă. Ambele metode sunt utilizate în diverse standarde și produse wireless.

Spectrul de răspândire cu salt de frecvență (FHSS)

Pentru a se asigura că traficul radio nu poate fi interceptat sau suprimat de zgomotul de bandă îngustă, s-a propus transmiterea cu o schimbare constantă a purtătorului într-un interval larg de frecvență. Drept urmare, puterea semnalului a fost distribuită pe întreaga gamă, iar ascultarea unei anumite frecvențe producea doar un mic zgomot. Secvența de frecvențe purtătoare a fost pseudo-aleatorie, cunoscută doar de emițător și receptor. O încercare de a suprima un semnal într-un anumit interval îngust, de asemenea, nu a degradat prea mult semnalul, deoarece doar o mică parte a informației a fost suprimată.

Ideea acestei metode este ilustrată în Fig. 1.10.

Pentru o perioadă fixă de timp, transmisia se realizează pe o frecvență purtătoare constantă. La fiecare frecvență purtătoare, metode standard de modulare, cum ar fi FSK sau PSK, sunt utilizate pentru a transmite informații discrete. Pentru ca receptorul să se sincronizeze cu transmițătorul, biții de sincronizare sunt transmiși pentru o perioadă de timp pentru a indica începutul fiecărei perioade de transmisie. Deci viteza utilă a acestei metode de codare este mai mică datorită supraîncărcării constante de sincronizare.

Orez. 1.10. Extinderea spectrului prin salt de frecvență

Frecvența purtătoarei se modifică în funcție de numărul de subcanale de frecvență generate de algoritmul numere pseudoaleatoare. Secvența pseudo-aleatorie depinde de un parametru numit iniţială număr. Dacă receptorul și emițătorul cunosc algoritmul și valoarea semințelor, atunci ele schimbă frecvențele în aceeași secvență, numită secvență pseudo-aleatorie de salt de frecvență.

Dacă frecvența modificărilor subcanalului este mai mică decât rata de transmisie a datelor pe canal, atunci acest mod este apelat extinderea lentă a spectrului(Fig. 1.11a); altfel avem de-a face extinderea rapidă a spectrului(Fig. 1.11b).

Metoda cu spectru de răspândire rapidă este mai rezistentă la interferență deoarece interferența de bandă îngustă care suprimă semnalul într-un anumit subcanal nu are ca rezultat pierderea de biți deoarece valoarea sa este repetată de mai multe ori în subcanale de frecvență diferite. În acest mod, efectul interferenței intersimbol nu apare, deoarece până la sosirea semnalului întârziat de-a lungul uneia dintre căi, sistemul are timp să comute la o altă frecvență.

Metoda de răspândire lentă a spectrului nu are această proprietate, dar este mai simplu de implementat și implică mai puține cheltuieli generale.

mărește imaginea
Orez. 1.11. Relația dintre rata de date și frecvența schimbării subcanalului

Metodele FHSS sunt utilizate în tehnologiile wireless IEEE 802.11 și Bluetooth.

În FHSS, abordarea utilizării intervalului de frecvență este diferită de alte metode de codare - în loc să se utilizeze economic o lățime de bandă îngustă, se încearcă ocuparea întregului interval disponibil. La prima vedere, acest lucru nu pare foarte eficient - la urma urmei, doar un canal funcționează în rază la un moment dat. Cu toate acestea, această din urmă afirmație nu este întotdeauna adevărată - codurile cu spectru împrăștiat pot fi utilizate și pentru a multiplexa mai multe canale pe o gamă largă. În special, metodele FHSS vă permit să organizați funcționarea simultană a mai multor canale prin selectarea unor astfel de secvențe pseudo-aleatorie pentru fiecare canal, astfel încât în fiecare moment de timp fiecare canal să funcționeze la propria frecvență (desigur, acest lucru se poate face numai dacă numărul de canale nu depășește numărul de subcanale de frecvență).

Spectrul de răspândire a secvenței directe (DSSS)

Spectrul de răspândire secvențială directă utilizează, de asemenea, întreaga gamă de frecvență alocată unei singure legături fără fir. Spre deosebire de metoda FHSS, întreaga gamă de frecvență este ocupată nu prin trecerea constantă de la frecvență la frecvență, ci prin înlocuirea fiecărui bit de informație cu N-biți, astfel încât viteza de ceas a transmisiei semnalului să crească de N ori. Și asta, la rândul său, înseamnă că spectrul semnalului se extinde și de N ori. Este suficient să selectați rata de date și valoarea N în mod corespunzător, astfel încât spectrul semnalului să umple întregul interval.

Scopul codificării DSSS este același cu FHSS - de a crește imunitatea la interferențe. Interferența în bandă îngustă va distorsiona doar anumite frecvențe ale spectrului de semnal, astfel încât receptorul este probabil să poată recunoaște corect informațiile transmise.

Se numește codul care înlocuiește unitatea binară a informațiilor originale secvență de răspândire, și fiecare bit dintr-o astfel de secvență este un cip.

În consecință, este apelată viteza de transmisie a codului rezultat cip viteză. Un zero binar este codificat ca inversul secvenței de împrăștiere. Receptorii trebuie să cunoască secvența de răspândire pe care o folosește emițătorul pentru a înțelege informațiile transmise.

Numărul de biți din secvența de împrăștiere determină factorul de împrăștiere al codului sursă. Ca și în cazul FHSS, orice tip de modulație, cum ar fi BFSK, poate fi utilizat pentru a codifica biții codului rezultat.

Cu cât factorul de răspândire este mai mare, cu atât spectrul semnalului rezultat este mai larg și gradul de suprimare a interferențelor este mai mare. Dar, în același timp, spectrul ocupat de canal crește. De obicei, factorul de expansiune variază de la 10 la 100.

Extensie de spectru

În această prelegere ne vom uita la principiile de bază ale tehnologiei de răspândire a semnalului.

Spread spectrum este o tehnologie, în termeni simpli, în care un semnal modulat este reprezentat ca un semnal cu o lățime de bandă mult mai mare decât lățimea de bandă a semnalului informațional.

Comunicațiile mobile moderne se bazează pe tehnologia cu spectru extins și sunt utilizate pe scară largă sub denumirea de „CDMA”.

Considerați standardul CDMA IS-95 (cdmaOne) drept cel mai utilizat în prezent. Tehnologia cu spectru extins a fost propusă pentru prima dată pentru comunicatoarele mobile în anii 1980, iar distribuția comercială a fost întreprinsă pentru prima dată de Qualcomm Inc, care a introdus acest standard în formatul DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiple Access). Utilizarea comercială a standardului IS-95 a început în 1996 în SUA. Abrevierea IS (standard interimar) este folosită pentru contabilitate în TIA, iar numărul înseamnă numărul de serie. Din denumirea completă a standardului TIA/EIA/IS-95, este clar că EIA, care reunește șapte organizații mari din SUA, a luat parte, de asemenea, la luarea în considerare.

Tipuri de acces multiplu: Accesul multiplu este problema numerotării utilizatorilor care doresc să folosească același spectru electromagnetic. Poate fi rezolvată în mai multe moduri:

- Selecția cu divizare în frecvență (semnalele sunt distribuite doar între comunicatoare specifice);

- filtrare spațială;

- Acces multiplu cu diviziune în frecvență (FDMA);

- Acces multiplu pe diviziune temporală (TDMA);

- Acces multiplu prin diviziune de cod (CDMA).

TDMA (Acces multiplu pe divizarea timpului). - accesul multiplu pe divizare în timp) este o metodă de utilizare a frecvențelor radio atunci când există mai mulți abonați în același interval de frecvență, abonați diferiți folosesc intervale (intervale) de timp diferite pentru transmisie. TDMA oferă fiecărui utilizator acces deplin la un slot de frecvență pentru o perioadă scurtă de timp.

FDMA (Acces multiplu cu diviziunea de frecvență). - acces multiplu prin diviziune de frecvență) - o metodă de utilizare a frecvențelor radio atunci când există un singur abonat în același interval de frecvență, abonați diferiți folosesc frecvențe diferite în interiorul celulei.

CDMA (Code Division Multiple Access - acces multiplu prin diviziune de cod) este o tehnologie de comunicații mobile în care canalele de transmisie au o bandă de frecvență comună, dar modulație de cod diferită.

Practic, CDMA este folosit ca termen pentru un sistem de modulare a informațiilor într-un semnal având o lățime de bandă mai mare, adică extinderea spectrului. Această expansiune se realizează prin „cod” binar, care este de obicei foarte lung și, pentru majoritatea considerentelor, de natură aleatorie. Desigur, codul nu este aleatoriu, este destul de previzibil, iar termenul pseudo-aleatoriu (un termen confuz în sine) este adesea folosit.

Unul dintre conceptele fundamentale care determină imunitatea la zgomot și eficiența unui sistem CDMA este „baza semnalului” (în literatura engleză este folosit termenul „processing gain”). Sensul fizic al acestui concept este o creștere a benzii de frecvență a semnalului transmis față de cel inițial (măsurată în decibeli). Pentru sistemele cu spectru extins, baza semnalului este definită ca raportul dintre lățimile de bandă ale semnalelor emise și sursă. Cu toate acestea, mai des, valoarea bazei semnalului (B) este calculată ca produsul dintre lățimea spectrului (F) și durata simbolului elementar (T). Pentru semnalele de bandă largă, baza este semnificativ mai mare decât 1 (B>>1). Este clar că cu cât banda de frecvență în aer este mai largă și cu cât viteza semnalului de intrare este mai mică, cu atât este mai mare baza de semnal și, în consecință, cu atât este mai mare imunitatea la zgomot.

Cu toate acestea, este important să înțelegeți că baza semnalului nu este o caracteristică a întregului sistem CDMA, ci doar a canalului său individual. Să explicăm acest lucru cu un exemplu. Deci, cu o viteză a cipului de 1,2288 Mchip/s (IS-95) și o viteză a informațiilor de 9,6 kbit/s, baza semnalului este de 21,1 dB (1,2288x103 / 9,6 = 128). Baza unui semnal este proporțională cu viteza de transmisie a acestuia.

Wideband este un sistem care transmite un semnal care ocupă o bandă de frecvență foarte largă, depășind semnificativ lățimea de bandă minimă care este de fapt necesară pentru transmiterea informațiilor. Într-un sistem de bandă largă, un semnal de bandă de bază sursă (de exemplu, un semnal telefonic) cu o lățime de bandă de doar câțiva kiloherți este distribuit pe o bandă de frecvență care poate avea o lățime de câțiva megaherți. Acest lucru se realizează prin modularea dublă a purtătorului cu un semnal de informație transmis și un semnal de codare în bandă largă. Caracteristica principală a unui semnal în bandă largă este baza sa B, definită ca produsul dintre lățimea spectrului de semnal F și perioada sa T. Ca urmare a înmulțirii semnalului unei surse de zgomot pseudoaleatoare cu un semnal de informare, energia acestuia din urmă este distribuite pe o bandă largă de frecvență, adică spectrul său se extinde.

Tehnologia este optimizată pentru furnizarea de servicii multimedia de mare viteză, cum ar fi video, acces la Internet și videoconferințe; oferă viteze de acces de până la 2 Mbit/s pe distanțe scurte și 384 Kbit/s pe distanțe lungi cu mobilitate deplină. Astfel de valori ale vitezei

Transmisiile de date necesită o bandă largă de frecvență, deci lățimea de bandă WCDMA este de 5 MHz.

Tehnologia poate fi adăugată rețelelor GSM și PDC existente, făcând standardul WCDMA cel mai promițător în ceea ce privește utilizarea resurselor de rețea și compatibilitatea globală.

La transmițător, semnalul de informații în bandă îngustă este înmulțit cu o secvență de simbol N de referință pseudo-zgomot, iar semnalul rezultat este modulat utilizând BPSK sau QPSK (operare directă). Baza semnalului rezultat este egală cu numărul de simboluri ale secvenței pseudoaleatoare (B = N). În acest caz, utilizarea semnalelor asemănătoare zgomotului cu o frecvență mare de ceas duce la faptul că banda îngustă inițială

semnalul este „împrăștiat” pe o bandă largă și devine mai mic decât nivelul de zgomot.

La receptor, semnalul original este reconstruit folosind o secvență pseudo-aleatorie de structură cunoscută (operație inversă). Alte semnale care ajung la acest receptor sunt percepute ca zgomot.

În mod similar, interferența puternică în bandă îngustă de la alte transmițătoare operaționale este suprimată. În receptor, o astfel de interferență este, de asemenea, „împrăștiată” pe o bandă largă de frecvență și, după filtrare, degradează doar puțin calitatea comunicației. Cu o procesare digitală ulterioară, interferența poate fi complet suprimată.

Pe lângă metoda DS-CDMA cel mai des folosită, există și alte tehnologii de extindere a spectrului, de exemplu folosind mai multe purtători - MC-CDMA (Multi-Carrier CDMA) sau saltul de frecvență - FHCDMA (Frequency Hopping CDMA). Caracteristicile acestor tehnologii vor fi discutate în numerele viitoare ale revistei.

Procesarea semnalului digital în timp real înainte de transmisia RF. Principiul construirii unui emițător/receptor este același ca și în cazul DS-CDMA, doar semnalul modulat final este furnizat DAC-ului. Emițătorul/receptorul utilizează un filtru special numit filtru cosinus ridicat, care minimizează distorsiunea intersimbol reprezentând o porțiune a spectrului în forma sa cea mai simplă într-o undă cosinus care este ridicată astfel încât să se așeze pe axa orizontală.

Chipping-ul este orice operație prin care simbolurile (biții) sunt împărțite (cipate) în intervale de timp mai mici. Operațiile de amestecare, canalizare și împrăștiere sunt operația de așchiere.

Scrambling este o transformare reversibilă a unui flux digital fără modificarea ratei de transmisie folosind o secvență aleatorie. După amestecare, apariția lui „1” și „0” în secvența de ieșire este la fel de probabilă. Scrambling este un proces reversibil, adică mesajul original poate fi restaurat prin aplicarea algoritmului invers.

Canalizarea este o transformare reversibilă a unui flux digital prin împărțirea semnalului de informații în cipuri folosind o secvență fixă.

Prezentare cuprinzătoare.

Rețineți că reprezentarea complexă este pur matematică și este introdusă pentru comoditatea notării. Rețelele CDMA de a treia generație utilizează toate cele trei reprezentări într-o formă integrată. Canalizarea în sistemul Uplink se realizează prin prima metodă de prezentare, iar în sistemul Downlink - prin a doua.

Fiecare utilizator are un cod unic de răspândire/canalizare, cel mai probabil un cod Walsh ortogonal. În transmisia semnalului în aval, partea reală a reprezentării complexe a secvenței cip este luată ca bază și transmisă cu aceeași viteză. Semnalele transmise codificate vor fi sincronizate. Fiecare stație mobilă cunoaște codul de amestecare al stației de bază actuale și codul de răspândire setat (și singurul) - de aici datele transmise sunt recuperate.

Canalele logice de downlink includ:

Canal pilot;

Canal de sincronizare;

Canal personal de apeluri;

Canal de trafic direct.

În canalul direct (de la BS la mobil), modularea semnalului prin funcții Walsh (transformare binară de fază) este utilizată pentru a distinge între diferitele canale fizice ale unei BS date; modulație PSP lungă (fază binară

manipulare) - în scopul criptării mesajelor; modularea unui PSP scurt (cadrare cu deplasare de fază a două PSP din aceeași perioadă) - pentru a extinde lățimea de bandă și a distinge semnalele de la diferite BS.

Distincția între semnalele de la diferite stații este asigurată de faptul că toate BS-urile folosesc aceeași pereche de lățimi de bandă scurte, dar cu o deplasare de 64 de eșantioane între diferite stații, adică Există un total de 511 coduri în rețea; în acest caz, toate canalele fizice ale unei BS au aceeași fază de secvență.

Pe BS se formează 4 tipuri de canale: canal de semnal pilot (PI), canal de sincronizare (SYNC), canal de apelare (PCN) și canal de trafic (TCN).

Semnalele de la diferite canale sunt reciproc ortogonale, ceea ce garantează absența interferenței reciproce între ele pe aceeași BS. Interferența intra-sistem apare în principal din emițătoarele altor BS care funcționează la aceeași frecvență, dar cu o schimbare ciclică diferită.

Semnalul pilot este emis continuu. Pentru transmiterea acestuia se folosește funcția Walsh de ordin zero (W0). Semnalul pilot este un semnal purtător care este utilizat de MS pentru a selecta o celulă de lucru (pe baza celui mai puternic semnal) și, de asemenea, ca semnal de referință pentru detectarea sincronă a semnalelor canalului de informații. De obicei, aproximativ 20% din puterea totală este emisă pe semnalul pilot, ceea ce permite stației mobile (MS) să asigure o selecție precisă a frecvenței purtătoare și recepția coerentă a semnalelor.

În canalul de sincronizare (SYNC), fluxul de intrare la o rată de 1,2 kbit/s este recodificat într-un flux transmis la o rată de 4,8 kbit/s. Mesajul de sincronizare conține informațiile tehnologice necesare pentru a stabili sincronizarea inițială pe MS: date despre ora exactă a sistemului, viteza de transmisie în canalul PCH și parametrii codului scurt și lung. Viteza de transmisie în canalul de sincronizare este mai mică decât în canalul de apelare (RSN) sau de program (TSN), ceea ce crește fiabilitatea funcționării acestuia. După finalizarea procedurii de sincronizare, MS este reglat pe canalul de apel PCH și îl monitorizează constant. Funcția W32 este utilizată pentru a codifica canalul de sincronizare.

În canalul invers (uplink), o versiune asincronă a diviziunii codului este implementată în combinație cu recepția incoerentă a semnalelor la BS. Acest lucru elimină necesitatea unui canal pilot și a unui canal de sincronizare. Acest lucru lasă doar două tipuri de canale logice uplink:

Canal de acces;

- canal de trafic de întoarcere.

Asincronia diviziunii codului face să fie irațională utilizarea funcțiilor Walsh ca secvențe de formare a canalelor (semnături) ale canalelor fizice, deoarece cu decalări relative de timp nu pot menține ortogonalitatea și au proprietăți de corelație încrucișată foarte neatractive.

Canalul de acces asigură conexiunea între MS și BS până când MS este reglat pe canalul de trafic invers care îi este atribuit. Procesul de selectare a canalului de acces este aleatoriu - MS selectează aleatoriu un număr de canal dintr-un anumit interval. Canalul de acces este utilizat pentru a înregistra MS în rețea, transmite o solicitare de stabilire a conexiunii la BS, răspunde la comenzile transmise prin canalul de apel etc. Rata de transfer de date pe canalul de acces este fixă și se ridică la 4,8 kbit. /s.

Canalul de trafic invers asigură transmiterea informațiilor de voce și a datelor de abonat, precum și informații de control de la MS către BS, atunci când MS ocupă deja canalul fizic alocat acestuia.

Codurile Walsh.

Standardul CDMA utilizează coduri Walsh ortogonale pentru divizarea codului. Codurile Walsh sunt formate din rândurile matricei Walsh:

Particularitatea acestei matrice este că fiecare dintre rândurile sale este ortogonală cu orice alta sau rând obținut folosind operația de negație logică. Standardul IS-95 utilizează o matrice de ordinul 64. Un filtru digital este utilizat pentru a izola semnalul de la ieșirea receptorului. Cu semnale ortogonale, filtrul poate fi configurat astfel încât ieșirea sa să fie întotdeauna un „0” logic, cu excepția cazului în care semnalul la care este configurat este primit. Codarea Walsh este utilizată în canalul de transmitere (de la BS la AT) pentru a separa utilizatorii. În sistemele care utilizează standardul IS-95, toate difuzoarele funcționează simultan în aceeași bandă de frecvență. Filtrele potrivite ale receptorilor BS sunt cvasi-optime în condiții de interferență reciprocă între abonații aceleiași celule și sunt foarte sensibile la efectul „de departe aproape”. Pentru a maximiza capacitatea de abonat a sistemului, este necesar ca terminalele tuturor abonaților să emită un semnal de o asemenea putere care să asigure același nivel de semnale recepționate de BS. Cu cât controlul puterii este mai precis, cu atât este mai mare capacitatea de abonat a sistemului.

Secvență pseudo-aleatorie.

PSP este un semnal periodic determinist care este cunoscut ambilor corespondenți. Are toate proprietățile statistice ale zgomotului alb și pentru o terță parte va părea a fi complet aleatoriu - un semnal pseudozgomot. Pentru ca PSP să fie un proces aleatoriu, trebuie îndeplinite o serie de condiții:

- numărul de zerouri binare nu trebuie să difere de numărul de zerouri binare cu cel mult un element;

- PSP trebuie să aibă proprietăți de corelație bune, și anume, nivelurile lobilor laterali ACF ai unei astfel de secvențe trebuie să aibă un nivel minim.

Multe secvențe satisfac aceste proprietăți - Walsh, Barker, secvențe de aur, secvențe M și multe altele.

FCSR (Feedback with carry shift register) - registru de deplasare, funcție de feedback și registru de transport. Lungimea registrului de deplasare este numărul de biți. Când un bit trebuie recuperat, toți biții din registrul de deplasare sunt deplasați la dreapta cu o poziție. Noul bit din stânga și noua valoare a registrului de transport sunt determinate de funcția biților rămași din registrul de deplasare și registrul de transport (biții lor sunt adunați împreună). Bitul cel mai puțin semnificativ al rezultatului devine noul bit din stânga, iar biții rămași ai rezultatului (cu excepția bitului cel mai puțin semnificativ) devin noua valoare a registrului de transport.

Spre deosebire de LFSR, există o întârziere pentru FCSR înainte de a intra în modul ciclic, adică începe să genereze o secvență repetată ciclic. În funcție de starea inițială selectată, sunt posibile 4 cazuri diferite:

1. Starea inițială poate face parte din perioada maximă.

2. Starea inițială poate intra în secvența perioadei maxime după o întârziere inițială.

3. Starea inițială poate, după o întârziere inițială, să producă o secvență de zerouri.

4. Starea inițială poate, după o întârziere inițială, să producă o secvență de cele.

Secvența lui Gold este o secvență pseudo-aleatoare formată prin adăugarea modulo 2 a două secvențe pseudo-aleatoare.

Kasami este un tip de secvență pseudo-aleatoare. Folosit în CDMA. Semnificația acestor secvențe provine din corelația lor încrucișată foarte scăzută. Un cod Kasami de lungime N = 2m − 1, unde m este un întreg par, poate fi obținut prin prelevarea de mostre periodice din M-

secvențe și efectuarea însumării modulo 2 pe secvențe deplasate ciclic. Se prelevează eșantioane la fiecare s = 2m / 2 + 1 elemente ale secvenței M pentru a forma o secvență periodică și apoi se adaugă această secvență în mod incremental la secvența M originală modulo 2 pentru a forma s = 2m / 2 secvențe Kasami. Funcția de corelare încrucișată a două secvențe Kasami ia valori [-1, -s, s-2].

Codurile ortogonale

Capacitatea de a adapta sistemul la diferite rate de transmisie este asigurată prin utilizarea așa-numitelor coduri de canalizare. Principiul generării lor poate fi ilustrat (Fig. 1) cu o diagramă arbore de cod pentru coduri ortogonale cu lungime variabilă

(Factor de răspândire variabil ortogonal, OVSF).

Fiecare nivel al acestui arbore de cod are propriile cuvinte de cod, lungimea fiecăruia fiind egală cu factorul de răspândire (SF). Arborele complet de cod conține 8 niveluri (ultimul, al optulea, corespunde coeficientului SF=256).

Structura arborelui de cod este astfel încât la fiecare nivel ulterior numărul posibil de coduri care formează canale este dublat. Deci, dacă la nivelul 2 sunt generate doar 2 coduri (SF = 2), atunci la nivelul 3 se generează 4 cuvinte de cod (SF = 4), etc. Ansamblul codurilor OVSF nu este fix, ci depinde de factorul de răspândire SF, adică, de fapt, de viteza de transmisie a canalului.

Problema ortogonalității.

Să presupunem că există un sistem simplu cu doi utilizatori și două căi de semnal. Cele două căi au o latență relativă de un cip. Codurile Walsh ortogonale sunt folosite pentru a propaga secvența de date.

În acest caz, receptorul va extrage două semnale diferite de pe canal pentru fiecare utilizator, corespunzătoare a două căi diferite, întârzierea relativă dintre ele va fi de un cip.

Pentru fiecare utilizator, receptorul va primi două semnale de la canal, semnalul dorit (PRP-ul este sincronizat cu acest semnal) și o versiune întârziată a acestuia.

Rezultatul restrângerii celor patru semnale recepționate în cazul transmisiei pe două canale la doi utilizatori va fi:

B N (bit de interes) din restrângerea semnalului utilizatorului dorit;

- 0 de la îngustarea semnalelor ortogonale asemănătoare zgomotului, fără interferențe datorită utilizării codurilor Walsh;

- condiții nedorite când îngustarea cauzează întârzierea semnalului dorit și interferențe.

Căi multiple.

Pentru o secvență de cod cu proprietăți de corelare ideale, funcția de autocorelare oferă o ieșire zero în intervalul , unde Tc este timpul cipului. Aceasta înseamnă că semnalul dorit (calea principală) și o versiune întârziată a acelui semnal cu un timp mai mare de 2Tc sunt recepționate la receptor, apoi, în condiții coerente de demodulație/down-spreading, receptorul va identifica semnalul întârziat ca interferență. În plus, nivelul de putere al semnalului întârziat este mai mic decât cel util din cauza reflexiilor în timpul multipath, prin urmare, semnalul întârziat sub formă de interferență este „untat” pe întreaga lățime de bandă, iar receptorul primește doar semnalul util.

Problema „aproape – îndepărtată”.

În ciuda eficienței ridicate a tehnologiei CDMA, aceasta are și o serie de dezavantaje. Una dintre ele este sensibilitatea ridicată la dispersia puterii stațiilor mobile. Cea mai dificilă situație apare din cauza problemei „departe-aproape”, atunci când o stație mobilă situată în apropierea stației de bază funcționează la putere mare, creând un nivel inacceptabil de ridicat de interferență la recepția altor semnale, „departe”, ceea ce duce la o scădere. în capacitatea sistemului în ansamblu. Această problemă există în toate sistemele de comunicații mobile, dar cea mai mare distorsiune a semnalului apare în sistemele CDMA care funcționează într-o bandă de frecvență comună, care utilizează semnale ortogonale asemănătoare zgomotului. Dacă aceste sisteme nu ar avea controlul puterii, ar fi semnificativ inferioare ca performanță față de rețelele celulare bazate pe TDMA. Prin urmare, problema cheie în sistemele CDMA poate fi considerată controlul individual al puterii fiecărei stații.

Detectare.

Receptorul are acces la o bancă de coduri, care stochează toate codurile alocate la stațiile de bază (BS). Pentru un anumit utilizator, BS știe la ce cod să se aștepte și codul este detectat prin compararea secvenței primite cu codul așteptat. Operația de corelare se realizează prin îngustare, care poate fi efectuată într-un filtru potrivit. Înainte de a începe corelarea, destinatarul trebuie să cunoască momentul exact în timp. Sincronizarea se realizează prin utilizarea unui semnal pilot, care se află înaintea informației transmise. Semnalul pilot este același pentru toți utilizatorii. Când sincronizarea este finalizată, filtrul potrivit începe operația de corelare: dacă corelația este peste un prag predefinit, filtrul potrivit este definit pozitiv de utilizator.

Înmulțirea semnalului primit și a semnalului de la aceeași sursă de zgomot pseudoaleatoare (RPN) care a fost utilizată în transmițător comprimă spectrul semnalului util și extinde simultan spectrul zgomotului de fond și al altor surse de interferență. Câștigul rezultat în raportul semnal-zgomot la ieșirea receptorului este o funcție de raportul dintre lățimile de bandă a semnalului în bandă largă și în bandă de bază: cu cât este mai mare răspândirea spectrului, cu atât câștigul este mai mare. În domeniul timpului, aceasta este o funcție a raportului dintre viteza de transmisie a fluxului digital în canalul radio și rata de transmisie a semnalului de informații de bază. Pentru standardul 1S-95, raportul este de 128 de ori sau 21 dB. Acest lucru permite sistemului să funcționeze la un nivel de interferență care depășește nivelul semnalului util cu 18 dB, deoarece procesarea semnalului la ieșirea receptorului necesită ca nivelul semnalului să depășească nivelul de interferență cu doar 3 dB. În condiții reale, nivelul de interferență este mult mai mic. În plus, extinderea spectrului de semnal (până la 1,23 MHz) poate fi considerată o aplicare a metodelor de recepție a diversității de frecvență. Un semnal care se propagă pe o cale radio este supus decolorării din cauza naturii cu mai multe căi a propagării. În domeniul frecvenței, acest fenomen poate fi reprezentat ca efectul unui filtru notch cu o lățime de bandă notch variabilă (de obicei nu mai mult de 300 kHz). În standardul AMPS, aceasta corespunde suprimării a zece canale, iar în sistemul CDMA, doar aproximativ 25% din spectrul semnalului este suprimat, ceea ce nu provoacă dificultăți deosebite în restabilirea semnalului în receptor.

Receptor rake.

Eșantioanele digitizate ale semnalelor de intrare sunt primite de la etapele de intrare RF și sunt reprezentate ca ramuri în cuadratura I și Q (adică, format de număr complex al filtrului trece-jos la ieșirea receptorului). Generatoarele de cod și un corelator efectuează compresia și însumarea simbolurilor de transmisie a datelor utilizatorului. Dispozitivul de canal folosește simbolurile pilot pentru a estima starea canalului, efectul căruia va fi apoi compensat printr-un schimbător de fază pentru simbolurile primite. Întârzierea este compensată de diferența în timpul de sosire a simbolurilor în fiecare cale. Acumulatorul Rake adaugă apoi simbolurile de canal compensate, oferind astfel diversitate pe mai multe căi ca mijloc de combatere a decolorării.

De asemenea, este afișat filtrul potrivit utilizat pentru a determina și actualiza profilul curent de întârziere cu mai multe căi al canalului. Acest profil de întârziere cu mai multe căi măsurat și, posibil, mediat, este apoi utilizat pentru a suma cele mai înalte valori de vârf ale ieșirilor de cale a receptorului Rake.

În implementările tipice, un receptor Rake efectuează procesarea ratei cipului (corelator, generator de cod, potrivire