5 Современные методы организации радиосвязи

Кроме современных комбинированных методов модуляции радиосигналов стоит рассмотреть и новые методы организации связи, такие как COFDM - ортогональное частотное разделение каналов с кодированием, FHSS - расширение спектра методом частотных скачков, DSSS - расширение спектра методом прямой последовательности. Здесь приведена только малая часть видов модуляции, и способов организации связи.

Все эти методы относятся к схеме, так называемой широкополосной модуляции, основная идея которой состоит в разбиении информации перед беспроводной передачей на управляемые фрагменты.

Одной из разновидностью широкополосной модуляции является способ разделения передаваемой информации по нескольким радиоканалам с разными частотами. Обычно таких частот около 70 и информация передается по всем или большинству из них, а затем на принимающем конце радиосистемы демодулируется или объединяется.

Способ модуляции с одновременным использованием нескольких несущих частот, имеющий название OFDM (способ с мультиплексированием ортогональных частот). Основная идея, положенная в основу этого способа, заключается в следующем. Передаваемый цифровой поток модулирующего сигнала «распараллеливается» и передается по нескольким каналам - путем модуляции нескольких несущих. Число этих несущих выбирается так, чтобы необходимым образом сократить скорость передачи информации на каждой отдельной несущей.

В результате достигается главное - на передачу одного символа на каждой отдельной несущей может быть отведено большее время. Настолько большее, чтобы сделать передачу каждого символа независимой от наличия отраженных сигналов, обусловленных так называемым «многолучевым» распространением радиоволн, что достаточно характерно для городских условий.

На рисунке 12 показан пример преобразования («распараллеливания») одного последовательного цифрового сигнала в пять отдельных сигналов путем демультиплексирования, что позволяет увеличить длительность передачи символа в каждом из пяти сигналов в пять раз. Далее, каждый из полученных таким образом сигналов с уменьшенной скоростью передачи символов модулирует соответствующую несущую, число которых равно числу модулирующих сигналов.

При этом допускается фазовая (PSK) или квадратурная амплитудная (QAM) модуляция каждой несущей. Сами несущие частоты при этом выбираются из следующих соображений:

- число несущих должно быть таким, чтобы при неизменной скорости потока данных на входе модулятора OFDM увеличить до требуемой величины время передачи одного символа на каждой несущей;

- несущие должны быть достаточно близки по частоте друг к другу, чтобы сократить занимаемую полосу частот канала связи;

- частоты несущих должны быть выбраны так, чтобы они не создавали взаимных помех.

Последнее условие выполняется, если частоты удовлетворяют требованию ортогональности. Физический смысл этого требования заключается в следующем: спектр каждой несущей после модуляции должен иметь «нули» на частотах, на которых расположены остальные несущие. Выполнение этого условия обеспечивает отсутствие взаимных помех и независимую передачу информации на каждой несущей.

T_GS = T_G+T_S

где T_GS - время, затрачиваемое на передачу одного символа; T_S - время передачи полезной информации.

Важным фактором при таком способе модуляции является так называемая «межсимвольная интерференция» (ISI), или, по существу, перекрестные искажения. Модуляция OFDM позволяет применить простой прием для борьбы с этим явлением: при увеличении количества несущих частот время на передачу одного символа также увеличивается. Этого увеличения оказывается достаточно для того, чтобы ввести между передаваемыми символами так называемый «защитный интервал». В пределах защитного интервала передается как бы возвращённая назад во времени копия последующей части символа. Правильный выбор длительности защитного интервала позволяет в определенных пределах устранить помехи, вызываемые эхо - сигналами.

На рис.14 показан пример назначения защитного интервала.

 

Рис. 13 Пример демультиплексирования сигнала в схеме OFDM




Рис. 14 Назначение защитного интервала

 

Примерная структурная схема модулятора OFDM показана на рисунке 15. Для формирования каждой из используемых несущих частот необходим свой задающий генератор. Так может осуществляться способ модуляции OFDM при небольшом количестве несущих, однако применительно к передаче цифрового ТВ сигнала количество несущих частот на выходе модулятора может составлять несколько тысяч, поэтому при построении модулятора было найдено оригинальное решение, позволившее избежать изготовления такой многоканальной системы передачи. Дело в том, что каждая несущая ответственна за соответствующую часть общего спектра сигнала на выходе модулятора. В радиотехнике известен прием синтеза сложного сигнала из отдельных гармонических составляющих. Таким приемом является обратное преобразование Фурье. Существуют хорошо отработанные алгоритмы, позволяющие использовать такие преобразования в минимальное время и с минимальными вычислительными затратами.

 

Рис. 15 Структурная схема модулятора OFDM

 

На рис. 16 показан пример формирования сигнала OFDM с помощью обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ), которому подвергается входной цифровой поток. После ОБПФ обе части вычисленного преобразования, вещественная и мнимая, переводятся в аналоговую форму, проходя ЦАП и ФНЧ для удаления высокочастотных продуктов, затем поступают в преобразователь частоты, где умножаются соответственно на основной и квадратурный сигналы - гармоническое колебание частоты f₀. Это позволяет после сумматора получить спектр сигнала OFDM, смещенный на частоту f₀. Такая операция соответствует преобразованию частоты, необходимому при формировании радиосигнала для выбранного канала вещания.

 

Рис.16. Формирования сигнала OFDM с помощью обратного быстрого преобразования Фурье

 

Один из вариантов способа модуляции OFDM, известный под названием COFDM, предполагает «перемешивание» передаваемых символов во времени таким образом, что следующие друг за другом символы полезной информации на передающей стороне модулируют те несущие, номера которых предписываются специальной заранее определенной последовательностью.

В основе реализации второго базового принципа COFDM лежат сверточное кодирование, декодирование по принципу максимального правдоподобия (алгоритм Витерби) с мягкими решениями, а также перемежение по частоте и по времени. Система модуляции с перемежением предполагает перераспределение элементов потока данных по времени и частоте, в результате чего последовательные отсчеты передаваемого сигнала подвергаются независимым замираниям. Эффективность алгоритма Витерби максимальна в канале с независимыми ошибками и именно перемежение обеспечивает декор-реляцию ошибок. Заметим, что при стационарном приеме разнос в частотной области является единственным средством обеспечения успешного приема, поскольку временной разнос в этом случае не помогает.

Эта последовательность точно выдерживается на передающей стороне и, в обратном порядке - в приемном устройстве. Такая мера позволяет сделать данный способ передачи информации практически нечувствительным к различного рода замираниям, а также помехам, исключающим на короткое время возможность использования какого-либо участка диапазона частот.

Для минимизации возможности перехвата или подавления узко-полосным шумом радиообмена был предложен метод ведения передачи с постоянной сменой несущей в пределах широкого диапазона частот или расширения спектра скачкообразной перестройкой частоты - FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum).

В результате мощность сигнала распределяется по всему диапазону, и прослушивание какой-то определенной частоты даёт только небольшой шум. Последовательность несущих частот является псевдослучайной, известной только передатчику и приемнику. Попытка подавления сигнала в каком-то узком диапазоне также не слишком ухудшает сигнал, так как подавляется только небольшая часть информации. Реализация метода с последовательностью перестройки частот (F7—>F3—>F4—>F1—>F10—>F6—>F2—>F8—>F5—>F9—>F7) показана на рисунке 17. В течение фиксированного интервала времени передача ведется на неизменной несущей частоте. На каждой несущей частоте для передачи дискретной информации применяются стандартные методы модуляции, такие как FSK или PSK. Для того чтобы приемник синхронизировался с передатчиком, для обозначения начала каждого периода передачи в течение некоторого времени передаются синхробиты. Так что полезная скорость этого метода кодирования оказывается меньше из-за постоянных накладных расходов на синхронизацию.

Несущая частота меняется в соответствии с номерами частотных подканалов, вырабатываемых алгоритмом псевдослучайных чисел. Псевдослучайная последовательность зависит от некоторого параметра, который называют начальным числом. Если приемнику и передатчику известны алгоритм и значение начального числа, то они меняют частоты в одинаковой последовательности, называемой последовательностью псевдослучайной перестройки частоты.
Не менее эффективным в плане устойчивости к помехам является метод прямой последовательности для расширения спектра - DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) - широкополосная модуляция с прямым расширением спектра. Это метод формирования широкополосного радиосигнала, при котором исходный двоичный сигнал преобразуется в псевдослучайную последовательность, используемую для модуляции несущей.

В отличие от метода FHSS, весь частотный диапазон занимается не за счет постоянных переключений с частоты на частоту, а за счет того, что каждый бит информации заменяется N-битами, так что тактовая скорость передачи сигналов увеличивается в N раз. А это, в свою очередь, означает, что спектр сигнала также расширяется в N раз. Достаточно соответствующим образом выбрать скорость передачи данных и значение N, чтобы спектр сигнала заполнил весь диапазон.

Цель кодирования методом DSSS та же, что и методом FHSS - повышение устойчивости к помехам. Узкополосная помеха будет искажать только определенные частоты спектра сигнала, так что приемник с большой степенью вероятности сможет правильно распознать передаваемую информацию.

 

Рис. 17. Последовательность перестройки частот в схеме FHSS

 

Код, которым заменяется двоичная единица исходной информации, называется расширяющей последовательностью, а каждый бит такой последовательности - чипом. Соответственно, скорость передачи результирующего кода называют чиповой скоростью. Двоичный нуль кодируется инверсным значением расширяющей последовательности. Приемники должны знать расширяющую последовательность, которую использует передатчик, чтобы понять передаваемую информацию.

Количество битов в расширяющей последовательности определяет коэффициент расширения исходного кода. Как и в случае FHSS, для кодирования битов результирующего кода может использоваться любой вид модуляции, например BFSK.

Чем больше коэффициент расширения, тем шире спектр результирующего сигнала и выше степень подавления помех. Но при этом растет занимаемый каналом диапазон спектра. Обычно коэффициент расширения имеет значение от 10 до 100.

Беспроводные локальные сети DSSS используют каналы шириной 22 МГц, благодаря чему многие WLAN могут работать в одной и той же зоне покрытия. В Северной Америке и большей части Европы, в том числе и в России, каналы шириной 22 МГц позволяют создать в диапазоне 2,4 - 2,473 ГГц три не перекрывающихся канала передачи. Новые методы организации связи (в первую очередь DSSS и FHSS) при их использовании обеспечат РСПИ следующие преимущества:

- высокую помехозащищенность от узконаправленных помех естественного или искусственного происхождения: поражается только малая часть спектра передаваемого сигнала;

- скрытность передачи информации: трудно обнаружить сам факт передачи информации;

- автоматическую защиту передаваемой информации: в DSSS для декодирования необходимо знать последовательность, используемую для прямого расширения спектра, в FHSS - закон изменения частоты;

- возможность работать на вторичном частотном ресурсе.

К недостаткам DSSS и FHSS следует отнести:

- необходимость иметь для работы широкую полосу частот (обычно от 500 кГц до нескольких МГц);

- сложность реализации;

- необходимость обеспечивать для DSSS жесткую временную синхронизацию при работе всех приемопередатчиков в системе.

К достоинствам метода OFDM следует отнести устойчивость к замиранию полезного сигнала, что достаточно характерно для городских условий, повышенную помехозащищённость канала связи, спектральную эффективность метода организации связи.

Далее >>>