Системы связи с прямым расширением спектра

1 Методы широкополосной передачи

Свое название широкополосные системы связи получили вследствие того, что полоса, зани­маемая используемыми в них сигналами, намного шире полосы, необходимой для передачи непосредственно информации. Одной из первых таких систем, являлась раз­работанная в конце 1950-х гг. система «Рейк». В этой системе за счет использования метода широкополосной передачи удалось обеспечить устойчивую связь в условиях много­лучевого распространения.

Методы широкополосной передачи позволили осуществить разделение нескольких лучей с различным запаздыванием и тем самым устранить эффект за­мирания сигналов, вызванный многолучевым распространением.

В специальных системах методы широкополосной передачи позволяют организовать устойчивую передачу информа­ции в условиях действия преднамеренных помех, мощность которых на входе приемника может превышать мощность полезных сигналов в сотни и тысячи раз.

Кроме того, в таких системах использование методов широкополосной передачи позволяет затруднить средст­вам радиоразведки обнаружение факта передачи, т.е. повысить ее скрытность. В сотовых и спутниковых системах связи методы широкополосной передачи позволяют обес­печить одновременную работу многих пользователей в общей полосе частот, т.е. реализо­вать метод многостанционного доступа, основанный на разделении сигналов по форме (CDMA - Code Division Multiple Access).

В системах радиолокации использование методов широкополосной передачи позволяет повысить точность измерения дальности до цели при прочих равных условиях, а также пре­одолеть известное противоречие между дальностью действия локатора и его разрешающей способностью.

Среди методов широкополосной передачи в цифровых системах связи с расширенным спектром (Spread Spectrum - SS) наибольшее рас­пространение получили два основных методах расширения (широкополосной модуляции):

• с прямым расширением спектра (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS);

• с частотными скачками (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS) или отечественное название - с псевдослучайной перестройкой рабочих частот (ППРЧ).

Первый метод расширения спектра DSSS основан на ис­пользовании псевдослучайных последовательностей (ПСП).

Такие сигналы обычно называ­ют широкополосными (ШПС), или шумоподобными. Наиболее полное изложение теории и техники шумоподобных сигналов можно найти в работах Л. Е. Варакина. Укрупненная функциональная схема (модель) цифровой системы связи с DSSS приве­дена на рис. 1.

Рисунок 1. Модель цифровой системы связи с ШПС

Генераторы ПСП на передающей и приемной сторонах идентичны. Именно они сначала применяются для расширения спектра передаваемых по каналу связи сигналов, а затем перед демодуляцией для его сжатия.

Для расширения спектра в такой схеме применяют фазовую манипуляцию (Binary Phase Shift Keying - BPSK), а получаемые при этом сигналы, называют BPSK/ DSSS.

Информационная ма­нипуляция также фазовая, хотя возможна и произвольная. В модуляторе сначала осуществ­ляется перемножение кодированных символов с ПСП (расширение спектра), а затем непо­средственно фазовая манипуляция.

Второй часто используемый метод широкополосной передачи основан на псевдослу­чайной перестройке рабочей частоты сигнала (ППРЧ). Укрупненная функциональная схема (модель) цифровой системы связи с ППРЧ приве­дена на рис. 2

Рисунок 2 - Модель цифровой системы связи с ППРЧ

Отличаются две схемы тем, что во второй расширение спектра осуществляется не за счет перемножения кодированной информации с ПСП, а за счет вырабатываемой синтеза­тором и перестраиваемой по псевдослучайному закону рабочей (несущей) частоты моду­лятора.

На приемной стороне производится обратное преобразование, что приводит к сжатию спектра перед демодуляцией.

При ППРЧ информационная манипуляция также может быть произвольной, хотя следует отметить, что в этом случае в моменты смены частот могут на­блюдаться случайные скачки начальной фазы несущей, поэтому может потребоваться неко­герентная демодуляция, а это заметно снижает эффективность кодирования.

В обоих случаях расширения спектра формируется радиосигнал, полоса частот которого значительно превышает спектр сигнала исходного сообщения.

При этом в отличие от радиотехнологий с узкополосной модуляцией, энергия сигнала не сосредоточена на небольшом интервале вокруг несущего колебания, а распределена во всей выделенной полосе. В результате введения такой частотной избыточности достигается целый ряд преимуществ:

• повышается помехоустойчивость;

• обеспечивается противостояние воздействию преднамеренных помех;

• обеспечивается возможность кодового разделения каналов для многостанционного доступа на его основе;

• повышается энергетическая скрытность благодаря низкому уровню спектральной плотности;

• обеспечивается высокая разрешающая способность при измерениях расстояния;

• обеспечивается защищенность сеанса связи;

• повышается пропускная способность и спектральная эффективность;

• обеспечивается постепенное снижение качества связи при увеличении числа пользователей, одновременно занимающих один и тот же ВЧ канал (в отличие, например, от ЧМ);

• дешевизна при реализации;

• наличие современной элементной базы.

Для современных средств связи такие аспекты как повышенная помехоустойчивость и противостояние воздействию преднамеренных помех и работа в среде с множественным доступом имеют ключевое значение.

2 Сопротивляемость помехам широкополосных систем связи

Сопротивляемость широкополосных систем связи помехам рассмотрим при воздействии белого шума и преднамеренных помех (рис. 3). Пусть G(f) - спектральная плотность мощности сигнала до расширения, а G_ss(f) - после расширения (рис.3 а). Как видно из рисунка, односторонняя спектральная плотность мощности белого шума N_о не изменяется при расширении полосы сигнала с W до W_ss. Следовательно, расширение спектра не улучшает качества связи при наличии белого гауссовского шума.

На рис. 3 б представлены преднамеренные помехи ограниченной мощности P_J со спектральной плотностью мощности J₀^’=P_J /W, где W - ширина спектра исходного нерасширенного сигнала, подвергающегося воздействию помех.

После расширения спектра преднамеренная помеха может воздействовать

• в виде рассеянной по всему диапазону сигнала спектральной плотности мощности помехи J₀= P_J /W_ss (при этом J₀ в W/W_ss раз меньше J₀'). Получаемую спектральную плотность шумов J₀ называют спектральной плотностью мощности широкополосной преднамеренной помехи.

Рисунок 3 – Сопротивляемость широкополосных систем связи при воздействии а)белого шума и б) преднамеренных помех

• в виде сосредоточенной в полосе W узкополосной помехи, меньшей широкополосного сигнала W_ss. При этом количество точек диапазона, в которых создаются помехи, уменьшается, хотя и увеличивается спектральная плотность помехи с J₀ до J₀/ρ (0<ρ≤1), где ρ — часть полосы расширенного спектра, в которой создаются помехи.

Как видно, в любой из этих ситуаций воздействие помех на широкополосную систему имеет частичное воздействие: либо уменьшается спектральная плотность мощности помехи, либо помеха действует на часть спектра широкополосного сигнала.

3 Учет влияния преднамеренных помех в системе DSSS

САРД работают в условиях сложной помеховой обстановки и особенно присутствия преднамеренных помех от аналогичного оборудования. Обычно уровень ошибок в канале связи рассматривается как функция помех при наличии теплового шума. При этом основное внимание уделяется различию между требуемым и фактическим отношением сигнал/шум E_b/N₀ (здесь E_b – энергия бита, N₀ – спектральная мощность плотности шума).

С учетом присутствия преднамеренных помех, вероятность ошибок в канале рассматривается как функция суммы помех теплового шума и широкополосного гауссова шума, созданного станцией преднамеренных помех. Поэтому отношение сигнал/шум необходимо рассматривать с учетом преднамеренных помех как

E_b/(N₀+J₀), (1)

где J₀ =P_J / W_ss — спектральная плотность мощности преднамеренных помех, P_J - средняя мощность преднамеренных помех, полученная приемником; W_ss — ширина полосы расширенного спектра.

В общем случае мощность станции преднамеренных помех значительно выше мощности теплового шума. Поэтому суммарную величину отношения сигнал/шум можно считать равной E_b/J₀, подразумевая при этом отношение энергии бита данных к спектральной плотности мощности преднамеренной помехи, которое обеспечивает поддержание заданного уровня вероятности ошибок в канале связи.

Энергию бита E_b можно выразить как

, (2)

где P_s— мощность принятого сигнала, Т_b — время передачи бита, R_b=1/Т_b - скорость передачи данных (бит/с). Тогда (2) можно записать следующим образом:

(3)

где G_p= W_ss/ R_b — коэффициент расширения спектра сигнала.

Отношение сигнал/шум может быть выражено и в таком виде:

(4)

Здесь отношение (P_J/P_s)_треб —критерий качества, который определяет степень невосприимчивости системы связи к помехам. На рис. 4 приведены зависимости степени невосприимчивости системы связи к помехам от отношения сигнал/преднамеренная помеха (E_b/J₀)_треб.

Рисунок 4 - Зависимость степени невосприимчивости системы связи к помехам (P_J/P_s)_треб от отношения сигнал/преднамеренная помеха (E_b/J₀)_треб.

Как видно из рис. 4, чем больше (P_J/P_s)_треб, тем система устойчивее к помехам, поскольку для искажения сеанса связи необходимо повышать мощность преднамеренной помехи. Отсюда можно выделить два пути повышения невосприимчивости САРД к преднамеренным помехам:

1. увеличение коэффициента расширения спектра G_p,

2. уменьшение отношения сигнал/преднамеренная помеха (E_b/J₀)_треб.

И наоборот, сигнал может быть подавлен, если ШПСС имеет большее значение отношение сигнал/преднамеренная помеха (E_b/J₀)_треб. Для этого постановщик помех должен стремиться к уменьшению J₀, т.е. вместо широкополосного шума в качестве помехи должен использовать узкополосные помехи -тоновые, импульсные и т.д.

Как видно из (4) и рис.4 при повышенных значениях требуемого отношения (E_b/J₀)_треб степень невосприимчивости ШСС к помехам (P_J/P_s)_треб уменьшается в фиксированной полосе частот. Для увеличения (P_J/P_s)_треб следует увеличивать коэффициент расширения спектра G_p сигнала ШПСС. Таким образом, при проектировании широкополосных систем связи необходимо выбирать такие сигналы передачи данных, чтобы единственной выигрышной стратегией для постановщикаи помех было создание широкополосного гауссовского шума.

4 Эффективность использования отведенной полосы частот DSSS

Оценим пропускную способность асинхронной системы связи с ШПС. Пусть в выде­ленной полосе частот F одновременно работает М станций, излучающих ШПС разной фор­мы, но примерно одинаковой мощности Р_i. Выравнивание мощностей сигналов в современ­ных системах подвижной связи на входе ретранслятора или базовой станции обеспечивают системы регулировки мощности.

Как уже говорилось, САРД работают в условиях сложной помеховой обстановки с учетом присутствия преднамеренных помех, поэтому вероятность ошибок в канале рассматривается как функция суммы помех теплового шума и широкополосного гауссова шума, созданного станцией преднамеренных помех.

Поскольку все ШПС передаются в общей полосе частот, на входе приемника только один сигнал является полезным, остальные (М- 1) сигналов оказываются взаимной помехой. Тогда мощность взаимной помехи

при Р_Ji≈P (5)

Спектральная плотность мощности взаимной помехи

(6)

Суммарная спектральная плотность мощности взаимных помех и АБГШ

(7)

Если все станции передают информацию с одинаковой скоростью R_b=1/T_b; Т_b — длительность информационого бита, а энергия, прихо­дящаяся на бит передаваемой информации E_b=P/R_b, то отношение сигнал/суммарная помеха в полосе ШПС W_ss равно

, ( 8)

где E_b/N_Σ - минимально допустимое значение отношения сигнал/помеха, при кото­ром обеспечивается требуемое качество приема информации.

Из (8) можно найти допусти­мое число одновременно действующих каналов, т.е. пропускную способность системы с ШПС

=

==

, (9)

где — целая часть числа A, E_b/N₀ — реальное значение отношения сигнал/шум в системе, G_p= W_ss/R_b — коэффициент расширения спектра сигнала.

Зависимость числа одновременно действующих каналов М ШПСС от значения отношения сигнал/шум E_b/N₀ приведено на рис. 5. Минимально допустимое значение отношения сигнал/помеха, при котором обеспечивается требуемое качество приема информации E_b/N_Σ= E_b/N₀=6 дБ.

Рисунок 5 – Число каналов связи отношения сигнал/шум E_b/N₀

Из (9) видно, что при асинхронной работе с ростом G_p, а следова­тельно, и занимаемой ШПС полосы, допустимое число одновременно действующих каналов ШПСС увеличивается.

Оценим, как соотносится пропускная способность асинхронных ШПСС с системами связи с час­тотным разделением каналов. Для упрощения будем полагать, что защитные интервалы, свойственные частот­ному разделению, отсутствуют, поэтому М_чр=F/R. Тогда G_p=М_чр и для (9) получим

. (10)

С ростом энергетического запаса E_b/N₀ относительная пропускная способность асин­хронных систем с ШПС растет, но даже при E_b/N₀→∞ как следует из (10), она остается в E_b/N_Σ раз меньше, чем в системах с частотным разделением.