Модуляция dsss: Территория Хобби

Перспективные способы модуляции в широкополосных системах передачи данных

Сегодня специалистов в области коммуникаций уже не удивишь загадочным словосочетанием Spread Spectrum. Широкополосные (а именно они и скрываются за этими словами) системы передачи данных отличаются друг от друга способом и скоростью передачи данных, типом модуляции, дальностью передачи, сервисными возможностями и др. В предлагаемой статье предпринята попытка классифицировать широкополосные системы на основе используемой в них модуляции.

Основные положения

Широкополосные системы передачи данных (ШСПД) подчиняются в части протоколов единому стандарту IEEE 802.11, а в радиочастотной части — единым правилам FCC (Федеральной комиссии США по связи). Однако при этом они отличаются друг от друга способом и скоростью передачи данных, типом модуляции, дальностью передачи, сервисными возможностями и так далее.

Все эти характеристики играют важное значение при выборе ШСПД (потенциальным покупателем), и элементной базы (разработчиком, производителем систем связи). В настоящем обзоре предпринята попытка классифицировать ШСПД на основе наименее освещенной в технической литературе характеристики, а именно их модуляции.

Используя различные типы дополнительных модуляций, применяемых совместно с фазовой (BPSK) и квадратурной фазовой модуляцией (QPSK) для увеличения информационной скорости при передаче широкополосных сигналов в диапазоне 2,4 ГГц, можно достичь скорости передачи информации до 11 Мбит/с, принимая во внимание ограничения, накладываемые FCC на работу в этом диапазоне. Поскольку предполагается, что широкополосные сигналы будут передаваться без получения лицензии на частотный диапазон, то характеристики сигналов ограничиваются для уменьшения взаимной интерференции.

Данными типами модуляции являются различные формы М-ичной ортогональной модуляции (MOK), фазоимпульсная модуляция (PPM), квадратурная амплитудная модуляция (QAM). К широкополосным можно отнести также сигналы, получаемые при одновременной работе по нескольким параллельным каналам, разделяемым по частоте (FDMA) и/или по времени (TDMA).Модуляция dsss: Территория Хобби В зависимости от конкретных условий выбирается тот или иной тип модуляции.

Выбор типа модуляции

Основная задача любой системы связи — передача информации от источника сообщения к потребителю наиболее экономичным образом. Поэтому выбирают такой тип модуляции, который сводит к минимуму действие помех и искажений, достигая тем самым максимальной информационной скорости и минимального коэффициента ошибок. Рассматриваемые типы модуляции отбирались по нескольким критериям: устойчивость к многолучевому распространению; интерференция; количество доступных каналов; требования к линейности усилителей мощности; достижимая дальность передачи и сложность реализации.

DSSS-модуляция

Большинство из представленных в обзоре типов модуляции основаны на широкополосных сигналах, получаемых методом прямой последовательности (DSSS), — классических широкополосных сигналах. В системах с DSSS расширение спектра сигнала в несколько раз позволяет во столько же раз уменьшить спектральную плотность мощности сигнала. Расширение спектра обычно осуществляется путем умножения сравнительно узкополосного сигнала данных на широкополосный расширяющий сигнал. Расширяющий сигнал или расширяющий код часто называется шумоподобным кодом, или PN(pseudonoise)-кодом. Принцип описанного расширения спектра показан на рис. 1.

Bit period — период следования информационного бита
Сhip period — период следования чипа
Data signal — данные
PN-code — шумоподобный код
Coded signal — широкополосный сигнал
DSSS/MOK-модуляция

Широкополосные сигналы, получаемые методом прямой последовательности, с М-ичной ортогональной модуляцией (или кратко MOK-модуляция) известны уже давно, но на аналоговых компонентах их довольно трудно реализовать. Применяя цифровые микросхемы, сегодня можно использовать уникальные свойства этой модуляции.

Разновидностью MOK является М-ичная двуортогональная модуляция (MBOK). Увеличение информационной скорости достигается за счет применения одновременно нескольких ортогональных PN-кодов при сохранении той же частоты следования чипов и формы спектра.Модуляция dsss: Территория Хобби MBOK-модуляция эффективно использует энергию спектра, то есть имеет достаточно высокое отношение скорости передачи к энергии сигнала. Она устойчива к интерференции и многолучевому распространению.

Из приведенной на рис. 2 схемы MBOK-модуляции совместно с QPSK видно, что PN-код выбирается из M-ортогональных векторов в соответствии с управляющим байтом данных. Так как I- и Q-каналы являются ортогональными, то они одновременно могут подвергаться MBOK. При двуортогональной модуляции используются и инвертированные векторы, что позволяет увеличить информационную скорость. Наибольшее распространение получило множество истинно ортогональных векторов Уолша с размерностью вектора кратной 2. Таким образом, применяя в качестве PN-кодов систему векторов Уолша с размерностью вектора 8 и QPSK, при скорости следования 11 мегачипов в секунду в полном соответствии со стандартом IEEE 802.11, можно в каждом канальном символе передавать 8 бит, получив скорость в канале 1,375 мегасимволов в секунду и информационную скорость 11 Мбит/с.

Модуляция позволяет достаточно просто организовать совместную работу с широкополосными системами, работающими со стандартной скоростью следования чипов и использующими только QPSK. В этом случае передача заголовка кадра происходит со скоростью в 8 раз меньшей (в каждом конкретном случае), что позволяет менее скоростной системе корректно воспринять этот заголовок. Затем происходит увеличение скорости передачи данных.
1. Входные данные
2. Скремблер
3. Мультиплексор 1:8
4. Выбор одной из 8 функций Уолша
5. Выбор одной из 8 функций Уолша
6. Выход I-канала
7. Выход Q-канала

Теоретически MBOK имеет несколько меньший коэффициент ошибок (BER) по сравнению с BPSK при том же самом отношении Eb/N0 (из-за свойств кодирования), что делает эту модуляцию наиболее эффективной по использованию энергии сигнала. В BPSK каждый бит обрабатывается независимо от другого, в MBOK распознается символ. Если он распознан неправильно, то это не значит, что все биты этого символа приняты ошибочно.Модуляция dsss: Территория Хобби Таким образом, вероятность принятия ошибочного символа не равна вероятности принятия ошибочного бита.

Спектр MBOK модулированных сигналов соответствует установленному в стандарте IEEE 802.11. В настоящее время фирма Aironet Wireless Communications, Inc. предлагает беспроводные мосты для сетей Ethernet и Token Ring, использующие технологию DSSS/MBOK и передающие информацию в эфир со скоростью до 4 Мбит/с.

Устойчивость к многолучевому распространению зависит от соотношения Eb/N0 и фазовых искажений сигнала. Численное моделирование передачи широкополосных сигналов с MBOK модуляцией, проведенное инженерами Harris Semiconductor внутри зданий подтвердило, что такие сигналы достаточно устойчивы к этим мешающим факторам1. См.: Andren C. 11 MBps Modulation Techniques // Информационный бюллетень Harris Semiconductor. 05/05/98.

На рис. 3 представлены графики зависимости вероятности принятия ошибочного кадра данных (PER) от расстояния при излучаемой мощности сигнала 15 дБ/МВт (для 5,5 Мбит/с — 20 дБ/МВт), полученные в результате численного моделирования, для различных информационных скоростей передачи данных.

Моделирование показывает, что с увеличением Es/N0, необходимого для надежного распознавания символа, существенно увеличивается PER в условиях сильного переотражения сигнала. Для устранения этого можно применять согласованный прием несколькими антеннами. На рис. 4 представлены результаты для данного случая. При оптимальном согласованном приеме PER будет равен квадрату PER несогласованного приема. При рассмотрении рис. 3 и 4 необходимо помнить, что при PER=15% фактическая потеря в информационной скорости составит 30% вследствие необходимости повторной передачи сбойных пакетов.

Необходимым условием применения QPSK совместно с MBOK является когерентная обработка сигнала. На практике это достигается приемом преамбулы и заголовка кадра с использованием BPSK для настройки фазовой петли обратной связи. Однако все это, как и использование последовательных корреляторов для когерентной обработки сигнала, увеличивает сложность демодулятора.Модуляция dsss: Территория Хобби

CCSK-модуляция

Широкополосные сигналы, получаемые методом прямой последовательности с М-ичной ортогональной модуляцией и модуляцией циклическими кодами, (CCSK) проще демодулировать по сравнению с MBOK, поскольку используется только один PN-код. Этот тип модуляции возникает вследствие временного сдвига корреляционного пика внутри символа. Применяя код Баркера длиной 11 и скоростью 1 мегасимвол в секунду, можно сдвигать пик в одну из восьми позиций. Оставшиеся 3 позиции не позволяют их использовать для увеличения информационной скорости. Таким способом можно передавать три информационных бита на символ. Добавляя BPSK, можно передать еще один информационный бит на символ, то есть всего 4. В итоге с помощью QPSK получим 8 информационных бит на канальный символ.

CCSK модуляция является менее эффективной, чем MOK, поскольку символы не являются истинно ортогональными (они трансортогональны). Однако циклически сдвигаемые слова Баркера обеспечивают хорошую производительность, близкую к MOK при одинаковых отношениях Eb/N0. CCSK модуляция очень похожа на PPM. Различие состоит только в том, что в CCSK сдвиг корреляционного пика происходит за счет передачи кода Баркера с разных позиций, то есть происходит циклический сдвиг бит в кодовом слове. При PPM эффект сдвига корреляционного пика достигается задержкой передачи следующего символа или началом его передачи, когда еще не закончена передача предыдущего, что приводит к паразитной амплитудной модуляции (AM) около 6 дБ. Следовательно, CCSK обеспечивает более низкую паразитную AM и снижает стоимость усилителя мощности.

Основной проблемой для PPM и CCSK является чувствительность к многолучевому распространению, когда задержка между переотражениями сигнала превышает длительность PN-кода. Поэтому внутри помещений с такими переотражениями эти типы модуляций трудно использовать. CCSK довольно просто демодулировать и при этом нужно лишь слегка усложнить традиционную схему модулятора/демодулятора. Схема CCSK аналогична схеме MBOK модуляции совместно с QPSK (см.Модуляция dsss: Территория Хобби рис. 2), только вместо блока выбора одной из 8 функций Уолша имеется блок сдвига слова.

DSSS/PPM-модуляция

Широкополосные сигналы, получаемые методом прямой последовательности с фазоимпульсной модуляцией (DSSS/ PPM), — это тип сигналов, являющийся дальнейшим развитием сигналов с расширением спектра методом прямой последовательности.

Идея фазоимпульсной модуляции для обычных широкополосных сигналов заключается в том, что прибавка в информационной скорости получается за счет изменения интервала времени между корреляционными пиками последовательных символов. Модуляция была изобретена Rajeev Krishnamoorthy и Israel Bar-David в лаборатории Белла в Нидерландах.

Текущие реализации модуляции позволяют определить восемь временных положений корреляционных импульсов в интервале следования символа (внутри интервала следования PN-последовательности). Если такая технология применяется независимо на I- и Q-каналах в DQPSK, то получается 64 (8х8) различных информационных состояний. Объединяя фазоимпульсную модуляцию с DQPSK-модуляцией, обеспечивающей два различных состояния в I-канале и два различных состояния в Q-канале, получают 256 (64х2х2) состояний, что эквивалентно 8 информационным битам на символ.

Таким образом, применение фазоимпульсной модуляции в описанной схеме позволяет увеличить информационную скорость передачи в 4 раза по сравнению с традиционным широкополосным сигналом с QPSK. Недавно компания Lucent Technologies продемонстрировала модуляцию этого типа, в которой 11-чиповые кодовые последовательности перекрывались на 3 чипа, что позволило увеличить информационную скорость передачи до 10 Мбит/с за счет усиления паразитной AM2. 2 См.: Ханас А. Новые продукты CompTek на «КОМТЕК-98» // Computer Weekly.1998. № 16.

DSSS/QAM-модуляция

Широкополосные сигналы, получаемые методом прямой последовательности, с квадратурной амплитудной модуляцией (DSSS/QAM) можно представлять как классические широкополосные сигналы с DQPSK-модуляцией, в которых информация передается еще и через изменение амплитуды.Модуляция dsss: Территория Хобби Применяя двухуровневую амплитудную модуляцию и DQPSK, получают 4 различных состояния в I-канале и 4 различных состояния в Q-канале. Модулированный сигнал можно подвергнуть еще и фазоимпульсной модуляции, что позволит увеличить информационную скорость.

Одним из ограничений применения DSSS/QAM является то, что сигналы с такой модуляцией довольно чувствительны к многолучевому распространению. Также вследствие применения одновременно и фазовой и амплитудной модуляции увеличивается соотношение Eb/N0 для получения того же значения BER, что и для MBOK.

Чтобы уменьшить чувствительность к искажениям, можно использовать эквалайзер. Но его применение нежелательно по двум причинам.

Во-первых, при этом необходимо увеличивать последовательность символов, настраивающую эквалайзер, что в свою очередь увеличивает длину преамбулы. Во-вторых, с добавлением эквалайзера возрастет стоимость системы в целом.

Дополнительная квадратурная модуляция может использоваться и в системах с Frequency Hopping. Так, фирма WaveAccess выпустила модем с торговой маркой Jaguar, который использует технологию Frequency Hopping, модуляцию QPSK совместно с 16QAM. В отличие от общепринятой в этом случае частотной FSK-модуляции это позволяет обеспечить реальную скорость передачи данных 2,2 Мбит/с. Инженеры фирмы WaveAccess считают, что применение технологии DSSS с более высокими скоростями (до 10 Мбит/с) нецелесообразно из-за незначительной дальности передачи (не более 100 м).

OCDM-модуляция

В широкополосных сигналах, получаемых мультиплексированием нескольких широкополосных сигналов с ортогональным кодовым уплотнением (Orthogonal Code Division Multiplex — OCDM), используется одновременно несколько широкополосных каналов на одной частоте.

Каналы разделяются за счет применения ортогональных PN-кодов. Фирма Sharp анонсировала 10-мегабитный модем, построенный по этой технологии. Фактически одновременно передаются 16 каналов с 16-чиповыми ортогональными кодами. В каждом канале применяется BPSK, затем каналы суммируются аналоговым методом.Модуляция dsss: Территория Хобби

Вследствие суммирования независимых каналов возникает довольно сильная паразитная AM, что требует использования линейного усилителя мощности и вызывает большее потребление энергии. OCDM имеет хороший показатель BER при заданном Eb/N0. Сложность демодулятора примерно такая же, как и для MOK. На рис. 5 представлена схема OCDM-модулятора.

Data Mux — мультиплексор входных данных

BPSK — блок фазовой модуляции

Spread — блок расширения спектра методом прямой последовательности

Sum — выходной сумматор

OFDM-модуляция

Широкополосные сигналы, получаемые мультиплексированием нескольких широкополосных сигналов с ортогональным частотным уплотнением (Оrthogonal Frequency Division Multiplex — OFDM), представляют собой одновременную передачу на разных несущих частотах сигналов с фазовой модуляцией. Модуляция описана в стандарте MIL-STD 188C. Одним из ее преимуществ является высокая устойчивость к провалам в спектре, возникающим вследствие многолучевого затухания. Узкополосное затухание может исключить одну или более несущих. Надежное соединение обеспечивается распределением энергии символа на несколько частот.

Модуляция обеспечивает наименьшую интерференцию и спектр, весьма похожий на спектр «белого шума». Длинные символы в OFDM устойчивы к многолучевому распространению. Сумма 16 независимых каналов может иметь большую паразитную AM, что усложняет передатчик и исключает ограничение в приемнике. Обработка OFDM обычно происходит с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ) и инверсного БПФ, что приводит к усложнению схем декодирования по сравнению с более простым типом модуляции. Применяется OFDM в современных системах наземного цифрового ТВ-вещания (DTTV) в диапазонах ОВЧ/УВЧ, а также в устройствах беспроводного доступа к сетям АТМ (например, HyperLAN фирмы Lucent Technologies). Фирма Nova заявила о разработке по технологии OFDM модема «Information Superhighway». Модем имеет эффективность использования спектра 4 байт/с на герц в полосе 5 МГц, что достигается за счет использования свыше 500 независимо модулируемых несущих, каждая из которых подвергается 32-позиционной квадратурной амплитудной модуляции.Модуляция dsss: Территория Хобби

Это превышает спектральную эффективность аналогичной QPSK-системы в 2,5 раза. Существуют готовые микросхемы, реализующие OFDM-модуляцию. В частности, фирма Motorola выпускает OFDM-демодулятор МС92308 и «front-end» чип для OFDM МС92309. Схема типичного модулятора OFDM приведена на рис. 6.

Data mux — мультиплексор входных данных

Channel — частотный канал

BPSK — блок фазовой модуляции

Sum — сумматор частотных каналов

Заключение

В сравнительной таблице приведены оценки каждого типа модуляции по различным критериям и итоговая оценка. Меньшая оценка соответствует лучшему показателю. Квадратурная амплитудная модуляция берется лишь для сравнения.

При рассмотрении были отброшены различные типы модуляций, имеющие неприемлемые значения оценок различных показателей. Например, широкополосные сигналы с 16-позиционной фазовой модуляцией (PSK) — вследствие плохой устойчивости к интерференции, очень широкополосные сигналы — вследствие ограничений на протяженность частотного диапазона и необходимости иметь, как минимум, три канала для совместной работы расположенных рядом радиосетей.

Среди рассмотренных типов широкополосной модуляции наиболее интересной является М-ичная двуортогональная модуляция — MBOK.

В заключение хотелось бы отметить модуляцию, которая не вошла в серию экспериментов, проведенных инженерами Harris Semiconductor. Речь идет о фильтрованной QPSK-модуляции (Filtered Quadrature Phase Shift Keying — FQPSK). Данная модуляция была разработана профессором Kamilo Feher из Калифорнийского университета и запатентована совместно с фирмой Didcom, Inc.

Для получения FQPSK применяют нелинейную фильтрацию спектра сигнала в передатчике с последующим восстановлением его в приемнике. В результате спектр FQPSK занимает примерно в два раза меньшую площадь по сравнению со спектром QPSK при прочих равных параметрах. Кроме того, PER (коэффициент ошибок при передаче пакетов) FQPSK лучше аналогичного параметра у GMSK на 10-2-10-4.Модуляция dsss: Территория Хобби GSMK — это гауссовская частотная модуляция, используемая, в частности, в стандарте цифровой сотовой связи GSM. Новую модуляцию в достаточной мере оценили и применяют в своих изделиях такие компании, как EIP Microwave, Lockheed Martin, L-3 Communications, а также NASA.

Нельзя однозначно сказать, какая именно модуляция будет использоваться в ШСПД XXI века. С каждым годом в мире растет количество информации, следовательно, все больше информации будет передаваться по каналам связи. Поскольку частотный спектр представляет собой уникальный природный ресурс, то требования к спектру, используемому системой передачи, будут непрерывно расти. Поэтому выбор наиболее эффективного способа модуляции при разработке ШСПД продолжает оставаться одним из важнейших вопросов.

К. В. Боровков, аспирант Уральского государственного технического университета (УПИ)
И. Малыгин, директор Института радиотехники
обсуждение статьи

Сетевые решения. Статья была опубликована в номере 12 за 2000 год в рубрике технологии

Сети WiFi. Стандарты и технологии.

Наиболее быстро развивающимся сегментом телекоммуникаций сегодня является Беспроводная Локальная Сеть (WiFi). В последние годы виден все больший рост спроса на мобильные устройства, построенные на основе беспроводных технологий.

Стоит отметить, что WiFi продукты передают и получают информацию с помощью радиоволн. Несколько одновременных вещаний могут происходить без обоюдного вмешательства благодаря тому, что радиоволны передаются по разным радиочастотам, известным также как каналы. Для осуществления передачи информации WiFi устройства должны «наложить» данные на радиоволну, также известную как несущая волна. Этот процесс называется модуляцией. Существуют различные типы модуляции, которые мы рассмотрим далее. Каждый тип модуляции имеет свои преимущества и недостатки с точки зрения эффективности и требований к питанию. Вместе, рабочий диапазон и тип модуляции, определяют физический уровень данных (PHY) для стандартов передачи данных.Модуляция dsss: Территория Хобби Продукты совместимы по PHY в том случае, когда они используют один диапазон и один тип модуляции.

Первый стандарт беспроводных сетей 802.11 был одобрен Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) в 1997 году и поддерживал скорость передачи данных до 2-х Мбит\с. Используемые технологические схемы модуляции стандарта: псевдослучайная перестройка рабочей частоты (FHSS — Frequency Hopping Spread Spectrum) и широкополосная модуляция с прямым расширением спектра (DSSS — Direct Sequence Spread Spectrum).

Далее, в 1999 году, IEEE одобрила еще два стандарта беспроводных сетей WiFi: 802.11a и 802.11b. Стандарт 802.11a работает в частотном диапазоне 5ГГц со скоростью передачи данных до 54Мбит\с. Данный стандарт построен на основе технологии цифровой модуляции ортогонального мультплексирования с разделением частот (OFDM — Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Стандарт 802.11b использует диапазон частот 2.4 ГГц и достигает скоростей передачи данных до 11Мбит\с. В отличие от стандарта 802.11a, схема стандарта 802.11b построена по принципу DSSS.

Поскольку реализовать схему DSSS легче, нежели чем OFDM, то и продукты, использующие стандарт 802.11b, начали появляться на рынке раньше (с 1999 года). С тех пор продукты, работающие по беспроводному протоколу радиодоступа и использующие стандарт 802.11b, широко использовались в корпорациях, офисах, дома, в загородных коттеджах, в общественных местах (хот-споты) и т.д. На всех продуктах, прошедших сертификацию альянса совместимости беспроводного оборудования Ethernet (WECA — Wireless Ethernet Compatibility Alliance), имеется соответствующая отметка с официально зарегистрированным логотипом WiFi. Альянс WECA (или Wi-Fi Alliance) включает в себя всех основных производителей беспроводных устройств на основе технологии WiFi. Альянс занимается тем, что сертифицирует, маркирует, а также тестирует на совместимость оборудование, применяющее технологии WiFi.

В начале 2001 года Федеральная Комиссия по Коммуникациям Соединенных Штатов (FCC — Federal Communications Commission) ратифицировала новые правила, благодаря которым разрешается дополнительная модуляция в диапазоне 2.Модуляция dsss: Территория Хобби 4 ГГц. Это позволило IEEE расширить стандарт 802.11b, что привело к поддержке более высоких скоростей для передачи данных. Таким образом, появился стандарт 802.11g, который работает со скоростью передачи данных до 54Мбит\с и разрабатывался с использованием технологии ODFM.

Частоты Wi-Fi

Обеспечить беспроводную связь с Интернет теперь доступно всем. Достаточно подключить у себя в доме, на даче или в офисе систему wifi и можно принимать сигнал не заботясь о бесконечных проводах, телефонных подключениях, модемах и картах связи. Роутер wifi является маршрутизатором, принимающим решение по пересылке пакетных данных для различных модульных сегментов сети. Проще говоря, если у вас в доме находятся один или несколько ноутбуков и все они нуждаются в подключении к сети Интернет, то эту проблему решает маршрутизатор беспроводной связи. Система wifi самостоятельно находит ваши ноутбуки и устанавливает соединение с Интернет. Стандартная схема беспроводного маршрутизатора предусматривает не менее одного соединения. Раздача интернета происходит на различных частотах. Для Российской Федерации предусмотрены и выделены частоты в диапазоне от 5150—5350 МГц до 5650—6425 МГц. Данные частоты являются основными, для работы в указанных диапазонах не требуется специального разрешения. Фиксированный беспроводной доступ 5150—5350 МГц и 5650—6425 МГц обеспечивает высокую скорость передаваемых данных в сети Интернет. Для поиска свободного канала связи необходимо скоординировать подключение сети с администрациями других сетей. Каждая сеть должна использовать канал-частоту, отделенную от другого канала полосой 25 МГц.








Стандарт

802.11

802.11a

802.11b

802.11g

Дата сертификации стандарта

1997

1999

1999

2003

Доступная полоса пропускания

83.Модуляция dsss: Территория Хобби 5 МГц

300 МГц

83.5 МГц

83.5 МГц

Частота операций

2.4 – 2.4835 ГГц

5.15 – 5.35 ГГц

2.4 – 2.4835 ГГц

2.4 – 2.4835 ГГц

Типы модуляции

DSSS, FHSS

OFDM

DSSS

DSSS, OFDM

Скорость передачи данных по каналу

2, 1 Мбит\с

54, 48, 36, 24, 18, 12, 9 , 6 Мбит\с

11, 5.5, 2, 1 Мбит\с

54, 36, 33, 24, 22, 12, 11, 9, 6, 5.5, 2, 1 Мбит\с

Совместимость

802.11

Wi-fi5

Wi-Fi

Wi-Fi со скоростью 11 Мбит\с и ниже

Стандарт 802.11a – Высокая производительность и быстродействие.

Благодаря использованию частоты 5 ГГц и модуляции OFDM у этого стандарта есть два ключевых преимущества перед стандартом 802.11b. Во-первых, это значительно увеличенная скорость передачи данных по каналам связи. Во-вторых, увеличилось число не накладывающихся каналов. Диапазон 5 ГГц (также известный как UNII) фактически состоит из трех субдиапозонов: UNII1 (5.15 – 5.25 ГГц), UNII2 (5.25 – 5.35 ГГц) и UNII3 (5.725 – 5.825 ГГц). При использовании одновременно двух субдиапозонов UNII1 и UNII2 получаем до восьми непересекающихся каналов против всего лишь трех в диапазоне 2.4 ГГц. Также у этого стандарта гораздо больше доступная полоса пропускания. Таким образом, с использованием стандарта 802.Модуляция dsss: Территория Хобби 11а можно поддерживать большее число одновременных, более продуктивных, неконфликтных беспроводных соединений.

Стоит отметить, что т.к. стандарты 802.11а и 802.11b работают в различных диапазонах, то и продукты, разработанные под эти стандарты не совместимы. Например, точка доступа WiFi, работающая в диапазоне 2.4 ГГц, стандарта 802.11b, не будет работать с беспроводной сетевой картой, рабочий диапазон которой 5 ГГц. Однако, оба стандарта могут и сосуществовать. К примеру, пользователи, подключенные к точкам доступа, применяющим разные стандарты, также могут использовать любые внутренние ресурсы этой сети, но при условии, что эти точки доступа подключены к одной опорной сети.

Еще важно знать, что в Европе и России диапазон 5 ГГц применяется исключительно в военных целях, соответственно в любых иных целях он запрещен к использованию.

802.11g – Высокая скорость в диапазоне 2.4 ГГц.

Стандарт 802.11g несет с собой более высокие скорости передачи данных, при этом поддерживая совместимость с продуктами стандарта 802.11b. Стандарт работает с применением модуляции DSSS на скоростях до 11Мбит\с, но при этом дополнительно используется модуляция OFDM на скоростях выше 11Мбит\с. Таким образом, оборудование стандартов 802.11b и 802.11g совместимо на скоростях, не превышающих 11Мбит\с. Если в диапазоне 2.4 ГГц необходима скорость выше, нежели 11Мбит\с, то нужно использовать оборудование стандарта 802.11g.

Можно сказать, что стандарт 802.11g соединил в себе все лучшее от стандартов 802.11b и 802.11a.

Стандарт 802.11n

Стандарт еще не утвержден организацией IEEE, хотя устройства, применяющие этот стандарт уже доступны на рынке. Ожидается что тест, сертифицирующий этот стандарт, будет проводиться ближе к концу 2009 года.

Стандарт 802.11n использует совершенно новые технологии, повышающие скорость передачи данных и увеличивающие радиус покрытия. Так, например, заявленная скорость передачи данных для этого стандарта – около 300 Мбит\с.Модуляция dsss: Территория Хобби

Модуляция, используемая стандартом, именуется MIMO (Multiple Input Multiple Output). Данная модуляция построена на основе применения множества антенн, соответственно, создается множество информационных потоков, что в разы увеличивает скорость передачи данных. Также в этом стандарте будет применена новая технология пакетной агрегации. Эта технология подразумевает, что с каждым отправленным пакетом будет передаваться больше информации. Данный стандарт работает как в диапазоне 2.4 ГГц, так и в диапазоне 5 ГГц. Этот стандарт совместим со всеми предыдущими стандартами.

СТАНДАРТ WIFI 802.11AC

Статья с описание нового стандарта WIFI 802.11AC.

Сфера применения

В большинстве случаев беспроводные сети (используя точки доступа и маршрутизаторы) строятся в коммерческих целях для привлечения прибыли со стороны клиентов и арендаторов. Сотрудники компании «Гет Вайфай» имеют опыт подготовки и реализации следующих проектов по внедрению сетевой инфраструктуры на основе беспроводных решений:

WIFI ДЛЯ ВАС, ЗАРАБАТЫВАЕТ И УВЕЛИЧИВАЕТ ПРОДАЖИ.

Теперь WIFI не только средство связи, но и Ваш верный помошник.

Реклама через WIFI

Реклама через WIFI. Вам предоставляется способ увеличить продуктивность, снизить затраты, но и извлекать прибыль и выгоду, с помощью рекламы, за счет большого количества посетителей и постоянной проходимости в течении суток.

Если у Вас после прочтения возникнут какие-либо вопросы, Вы можете задать их через форму отправки сообщений в разделе контакты.

Выбор метода модуляции для реализации системы передачи информации по сетям электропитания

Репозиторий БГУИР: Выбор метода модуляции для реализации системы передачи информации по сетям электропитания
Skip navigation







Please use this identifier to cite or link to this item:
https://libeldoc.Модуляция dsss: Территория Хобби bsuir.by/handle/123456789/9680

Title:Выбор метода модуляции для реализации системы передачи информации по сетям электропитания
Authors:Егоров, А. Д.
Keywords:материалы конференций
мультиплексирование
методы модуляции
Issue Date:2014
Publisher:БГУИР
Citation:Егоров, А. Д. Выбор метода модуляции для реализации системы передачи информации по сетям электропитания / А. Д. Егоров // Информационные технологии и управление : материалы 50-й научной конференции аспирантов, магистрантов и студентов. (Минск, 24 – 28 марта 2014 года). – Минск : БГУИР, 2014. – С. 59 – 60.
Abstract:Предметом исследования являются две схемы модуляции, а именно мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) и широкополосная модуляция в двух основных формах: c
прямым расширением спектра (DSSS) и скачкообразной перестройки частоты (FHSS). Эти решения уже
показали очень хорошую производительность, и уже стандартизированы для широко распространенных
систем, таких как ADSL и Цифровое радиовещание для OFDM, и WLAN для DSSS.
URI:https://libeldoc.bsuir.by/handle/123456789/9680
Appears in Collections:Информационные технологии и управление : материалы 50-й научной конференции аспирантов, магистрантов и студентов

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.




ADF7242 Техническое описание и информация о продукте

Подробнее о продукте

ADF7242 – это высококачественный приемопередатчик с высокой степенью интеграции и малой потребляемой мощностью, предназначенный для работы в международном диапазоне ISM 2.Модуляция dsss: Территория Хобби 4 ГГц. При его проектировании преследовалась цель получения гибкого, устойчивого, простого в применении и малопотребляющего устройства. Приемопередатчик поддерживает требования физического уровня стандарта IEEE 802.15.4-2006, 2.4 ГГц, а также передачу с использованием сигналов GFSK/FSK/GMSK/MSK в потоковом и пакетном режимах. При минимальном количестве внешних компонентов приемопередатчик обеспечивает соответствие требованиям стандартов FCC CFR47 Part 15, ETSI EN 300 440 (Equipment Class 2), ETSI EN 300 328 и ARIB STD T-66.

ADF7422 соответствует требованиям физического уровня стандарта IEEE 802.15.4-2006, 2.4 ГГц, к передаче данных с фиксированной скоростью 250 кбит/с и форматом модуляции DSSS-OQPSK. Благодаря поддержке форматов модуляции GFSK/FSK/GMSK/MSK и скоростей передачи данных от 50 кбит/с до 2 Мбит/с приемопередатчик также хорошо подходит для применения в интеллектуальных счетчиках, промышленных системах управления и др. Высокая скорость перестройки синтезатора частот и малое время переключения с передачи на прием упрощают реализацию на основе ADF7242 систем со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS).

Передающий тракт ADF7242 основан на схеме непосредственной модуляции ГУН в замкнутом контуре при помощи малошумящего ВЧ синтезатора частот с дробным коэффициентом деления. Для уменьшения побочных излучений и устранения эффекта влияния гетеродина на выходной сигнал УМ автоматически калибруемый ГУН работает на удвоенной частоте основной гармоники сигнала. Ширина полосы синтезатора автоматически оптимизируется в режиме передачи и приема для достижения наилучших показателей фазового шума, качества модуляции и времени установления сигнала. Мощность выходного сигнала программируется в диапазоне от -20 дБм до +4 дБм с поддержкой автоматического изменения по линейному закону, необходимого для выполнения требований к уровню побочных составляющих при переходных процессах. Компонент имеет интегрированную схему смещения и управления, значительно упрощающую интерфейс с внешними УМ.Модуляция dsss: Территория Хобби

Приемный тракт основан на архитектуре с нулевой ПЧ, дающей очень высокие показатели устойчивости к блокирующим помехам и избирательности. Эти параметры являются критическими показателями качества в средах с преобладающим воздействием помех, к которым относится диапазон 2.4 ГГц. Кроме того, данной архитектуре не свойственно слабое подавление блокирующего сигнала в зеркальном канале, характерное для приемников с низкой ПЧ. В режимах GFSK/FSK приемник использует быстродействующий контур автоматической регулировки частоты (АРЧ), который позволяет синтезатору сетки частот находить и исправлять любые частотные ошибки в принимаемом пакете.

Компонент работает с напряжением питания в диапазоне от 1.8 В до 3.6 В, обеспечивая одновременно очень малое энергопотребление и превосходные показатели приема/передачи, что делает его особенно привлекательным для систем с питанием от аккумуляторов.

ADF7242 имеет гибкий двухпортовый ВЧ интерфейс, который может использоваться с внешним МШУ и/или УМ, а также поддерживает работу с коммутируемыми, разнесенными в пространстве антеннами.

В состав ADF7242 входит 8-битный процессор с очень малым энергопотреблением, поддерживающий ряд функций управления приемопередатчиком. Эти функции выполняются двумя основными блоками: контроллером радиомодуля и менеджером пакетов.

Дополнительную информацию см. в техническом описании.

Области применения

  • Беспроводные сенсорные сети
  • Автоматическое считывание показаний счетчиков/Интеллектуальные счетчики
  • Промышленные беспроводные системы управления
  • Здравоохранение
  • Беспроводная передача звука/видеоизображений
  • Бытовая электроника
  • Zigbee

НОУ ИНТУИТ | Лекция | Организация беспроводных сетей

Аннотация: Лекция знакомит читателя с основами беспроводных сетей передачи данных, с технологией Wi-Fi и ее преимуществами перед обычными кабельными сетями. Рассматриваются основные элементы сети и их характеристики.Модуляция dsss: Территория Хобби Подробно описаны основы передачи данных в беспроводных сетях, технологии модуляции сигналов. Не оставлены без внимания вопросы, связанные с методами доступа к среде в беспроводных сетях, технологией расширенного спектра. Большое внимание уделено кодированию и защите от ошибок, как наиболее важному элементу при понимании технологии беспроводных локальных сетей.

Что такое Wi-Fi?

WI-FI — это современная беспроводная технология соединения компьютеров в локальную сеть и подключения их к Internet. Именно благодаря этой технологии Internet становится мобильным и дает пользователю свободу перемещения не то что в пределах комнаты, но и по всему миру.

Представьте себе такую картину: вы пользуетесь своим компьютером так же, как сейчас — мобильным телефоном; вам не нужны провода, вы можете взять свой ноутбук в любую точку Москвы и войти в Internet практически отовсюду. Это — ближайшее будущее.

Под аббревиатурой «Wi-Fi» (от английского словосочетания «Wireless Fidelity», которое можно дословно перевести как «высокая точность беспроводной передачи данных») в настоящее время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам.

С увеличением числа мобильных пользователей возникает острая необходимость в оперативном создании коммуникаций между ними, в обмене данными, в быстром получении информации. Поэтому естественным образом происходит интенсивное развитие технологий беспроводных коммуникаций. Особенно это актуально в отношении беспроводных сетей, или так называемых WLAN-сетей (Wireless Local Area Network). Сети Wireless LAN — это беспроводные сети (вместо обычных проводов в них используются радиоволны). Установка таких сетей рекомендуется там, где развертывание кабельной системы невозможно или экономически нецелесообразно.

intuit.ru/2010/edi»>Беспроводные сети особенно эффективны на предприятиях, где сотрудники активно перемещаются по территории во время рабочего дня с целью обслуживания клиентов или сбора информации (крупные склады, агентства, офисы продаж, учреждения здравоохранения и др.).

Благодаря функции роуминга между точками доступа пользователи могут перемещаться по территории покрытия сети Wi-Fi без разрыва соединения.

WLAN-сети имеют ряд преимуществ перед обычными кабельными сетями:

  • WLAN-сеть можно очень быстро развернуть, что очень удобно при проведении презентаций или в условиях работы вне офиса;
  • пользователи мобильных устройств при подключении к локальным беспроводным сетям могут легко перемещаться в рамках действующих зон сети;
  • скорость современных сетей довольно высока, что позволяет использовать их для решения очень широкого спектра задач;
  • WLAN-сеть может оказаться единственным выходом, если невозможна прокладка кабеля для обычной сети.

Вместе с тем необходимо помнить об ограничениях беспроводных сетей. Это, как правило, все-таки меньшая скорость, подверженность влиянию помех и более сложная схема обеспечения безопасности передаваемой информации.

Сегмент Wi-Fi сети может использоваться как самостоятельная сеть, либо в составе более сложной сети, содержащей как беспроводные, так и обычные проводные сегменты. Wi-Fi сеть может использоваться:

  • для беспроводного подключения пользователей к сети;
  • для объединения пространственно разнесенных подсетей в одну общую сеть там, где кабельное соединение подсетей невозможно или нежелательно;
  • intuit.ru/2010/edi»>для подключения к сетям провайдера Internet-услуги вместо использования выделенной проводной линии или обычного модемного соединения.

Основные элементы сети

Для построения беспроводной сети используются Wi-Fi адаптеры и точки доступа.

Адаптер (
рис.
1.1 ) представляет собой устройство, которое подключается через слот расширения PCI, PCMCIA, CompactFlash. Существуют также адаптеры с подключением через порт USB 2.0. Wi-Fi адаптер выполняет ту же функцию, что и сетевая карта в проводной сети. Он служит для подключения компьютера пользователя к беспроводной сети. Благодаря платформе Centrino все современные ноутбуки имеют встроенные адаптеры Wi-Fi, совместимые со многими современными стандартами. Wi-Fi адаптерами, как правило, снабжены и КПК (карманные персональные компьютеры), что также позволяет подключать их к беспроводным сетям.

Для доступа к беспроводной сети адаптер может устанавливать связь непосредственно с другими адаптерами. Такая сеть называется беспроводной одноранговой сетью или Ad Hoc («к случаю»). Адаптер также может устанавливать связь через специальное устройство — точку доступа. Такой режим называется инфраструктурой.

Для выбора способа подключения адаптер должен быть настроен на использование либо Ad Hoc, либо инфраструктурного режима.

Точка доступа (
рис.
1.2) представляет собой автономный модуль со встроенным микрокомпьютером и приемно-передающим устройством.

Рис.
1.1.
Адаптеры

Через точку доступа осуществляется взаимодействие и обмен информацией между беспроводными адаптерами, а также связь с проводным сегментом сети.Модуляция dsss: Территория Хобби Таким образом, точка доступа играет роль коммутатора.

Рис.
1.2.
Точка доступа

Точка доступа имеет сетевой интерфейс (uplink port), при помощи которого она может быть подключена к обычной проводной сети. Через этот же интерфейс может осуществляться и настройка точки.

Описание беспроводного оборудования можно найти в
«Приложение А. Обзор беспроводного оборудования D-Link»
.

Точка доступа может использоваться как для подключения к ней клиентов (базовый режим точки доступа), так и для взаимодействия с другими точками доступа с целью построения распределенной сети (Wireless Distributed System — WDS). Это режимы беспроводного моста «точка-точка» и «точка — много точек», беспроводной клиент и повторитель.

Доступ к сети обеспечивается путем передачи широковещательных сигналов через эфир. Принимающая станция может получать сигналы в диапазоне работы нескольких передающих станций. Станция-приемник использует идентификатор зоны обслуживания (Service Set IDentifier — SSID) для фильтрации получаемых сигналов и выделения того, который ей нужен.

Зоной обслуживания (Service Set — SS) называются логически сгруппированные устройства, обеспечивающие подключение к беспроводной сети.

Базовая зона обслуживания (Basic Service Set — BSS) — это группа станций, которые связываются друг с другом по беспроводной связи. Технология BSS предполагает наличие особой станции, которая называется точкой доступа (access point).

Для более полного понимания работы беспроводных устройств обратимся к следующему разделу.

Интернет-издание о высоких технологиях

Обозрение подготовлено при поддержке

Стандарты и диапазоны

Содержание:

802.Модуляция dsss: Территория Хобби 11a, 802.11b, 802.11g
Частотный диапазон 5 ГГц — новый этап в развитии беспроводных сетей

Как уже указывалось, единого стандарта для беспроводных фиксированных сетей доступа не существует, и производители выпускают оборудование, основываясь на различных (в том числе и собственных) технологиях. Тем не менее, кратко рассмотрим группу стандартов 802.11 — ведь им, как пророчат аналитики, сулит светлое будущее на быстрорастущем рынке WLAN (к сожалению, последнее пока России не касается).

802.11a, 802.11b, 802.11g

Спецификация IEEE 802.11 была ратифицирована в июне 1997 г. Стандарт 802.11 предусматривал применение технологии с расширением спектра (диапазоны 900 МГц и 2,4 ГГц) и ограничивался скоростью передачи данных 2 Мбит/с.

Затем появились патентованные технологии, которые обеспечивали пропускную способность до 10 Мбит/с. Для этого использовались либо один из вариантов технологии с расширением спектра (точнее, метод прямой последовательности Direct Sequence Spread Spectrum — DSSS), либо узкополосная передача и диапазон 5,8 ГГц. В то же время потребность в открытом стандарте была столь велика, что European Telecommunications Standard Institute (ETSI) приступил к разработке стандарта высокоскоростной беспроводной технологии под названием High Performance LAN — HIPERLAN. Спецификация была ратифицирована в 1996 г. и стала обозначаться, как HIPERLAN Type 1 (Type 2 относится к сетям ATM). Она предусматривает узкополосную радиосвязь между узлами в диапазоне 5,2 GHz и обеспечивает скорость передачи 23,5 Mbps.

Как сетевая технология, HIPERLAN определяет операции на физическом уровне и на MAC-подуровне (Medium Access Control) канального уровня в терминах эталонной модели OSI.Модуляция dsss: Территория Хобби Физический уровень отвечает за кодирование данных и передачу их в виде радиосигналов. Что касается МАС-уровня, то его функции стандарт подразделяет на две части: непосредственно управление доступом к среде (МАС) и управление и доступ к каналу Channel Access and Control (CAC). МАС-уровень реализует набор протоколов, которые обеспечивают безопасность, маршрутизацию, энергосберегающие функции и обмен данными с протоколами вышележащих уровней.

САС описывает процедуру доступа к каналу в случаях, когда он занят или свободен, и механизм разрешения конфликтов в зависимости от приоритетов. Именно этот уровень реализует иерархически независимый невытесняющий (без прерывания обслуживания при поступлении более высокоприоритетного запроса) приоритетный доступ. Приведем краткий алгоритм его работы. Сначала МАС-уровень выбирает и передает из очереди пакет с наиболее высоким приоритетом уровню САС. Тот определяет, какой уровень приоритета необходимо использовать для доступа к каналу. Затем «прослушивает» канал и ждет, пока пройдут пакеты с более высоким приоритетом. Если другое устройство имеет пакет с приоритетом выше, чем выбранный, то он пропускается вперед, а САС откладывает передачу до следующего цикла. Если же более приоритетного конкурента не существует, то САС выдает команду физическому уровню начать передачу сигнала.

В отношении методов модуляции разработчики HIPERLAN пошли проторенным путем и использовали схему, такую же, как и в GSM, — наиболее распространенного стандарта цифровой радиопередачи. Это — гауссова модуляция с минимальным сдвигом (Gaussian Minimum Shift Keying — GMSK). В ней амплитуда передаваемого сигнала остается постоянной, что позволяет предъявлять не очень жесткие требования к линейности усилителя. GMSK дает возможность достичь весьма высокой скорости передачи при более низкой стоимости реализации, по сравнению с альтернативными схемами, например с ортогональным мультиплексированием с разделением по частотам (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — OFDM).Модуляция dsss: Территория Хобби

На физическом уровне технология обеспечивает скорость передачи сигналов до 23,53 Мбит/с. Поскольку кроме пользовательских данных, пакет содержит также и необходимую служебную информацию, то реальная скорость будет меньше. При использовании длинных пакетов HIPERLAN может поддерживать скорость до 18 Мбит/с на один канал, которых обычно бывает несколько.

Простейшей топологией для взаимосвязи беспроводных систем является сотовая модель. В ней весь трафик проходит через «контроллер», реализующий механизм продвижения данных к получателю. Каждое HIPERLAN-устройство настраивается таким образом, чтобы выбрать один и только один близлежащий контроллер, и через него передается весь трафик. Если получатель находится вне соты, контроллер будет искать ближайший транзитный узел на пути к нему. В случае одноранговых коммуникаций такой контроллер не требуется. При расположении всех узлов в зоне радиовидимости связь между ними осуществляется по протоколу точка-точка либо с помощью широковещательных пакетов. В противном случае необходимо реализовать некоторый протокол продвижения пакетов к узлу, находящемуся на значительном удалении.

Для поддержания динамических систем любого типа терминальное устройство (к примеру, ноутбук или КПК) должно объявить о своем присутствии соседям или сотовому контроллеру в случае фиксированной инфраструктуры. Обычно это выполняется двумя путями: динамическим опросом (polling) или сообщением, идентифицирующим отправителя. В технологии HIPERLAN реализуется второй способ, известный как «приветствие» («Hello» function). Каждое устройство периодически, примерно через 30 с, посылает своим соседям соответствующий широковещательный пакет, который содержит всю необходимую информацию для построения «карты» сети.

В сообщении, содержащем приветственный широковещательный пакет, находится, в частности, информация о соседях отправителя и коммуникационной роли каждого — кто из них является ретранслятором (Forwarder), а кто нет (Non-Forwarder).Модуляция dsss: Территория Хобби Ретрансляторы используют эту информацию для того, чтобы построить карту соединений и определить маршруты к каждому устройству. Пакеты передаются от ретранслятора к ретранслятору до тех пор, пока они не будут доставлены по назначению или пока не истечет время их жизни. Таким способом достигается самоорганизация системы.

Безопасность в HIPERLAN обеспечивается с помощью того же метода, что и в стандарте 802.11. Принципиально используется тот же алгоритм Wire Equivalent Privacy (WEP), однако его реализация в HIPERLAN несколько отлична. Каждый пакет содержит в заголовке двухбитовое поле, которое указывает, являются или нет данные зашифрованными. Если да, в заголовке определяется один из трех возможных ключей. Поскольку действительный ключ выбирается как результат интерпретации идентификатора, то в данном случае для ключей применима произвольная схема распределения.

Что касается спецификации 802.11, то вследствие низкой скорости передачи в таких сетях совместимые с ней устройства вряд ли завоюют широкую популярность — это было очевидно еще на заре появления новых устройств в этом стандарте. Действительно, не успело первое поколение подобных продуктов появиться на рынке, как индустрия спешно принялась за разработку более высокоскоростной версии 802.11b или Wi-Fi (wireless fidelity) , которая определяет скорость передачи данных до 11 Мбит/с. Она является, по сути, прямым продолжением стандарта 802.11 и совместима с ним на скоростях 1 и 2 Мбит/с. Очевидно, что поддерживающие этот стандарт устройства должны работать в диапазоне частот 2,4 ГГц, однако для обеспечения высокой скорости используют иную схему модуляции — некоторую модификацию метода DSSS (с 8-разрядными последовательностями Уолша). В окончательной редакции стандарт 802.11b был принят в 1999г. Как и в случае базового стандарта 802.11, четкие механизмы роуминга спецификациями 802.11b не определены.

Теперь же, как известно, и этой скорости 11 Мбит/с оказалось мало, и уже относительно давно в ходу аббревиатуры а и g.Модуляция dsss: Территория Хобби Как стало недавно известно, рабочая группа Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) окончательно утвердит стандарт IEEE P802.11g (TM) в июне этого года. Напомним, что 802.11g уже прошел два этапа одобрений, и вот теперь осталось пройти третий, последний этап. 802.11g обещает увеличить скорость передачи данных с существующих в теоретическом пределе 11 Мбит/c (стандарт IEEE 802.11b (TM)) до 54 Мбит/c.
Таким образом, по скорости передачи данных новый стандарт, рассчитанный на частотный диапазон 2,4 ГГц, сравняется с предложенным ранее стандартом 802.11a (TM), который также обеспечивает до 54 Мбит/c, но разработан для диапазона 5 ГГц. А учитывая то, что на рынке преобладающим является стандарт 802.11b (подавляющая часть беспроводных локальных сетей построена именно на его основе), то можно прогнозировать, что 802.11g ждет большой успех, ведь одним из достоинств будущего стандарта является обратная совместимость с 802.11b.

Частотный диапазон 5 ГГц — новый этап в развитии беспроводных сетей

Очевидно, что рост числа сетей сдерживается, в первую очередь, отсутствием свободных частот в диапазонах 2,4 ГГц. Поэтому участники рынка связывают большие надежды с освоением полосы 5 ГГц. Несмотря на то, что соответствующее оборудование фактически еще не поступило на российский рынок, передел этого диапазона в Москве и Петербурге практически завершен.

Комментируя ситуацию в России с диапазоном 5 ГГц, Петр Кочегаров отметил, что оборудование, в частности, для диапазона частот 5,2-5,3 ГГц, еще практически не представлено на рынке: «На сегодняшний день, по большому счету, все, что есть в диапазоне 5,2 ГГц, это только оборудование на 2,4 ГГц с конвертерами». Тем не менее, по его мнению — «это одно из направлений, частотная ниша, где будут возникать новые сети».Модуляция dsss: Территория Хобби

«В 5 ГГц есть также диапазон 5,7-5,8 ГГц, который довольно давно осваивается, но, тем не менее, там также есть некоторый потенциал. Будут появляться и новые диапазоны, в частности, недавним решением ГКРЧ выделен частотный интервал 5,6-5,7 ГГц под высокоскоростной фиксированный радиодоступ, под наше решение», — считает технический директор CompTek.

Что касается долгожданного радиомаршрутизатора Revolution 5000, то CompTek к его продаже еще не приступил, но надеется, что это будет сделано в самое ближайшее время. Что касается диапазона 5,7-5,8 ГГц, то в нем работает, в частности, оборудование WiLAN — новый для CompTek вендор, который, по словам Петра Кочегарова, «производит очень добротное оборудование». Для диапазонов 5,25-5,35 ГГц и 5,725-5,825 ГГц существует также решение Canopy от компании Motorola (оно пока только заявлено на сертификацию).

Подробнее о новом для России диапазоне 5 ГГц мы поговорим в следующем разделе.

Виталий Солонин / CNews.ru

Расширенный спектр прямой последовательности — Direct-sequence spread spectrum

Метод модуляции для уменьшения помех сигнала

В области телекоммуникаций , прямая последовательность с расширенным спектром ( DSSS ) является расширенным спектром модуляции методы в основном используется для снижения общего сигнала помехи . Модуляция прямой последовательности делает передаваемый сигнал шире по полосе пропускания, чем информационная. После сжатия или удаления модуляции прямой последовательности в приемнике полоса пропускания информации восстанавливается, в то время как непреднамеренные и преднамеренные помехи существенно уменьшаются.

Первая известная схема этой техники была представлена швейцарским изобретателем Густавом Гуанеллой . В DSSS биты сообщения модулируются псевдослучайной битовой последовательностью, известной как расширяющая последовательность. Каждый бит расширяющей последовательности, известный как чип, имеет гораздо меньшую длительность (большую полосу пропускания), чем исходные биты сообщения.Модуляция dsss: Территория Хобби Модуляция битов сообщения скремблирует и расширяет части данных и, таким образом, приводит к размеру полосы пропускания, почти идентичной размеру расширяющей последовательности. Чем меньше длительность чипа, тем больше ширина полосы результирующего сигнала DSSS; большая полоса пропускания, мультиплексируемая с сигналом сообщения, приводит к лучшей устойчивости к помехам.

Некоторые практические и эффективные применения DSSS включают метод множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), спецификацию IEEE 802.11b, используемую в сетях Wi-Fi , и систему глобального позиционирования .

особенности

  1. DSSS фазовых сдвиги- синусоидальная волна псевдослучайные с непрерывной строкой чипов, каждый из которых имеет значительно меньшую длительность , чем информационный бит . То есть каждый информационный бит модулируется последовательностью гораздо более быстрых чипов. Следовательно, чиповая скорость намного выше, чем битовая скорость информации .
  2. DSSS использует структуру сигнала, в которой последовательность расширения, создаваемая передатчиком, уже известна приемнику. Затем приемник может использовать ту же последовательность расширения, чтобы противодействовать ее влиянию на принятый сигнал, чтобы восстановить информационный сигнал.

Способ передачи

Передачи с расширенным спектром прямой последовательности умножают передаваемые данные на псевдослучайную расширяющую последовательность, которая имеет гораздо более высокую скорость передачи данных, чем исходная скорость передачи данных. Результирующий передаваемый сигнал напоминает белый шум с ограниченной полосой частот , как аудиозапись «статики». Однако этот шумоподобный сигнал используется для точного восстановления исходных данных на принимающей стороне путем умножения их на ту же самую последовательность расширения (поскольку 1 × 1 = 1 и -1 × -1 = 1). Этот процесс, известный как сжатие, математически представляет собой корреляцию переданной последовательности расширения с последовательностью расширения, которую приемник уже знает, что передатчик использует.Модуляция dsss: Территория Хобби После сжатия отношение сигнал / шум приблизительно увеличивается на коэффициент расширения, который представляет собой отношение скорости последовательности расширения к скорости передачи данных.

Хотя передаваемый сигнал DSSS занимает гораздо более широкую полосу пропускания, чем требуется для простой модуляции исходного сигнала, его частотный спектр может быть несколько ограничен для экономии спектра с помощью обычного аналогового полосового фильтра, чтобы получить огибающую в форме колокола с центром на несущей частоте. . Напротив, расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты псевдослучайно перенастраивает несущую и требует однородной частотной характеристики, поскольку любое изменение полосы пропускания вызовет амплитудную модуляцию сигнала с помощью кода скачкообразной перестройки.

Если нежелательный передатчик передает по тому же каналу, но с другой последовательностью расширения (или вообще без последовательности), процесс сжатия снижает мощность этого сигнала. Этот эффект является основой для свойства множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA) DSSS, которое позволяет нескольким передатчикам совместно использовать один и тот же канал в пределах свойств взаимной корреляции их последовательностей расширения.

Льготы

  • Устойчивость к непреднамеренному или преднамеренному заклиниванию
  • Совместное использование одного канала несколькими пользователями
  • Пониженный уровень сигнала / фонового шума затрудняет перехват
  • Определение относительной синхронизации между передатчиком и приемником

Использует

  • Спутниковые навигационные системы США GPS , европейская Galileo и российская ГЛОНАСС ; ранее ГЛОНАСС использовал DSSS с одной последовательностью расширения в сочетании с FDMA , тогда как позже ГЛОНАСС использовал DSSS для достижения CDMA с несколькими последовательностями расширения.
  • DS-CDMA (Множественный доступ с прямым последовательным кодовым разделением каналов) — это схема множественного доступа , основанная на DSSS, посредством распределения сигналов от / к различным пользователям с разными кодами.Модуляция dsss: Территория Хобби Это наиболее широко используемый тип CDMA .
  • Беспроводные телефоны , работающие в 900 МГц, 2,4 ГГц и 5,8 ГГц полосы
  • IEEE 802.11b 2,4 ГГц Wi-Fi и его предшественник 802.11-1999 . (Их преемник 802.11g использует как OFDM, так и DSSS)
  • Автоматическое считывание показаний счетчика
  • IEEE 802.15.4 (используется, например, как уровень PHY и MAC для ZigBee , или как физический уровень для WirelessHART )
  • Радиоуправляемая модель Автомобили

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

<img src=»https://en.wikipedia.org//en.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1×1″ alt=»» title=»»>

Что такое DSSS | Спектр распространения прямой последовательности

— обзор, информация или учебник о DSSS, спектре прямого расширения последовательности и способе работы системы.


Расширенный спектр прямой последовательности, DSSS Включает:
Основы DSSS

См. Также:
Основы CDMA


DSSS, расширенный спектр с прямой последовательностью — это форма передачи с расширенным спектром, которая использует коды расширения для распространения сигнала по более широкой полосе частот, которая обычно требуется.

Метод прямого расширения спектра, DSSS, на первый взгляд противоречит интуиции, но DSSS используется в ряде областей, где он позволяет получить значительные преимущества.

Основы прямой последовательности с расширенным спектром

Расширенный спектр с прямой последовательностью — это форма передачи, которая очень похожа на белый шум в полосе пропускания передачи. Однако после получения и обработки с правильными кодами дескремблирования можно извлечь требуемые данные.

При передаче сигнала с расширенным спектром DSSS требуемый сигнал данных умножается на то, что известно как поток данных с расширением или кодом элементарного кода.Модуляция dsss: Территория Хобби Результирующий поток данных имеет более высокую скорость передачи данных, чем сами данные. Часто данные умножаются с помощью функции XOR (исключающее ИЛИ).

Каждый бит в расширяющей последовательности называется чипом, и он намного короче, чем каждый информационный бит. Последовательность расширения или последовательность элементарных посылок имеет ту же скорость передачи данных, что и конечный выходной сигнал умножителя расширения.Скорость называется чиповой скоростью, и ее часто измеряют в количестве M чипов в секунду.

Затем поток данных основной полосы частот модулируется на несущую, и, таким образом, общий сигнал распространяется на гораздо более широкую полосу пропускания, чем если бы данные были просто модулированы на несущую. Это связано с тем, что сигналы с высокой скоростью передачи данных занимают более широкую полосу пропускания сигнала, чем сигналы с низкой скоростью передачи данных.

Для декодирования сигнала и приема исходных данных сигнал CDMA сначала демодулируется с несущей, чтобы восстановить поток высокоскоростных данных.Это умножается на код расширения для восстановления исходных данных. Когда это сделано, регенерируются только данные, которые были сгенерированы с тем же кодом расширения, все другие данные, которые генерируются из разных потоков кода расширения, игнорируются.

Использование расширенного спектра прямой последовательностью является мощным принципом и имеет много преимуществ.

Процесс кодирования / декодирования прямой последовательности DSSS с расширенным спектром

Для того, чтобы визуализировать, как работает процесс расширения спектра прямой последовательностью, самый простой способ — показать пример того, как система на самом деле работает с точки зрения битов данных, и как данные восстанавливаются из DSSS, сигнала с расширенным спектром прямой последовательности.

Первая часть процесса — генерировать сигнал DSSS. Возьмем в качестве примера, что данные, которые должны быть переданы, — это 1001, а чип или код расширения — 0010.Модуляция dsss: Территория Хобби Для каждого бита данных полный код расширения используется для умножения данных, и, таким образом, для каждого бита данных расширение или расширенный сигнал состоит из четырех битов.

1 0 0 1 Данные для передачи
0010 0010 0010 0010 Чип или код расширения
1101 0010 0010 1101 Результирующий вывод данных спреда

После того, как сигнал получен и передан, его необходимо декодировать в удаленном приемнике:

1101 0010 0010 1101 Входящий сигнал CDMA
0010 0010 0010 0010 Чип или код расширения
1111 0000 0000 1111 Результат разрыхления
1 0 0 1 Интегрированный выход

Примечание: 1 x 1 = 0
1 х 0 = 1

Таким образом, можно увидеть, что исходные данные восстанавливаются точно с использованием того же кода расширения или чипового кода.Если бы для регенерации сигнала с расширенным спектром CDMA использовался другой код, то это привело бы к случайной последовательности после уменьшения расширения. Это выглядело бы как шум в системе.

Код расширения, использованный в этом примере, имел длину всего четыре бита. Это позволило упростить визуализацию процесса. Обычно коды расширения могут иметь длину 64 или даже 128 бит для обеспечения требуемой производительности.

Усиление распространения DSSS

Ширина полосы сигнала с расширенным спектром будет намного шире, чем у исходного потока данных.Для количественной оценки увеличения полосы пропускания используется термин, известный как коэффициент расширения.Модуляция dsss: Территория Хобби Если полоса пропускания DSSS, сигнал с расширенным спектром прямой последовательности составляет Вт , а длина входных данных в битах или период 1 / R , то коэффициент расширения DSSS может быть определен:

Было обнаружено, что чем больше коэффициент расширения спектра сигнала с расширенным спектром прямой последовательности, тем более эффективными являются рабочие характеристики системы. Это потому, что желаемый сигнал становится больше. В показанном выше примере коэффициент расширения равен четырем, что видно по тому факту, что четыре единицы генерируются для каждого требуемого бита данных.Данные, генерируемые другими кодами диспрединга, будут выглядеть как шум и могут быть отброшены, так как они будут иметь меньшее значение.

Приложения с прямым расширением спектра

DSSS используется в ряде областей, где его свойства позволили ему обеспечить некоторые уникальные преимущества по сравнению с другими методами.

  • Скрытая связь: DSSS впервые использовался для обеспечения безопасной и скрытой связи. Сигналы изначально было трудно обнаружить, поскольку они звучали как широкополосный шум и часто были ошибочно приняты за это.Также для доступа к данным необходимо знать код, используемый для генерации сигнала
  • .

  • Технология сотовых телефонов CDMA: Технология DSSS использовалась для обеспечения схемы множественного доступа, которая использовалась для целлофановой технологии 3G. Каждый мобильный телефон использовал свой код доступа или код расширения, и это позволяло нескольким пользователям получать доступ к базовой станции на одной и той же частоте.
  • GNSS: Спутниковые навигационные системы используют DSSS, поскольку это дает усиление сигнала за счет распространения сигнала по широкой полосе пропускания.Это также позволяет различным спутникам использовать один и тот же канал без взаимных помех.

Более важные темы по радио:
Радиосигналы
Типы и методы модуляции
Амплитудная модуляция
Модуляция частоты
OFDM
ВЧ микширование
Петли фазовой автоподстройки частоты
Синтезаторы частот
Пассивная интермодуляция
ВЧ аттенюаторы
RF фильтры
Радиочастотный циркулятор
Типы радиоприемников
Радио Superhet
Избирательность приемника
Чувствительность приемника
Обработка сильного сигнала приемника
Динамический диапазон приемника

Вернуться в меню тем радио.Модуляция dsss: Территория Хобби . .

Общие сведения о расширенном спектре для связи

Сигнал с быстрым фазовым переходом (чиповой скоростью) имеет большую полосу пропускания, учитывая, что скорость больше (без изменения мощности исходного сигнала), и ведет себя аналогично шуму таким образом, что их спектры аналогичны для полосы пропускания в диапазоне. Фактически, амплитуда плотности мощности выходного сигнала с расширенным спектром аналогична минимальному уровню шума. Сигнал «спрятан» под шумом.

Чтобы вернуть сигнал, необходим точно такой же сигнал с высокой пропускной способностью. Это похоже на ключ, только демодулятор, который «знает» такой ключ, сможет демодулировать и вернуть сообщение. Этот «ключ» на самом деле является псевдослучайной последовательностью (быстрый фазовый переход), также известной как псевдошум (PN). Эти последовательности генерируются m-последовательностями.

m-Sequences
Все эти коды (коды DSSS) будут рассматриваться как псевдошумовые (PN) последовательности, поскольку они похожи на случайные последовательности битов с плоским шумоподобным спектром.

Эта последовательность кажется случайной, но на самом деле ее можно воссоздать, используя структуру сдвигового регистра на рисунке 4 с M = 4, полиномом и начальным состоянием «1 1 0 0».

Рисунок 4: Структура регистра сдвига для m-последовательности

Где ‘’ представляет сложение по модулю 2.
При использовании этой схемы начальное состояние необходимо только для генерации последовательности точно такой же длины (единственное запрещенное состояние — это все нули, поскольку регистр будет заблокирован в этом состоянии).

Возьмем, например:

Окончательная последовательность будет выглядеть так:

1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1 1

После пятнадцатого сдвига значения в регистрах снова будет начальное семя.

Свойства m-последовательностей
Период:
После этого числа «1» и «-1» последовательность начнет повторяться, поскольку начальные символы будут такими же.Модуляция dsss: Территория Хобби
Автокорреляция:

Формальное определение дискретной автокорреляции:

Рассмотрим предыдущую последовательность

1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1 1

Если мы выполним следующую операцию:
= 15, то есть умножить каждое значение само на себя и сложить их все ().

Теперь возьмем,

Выполнение той же операции:
= -1 =

Это автокорреляция для каждой точки сдвига. Если мы возьмем их все и построим так, чтобы было 15 точек до 0 и 15 после:
a)

b)

Рисунок 5: Корреляция a) примерной последовательности и b) другой последовательности с полиномом , созданным с помощью LabVIEW и MathScript

Как видно, только если конечный пользователь, имеющий точную последовательность, может демодулировать сообщение, когда последовательность синхронизирована (пик при корреляции = 1).У других пользователей будет очень небольшая амплитуда исходного сигнала. Это принцип сотовых систем множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), другими словами, они совместно используют одну и ту же частоту и время с несколькими пользователями с разными кодами.

Расширение
Блок-схема системы связи DSSS для QPSK представлена ​​на рисунке 6. Обратите внимание, что здесь PN-последовательность представлена ​​как синфазным (I), так и квадратурным (Q) компонентам.

Рисунок 6: Блок-схема модулятора QPSK с расширенным спектром

Последовательность должна быть достаточно длинной (по отношению к сигналу сообщения), чтобы иметь шумоподобный спектр.Это соотношение между скоростью расширяющейся последовательности и скоростью сообщений:

В практических системах это целое число, и это количество сдвигов фазы PN-последовательности для каждого бита сообщения.Модуляция dsss: Территория Хобби Например, для систем GPS N = 1024.

Рисунок 7: Распространение сообщения, каждый бит сообщения будет содержать всю PN последовательность

Новое сообщение имеет сейчас и, следовательно,
Выходная объединенная последовательность основной полосы частот:
Где — это отправленный сигнал в основной полосе частот, — это форма сигнала PN и — это битовая последовательность.

Сжатие
Полученная форма волны основной полосы частот — это комбинация переданной формы волны и шума в канале.

Рисунок 8: Модель канала простого аддитивного белого гауссова шума (AWDG). LabVIEW Vi

Полученный сигнал снова будет объединен с расширяющей последовательностью. Обратите внимание, что шум также будет обрабатываться по той же процедуре, но корреляционные свойства не увеличивают мощность шума.

Полученный сигнал будет комбинацией переданного сигнала и шума:

Мы можем заменить отправленный сигнал комбинацией последовательности PN и последовательности битов.

Модулятор умножит его на последовательность PN:

Если это синхронизировано, это похоже на умножение шума на шум, что дает другой вид шума (похожий по амплитуде).

Рассмотрим идеальный пример из рисунка 9.

Рисунок 9: Восстановите исходный сигнал для двух разных пользователей. Пользователь 1 имеет правильную последовательность. Пользователь 2 имеет другую последовательность, поэтому в выходном сообщении будет много ошибок (нет информации)

M-последовательности — это основа PN-последовательностей, и они используются в реальных системах (GPS), но это не единственные PN-последовательности.Поскольку расширенный спектр является основой CDMA, мы выделим основу из двух наиболее часто используемых последовательностей, задействованных в системе: последовательности Голда (WCDMA) и последовательности Уолша-Адамара (IS-95).

Gold Sequences
Gold последовательности помогают генерировать больше последовательностей из пары m-последовательностей, давая теперь гораздо больше различных последовательностей для нескольких пользователей.Модуляция dsss: Территория Хобби Последовательности Голда основаны на предпочтительных парных m-последовательностях. Например, возьмите полиномы и:

Рисунок 10: Пример генератора золотой последовательности с использованием одной предпочтительной пары m-последовательностей: и

Помните, что m-последовательности дали только одну последовательность длины.Комбинируя две из этих последовательностей, мы можем получить до 31 () плюс две сами m-последовательности, сгенерировать 33 последовательности (каждая одной длины), которые можно использовать для распространения различных входных сообщений (CDMA разных пользователей).

Пара m-последовательностей плюс последовательности Голда образуют доступные последовательности для использования в DSSS. Желаемое свойство кодов Gold состоит в том, что они сбалансированы (то есть одинаковое количество единиц и -1).

Последовательности Уолша-Адамара
Другими распространенными последовательностями являются последовательности Уолша-Адамара, используемые в настоящее время в системах CDMA.Эти последовательности ортогональны (т.е. где — строка матрицы), удобные свойства для нескольких пользователей. Последовательности представляют собой строки матрицы Адамара, определенной для:

Для больших матриц используйте рекурсию:

Пример для

Ортогональные коды имеют идеальные свойства взаимной корреляции (если сдвиг не реализован).

Введение в Spread-Spectrum Commun

Введение

Поскольку методы расширенного спектра становятся все более популярными, инженеры-электрики, не работающие в этой области, стремятся получить понятные объяснения этой технологии.Есть книги и веб-сайты по этой теме, но многие из них трудно понять или описать некоторые аспекты, игнорируя другие (например, метод DSSS с большим акцентом на генерацию PRN-кода).

Следующее обсуждение охватывает весь спектр (каламбур).

Краткая история

Технология связи с расширенным спектром была впервые описана на бумаге актрисой и музыкантом! В 1941 году голливудская актриса Хеди Ламарр и пианист Джордж Антейл описали безопасную радиосвязь для управления торпедами.Модуляция dsss: Территория Хобби Они получили патент США № 2.292.387. В то время армия США не воспринимала эту технологию всерьез и была забыта до 1980-х годов, когда стала активной. С тех пор эта технология становится все более популярной для приложений, использующих радиосвязь во враждебных условиях.

Типичные применения получаемых в результате приемопередатчиков данных ближнего действия включают системы спутникового позиционирования (GPS), мобильные телекоммуникации 3G, W-LAN (IEEE® 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g) и Bluetooth®.Методы расширения спектра также помогают в бесконечной гонке между потребностями в связи и доступностью радиочастоты — в ситуациях, когда радиочастотный спектр ограничен и, следовательно, является дорогостоящим ресурсом.

Теоретическое обоснование расширенного спектра

Расширенный спектр очевиден в теореме Шеннона и Хартли о пропускной способности канала:

C = B × log 2 (1 + S / N) (уравнение 1)

В этом уравнении C — пропускная способность канала в битах в секунду (бит / с), которая представляет собой максимальную скорость передачи данных для теоретической частоты ошибок по битам (BER).B — требуемая полоса пропускания канала в Гц, а S / N — отношение мощности сигнал / шум. Чтобы быть более точным, предполагается, что C, который представляет объем информации, разрешенный каналом связи, также представляет желаемую производительность. Полоса пропускания (B) — это цена, которую нужно заплатить, потому что частота — ограниченный ресурс. Отношение сигнал / шум отражает условия окружающей среды или физические характеристики (например, препятствия, наличие помех, помех и т. Д.).

Существует элегантная интерпретация этого уравнения, применимая для сложных условий, например, когда низкое отношение сигнал / шум вызвано шумом и помехами.Этот подход говорит о том, что можно поддерживать или даже увеличивать производительность связи (высокий C), разрешая или вводя большую полосу пропускания (высокий B), даже когда мощность сигнала ниже минимального уровня шума.Модуляция dsss: Территория Хобби (Уравнение не запрещает это условие!)

Измените уравнение 1, изменив логарифмическую основу с 2 на e (число Напьера) и отметив, что ln = log e . Следовательно:

C / B = (1 / ln2) × ln (1 + S / N) = 1,443 × ln (1 + S / N) (уравнение 2)

Применение разработки серии MacLaurin для

ln (1 + x) = x — x² / 2 + x³ / 3 — x 4 /4 +… + (-1) k + 1 x k / k + …:

C / B = 1,443 × (S / N — 1/2 × (S / N) ² + 1 / 3 × (S / N) ³ — …) (уравнение 3)

S / N обычно низкое для приложений с расширенным спектром. (Как уже упоминалось, плотность мощности сигнала может быть даже ниже уровня шума.) Если предположить, что уровень шума такой, что S / N << 1, выражение Шеннона будет просто:

C / B ≈ 1,433 × S / N (уравнение 4)

Очень приблизительно:
Или:
Следовательно, чтобы отправить безошибочную информацию для данного отношения шума к сигналу в канале, нужно только выполнить основную операцию расширения сигнала с расширенным спектром: увеличить передаваемую полосу пропускания.Этот принцип кажется простым и очевидным. Тем не менее, реализация является сложной, в основном потому, что расширение основной полосы частот (с коэффициентом, который может составлять несколько порядков) заставляет электронику действовать и реагировать соответствующим образом, что, в свою очередь, делает операции расширения и сжатия необходимыми.

Определения

Доступны различные методы расширения спектра, но все они имеют одну общую идею: ключ (также называемый кодом или последовательностью), прикрепленный к каналу связи. Способ вставки этого кода точно определяет метод расширения спектра.Термин «расширенный спектр» относится к расширению полосы пропускания сигнала, в некоторых случаях на несколько порядков, которое происходит, когда ключ присоединяется к каналу связи.Модуляция dsss: Территория Хобби

Формальное определение расширенного спектра является более точным: система радиочастотной связи, в которой ширина полосы частот модулирующего сигнала намеренно расширяется на большую полосу пропускания путем введения более высокочастотного сигнала (, рисунок 1, ). Как прямое следствие, энергия, используемая при передаче сигнала, распространяется на более широкую полосу пропускания и проявляется в виде шума.Отношение (в дБ) между расширенной основной полосой частот и исходным сигналом называется усилением обработки. Типичный выигрыш от обработки с расширенным спектром составляет от 10 до 60 дБ.

Чтобы применить метод расширения спектра, просто введите соответствующий код расширения спектра где-нибудь в передающей цепи перед антенной (приемником). (Эта инъекция называется операцией распространения.) Эффект заключается в распространении информации в большей полосе пропускания. И наоборот, вы можете удалить код с расширенным спектром (называемый операцией сжатия) в точке цепочки приема перед извлечением данных.Операция сжатия восстанавливает информацию в исходной полосе пропускания. Очевидно, что один и тот же код должен быть известен заранее на обоих концах канала передачи. (В некоторых случаях код должен быть известен только этим двум сторонам.)

Рисунок 1. Система связи с расширенным спектром.

Влияние операции расширения на полосу пропускания

На рисунке 2 показана оценка ширины полосы сигнала в канале связи.

Рисунок 2.Операция расширения распространяет энергию сигнала на более широкую полосу частот.

Модуляция с расширенным спектром применяется поверх обычной модуляции, такой как BPSK или прямое преобразование. Можно продемонстрировать, что все другие сигналы, не получившие код с расширенным спектром, останутся такими, какие они есть, то есть нераспространенными.

Влияние операции сжатия на полосу пропускания

Точно так же сжатие можно увидеть на рис. 3 .

Рис.Модуляция dsss: Территория Хобби 3. Операция сжатия восстанавливает исходный сигнал.

Здесь демодуляция с расширенным спектром была сделана поверх обычных операций демодуляции. Можно также продемонстрировать, что такие сигналы, как источник помех или глушитель, добавленные во время передачи, будут распространяться во время операции сжатия!

Потеря пропускной способности из-за распространения компенсируется несколькими пользователями

Расширение приводит непосредственно к использованию более широкой полосы частот с коэффициентом, который точно соответствует «выигрышу от обработки», упомянутому ранее. Следовательно, расширение не экономит ограниченный частотный ресурс.Однако такое чрезмерное использование хорошо компенсируется возможностью того, что многие пользователи будут совместно использовать расширенную полосу частот (, рис. 4, ).

Рис. 4. Одна и та же полоса частот может совместно использоваться несколькими пользователями с помощью методов расширения спектра.

Расширенный спектр — это широкополосная технология

В отличие от обычной узкополосной технологии, процесс расширения спектра является широкополосной технологией. Например, W-CDMA и UMTS — это широкополосные технологии, которые требуют относительно большой полосы частот по сравнению с узкополосной радиосвязью.

Преимущества Spread Spectrum

Устойчивость к помехам и помехам
Технология с расширенным спектром дает множество преимуществ. Устойчивость к помехам — важнейшее преимущество. Преднамеренные или непреднамеренные помехи и сигналы глушения отклоняются, поскольку они не содержат ключа расширения спектра. Только желаемый сигнал, имеющий ключ, будет виден на приемнике при выполнении операции сжатия. См. Рисунок 5 .

Рисунок 5. Система связи с расширенным спектром. Обратите внимание, что энергия источника помех расширяется, в то время как сигнал данных сжимается в цепочке приема.

Вы можете практически игнорировать помехи, узкополосные или широкополосные, если они не включают ключ, используемый в операции сжатия.Модуляция dsss: Территория Хобби Это отклонение также относится к другим сигналам с расширенным спектром, которые не имеют правильного ключа. Таким образом, в одной и той же полосе могут одновременно действовать разные средства связи с расширенным спектром, например CDMA.Обратите внимание, что расширенный спектр — это широкополосная технология, но обратное неверно: широкополосные методы не обязательно должны включать технологию расширенного спектра.

Устойчивость к перехвату
Устойчивость к перехвату — второе преимущество, обеспечиваемое методами расширения спектра. Поскольку неавторизованные слушатели не имеют ключа, используемого для распространения исходного сигнала, эти слушатели не могут его декодировать. Без правильной клавиши сигнал с расширенным спектром выглядит как шум или источник помех.(Однако методы сканирования могут нарушить код, если ключ короткий.) Более того, уровни сигнала могут быть ниже минимального уровня шума, поскольку операция расширения снижает спектральную плотность. См. Рисунок 6 . (Общая энергия такая же, но она широко разнесена по частоте.) Таким образом, сообщение становится невидимым, что особенно сильно проявляется при использовании метода расширенного спектра прямой последовательности (DSSS). (DSSS обсуждается более подробно ниже.) Другие приемники не могут «видеть» передачу; они регистрируют лишь небольшое увеличение общего уровня шума!

Рисунок 6.Сигнал с расширенным спектром скрывается под уровнем шума. Приемник не может «видеть» передачу без правильных ключей расширения спектра.

Устойчивость к замиранию (эффекты многолучевого распространения)
Беспроводные каналы часто включают многолучевое распространение, при котором сигнал имеет более одного пути от передатчика к приемнику (, рис. 7, ). Такое многолучевое распространение может быть вызвано атмосферным отражением или преломлением, а также отражением от земли или таких объектов, как здания.

Рис. 7. Иллюстрация того, как сигнал может достигать приемника по нескольким путям.Модуляция dsss: Территория Хобби

Отраженный путь (R) может мешать прямому пути (D) в явлении, называемом замиранием. Поскольку процесс сжатия синхронизируется с сигналом D, сигнал R отклоняется, даже если он содержит тот же ключ. Доступны методы использования сигналов отраженного пути путем их сжатия и добавления извлеченных результатов к основному.

Расширенный спектр позволяет CDMA

Обратите внимание, что расширенный спектр не является схемой модуляции, и его не следует путать с другими типами модуляции.Например, можно использовать методы расширения спектра для передачи сигнала, модулированного с помощью FSK или BPSK. Благодаря основе кодирования расширенный спектр также может использоваться в качестве другого метода для реализации множественного доступа (т. Е. Реального или очевидного сосуществования множества одновременных каналов связи на одной и той же физической среде). Пока доступны три основных метода.

FDMA — множественный доступ с частотным разделением каналов
FDMA выделяет конкретную несущую частоту для канала связи.Количество различных пользователей ограничено количеством «срезов» в частотном спектре (, рис. 8, ). Из трех методов обеспечения множественного доступа FDMA является наименее эффективным с точки зрения использования полосы частот. Методы доступа FDMA включают радиовещание, телевидение, AMPS и TETRAPOLE.

Рисунок 8. Распределение несущей частоты между различными пользователями в системе FDMA.

TDMA — множественный доступ с временным разделением каналов
При использовании TDMA разные пользователи говорят и слушают друг друга в соответствии с определенным распределением временных интервалов (, рис. 9, ).Затем могут быть установлены разные каналы связи для уникальной несущей частоты. Примерами TDMA являются GSM, DECT, TETRA и IS-136.

Рисунок 9. Распределение временных интервалов между различными пользователями в системе TDMA.

CDMA — множественный доступ с кодовым разделением каналов
Доступ CDMA к эфиру определяется с помощью ключа или кода (, рис.Модуляция dsss: Территория Хобби 10, ). В этом смысле расширенный спектр — это доступ CDMA. Ключ должен быть определен и известен заранее на концах передатчика и приемника.Растущие примеры — IS-95 (DS), IS-98, Bluetooth и WLAN.

Рис. 10. Системы CDMA получают доступ к одной и той же полосе частот с уникальными ключами или кодами.

Вышеупомянутые методы доступа, конечно, можно комбинировать. GSM, например, объединяет TDMA и FDMA. GSM определяет топологические области (соты) с разными несущими частотами и устанавливает временные интервалы в каждой соте.

Расширенный спектр и (де) кодирование «Ключей»

На этом этапе стоит повторить, что основной характеристикой расширенного спектра является наличие кода или ключа, которые должны быть заранее известны передатчику и приемнику (-ам).В современных средствах связи коды представляют собой цифровые последовательности, которые должны быть как можно более длинными и случайными, чтобы казаться как можно более «похожими на шум». Но в любом случае коды должны оставаться воспроизводимыми, иначе получатель не сможет извлечь отправленное сообщение. Таким образом, последовательность «почти случайна». Такой код называется псевдослучайным числом (PRN) или последовательностью. Наиболее часто используемый метод генерации псевдослучайных кодов основан на регистре сдвига с обратной связью.

Один из примеров PRN показан на рис. 11 .Регистр сдвига содержит восемь триггеров данных (FF). По переднему фронту тактового сигнала содержимое сдвигового регистра сдвигается на один бит влево. Данные, синхронизируемые FF1, зависят от содержимого, возвращаемого от FF8 и FF7. PRN считывается из FF8. Содержимое FF сбрасывается в начале каждой длины последовательности.

Рисунок 11. Блок-схема образца генератора PRN.

Существует множество книг по генерации PRN и их характеристикам, но эта разработка выходит за рамки этого базового руководства.Просто обратите внимание, что построение или выбор правильных последовательностей или наборов последовательностей нетривиально.Модуляция dsss: Территория Хобби Чтобы гарантировать эффективную связь с расширенным спектром, последовательности PRN должны соответствовать определенным правилам, таким как длина, автокорреляция, взаимная корреляция, ортогональность и балансировка битов. У наиболее популярных последовательностей PRN есть имена: Баркер, M-последовательность, Голд, Адамара-Уолша и т. Д. Имейте в виду, что более сложный набор последовательностей обеспечивает более надежную связь с расширенным спектром. Но за это приходится платить: более сложная электроника как по скорости, так и по поведению, в основном для операций сжатия расширенного спектра.Чисто цифровые микросхемы сжатия с расширенным спектром могут содержать более нескольких миллионов эквивалентных вентилей NAND с 2 входами, коммутируемых на нескольких десятках мегагерц.

Различные методы расширения спектра модуляции для расширенного спектра

Различные методы расширения спектра различаются в зависимости от точки в системе, в которой PRN вставляется в канал связи. Это очень в общих чертах проиллюстрировано на схеме внешнего интерфейса RF на Рис. 12 .

Рисунок 12.На разных этапах цепочки передачи применяется несколько методов расширения.

Если PRN вставлен на уровне данных, это форма прямой последовательности с расширенным спектром (DSSS). (На практике псевдослучайная последовательность смешивается или умножается с информационным сигналом, создавая впечатление, что исходный поток данных был «хеширован» PRN.) Если PRN действует на уровне несущей частоты, это частота -переходящая форма расширенного спектра (FHSS). Применяемые на этапе LO, коды PRN FHSS заставляют несущую изменяться или «скачкообразно скачивать» в соответствии с псевдослучайной последовательностью.Если PRN действует как вентиль включения / выключения для передаваемого сигнала, это метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой времени (THSS). Существует также метод «чирпирования», который линейно изменяет несущую частоту во времени.

Можно смешать все вышеперечисленные методы, чтобы сформировать гибридный метод расширения спектра, такой как DSSS + FHSS.Модуляция dsss: Территория Хобби DSSS и FHSS — два наиболее используемых сегодня метода.

Расширенный спектр прямой последовательности (DSSS)
При использовании метода DSSS PRN применяется непосредственно к данным, поступающим в модулятор несущей.Модулятор, следовательно, видит гораздо большую скорость передачи битов, которая соответствует скорости передачи чипов последовательности PRN. Модуляция РЧ несущей такой кодовой последовательностью дает модулированный прямой последовательностью расширенный спектр с частотным спектром ((sin x) / x) ² с центром на несущей частоте.

Главный лепесток этого спектра (от нуля до нуля) имеет полосу пропускания, вдвое превышающую тактовую частоту модулирующего кода, а боковые лепестки имеют пропускную способность от нуля до нуля, равную тактовой частоте кода. Проиллюстрировано на Рис. 13 — это наиболее распространенный тип сигнала с расширенным спектром, модулированный прямой последовательностью.Спектры прямой последовательности несколько различаются по форме спектра в зависимости от используемой фактической несущей и используемой модуляции данных. Ниже представлен сигнал с двоичной фазовой манипуляцией (BPSK), который является наиболее распространенным типом модуляции, используемым в системах с прямой последовательностью.

Рисунок 13. Фотография спектроанализатора сигнала DSSS. Обратите внимание, что исходный сигнал (нерасширенный) занимал бы только половину центрального лепестка.

Расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS)
Метод FHSS выполняет именно то, что подразумевает его название — он заставляет несущую скачкообразно переключаться с частоты на частоту в широком диапазоне в соответствии с последовательностью, определенной PRN.Скорость, с которой выполняются скачки, зависит от скорости передачи исходной информации. Однако можно различать быструю скачкообразную перестройку частоты (FFHSS) и низкую скачкообразную перестройку частоты (LFHSS). Последний метод, наиболее распространенный, позволяет нескольким последовательным битам данных модулировать одну и ту же частоту.Модуляция dsss: Территория Хобби FFHSS характеризуется несколькими скачками в каждом бите данных.

Спектр передачи сигнала со скачкообразной перестройкой частоты сильно отличается от спектра системы с прямой последовательностью. Вместо огибающей формы ((sin x) / x) ², выходной сигнал скачкообразной перестройки частоты является плоским в используемом диапазоне частот (см. , рис. 14, ).Полоса пропускания сигнала со скачкообразной перестройкой частоты просто в N раз больше количества доступных частотных интервалов, где N — ширина полосы каждого скачкообразного канала.

Рисунок 14. Фотография спектроанализатора сигнала FHSS.

Расширенный спектр со скачкообразной перестройкой времени (THSS)

Рис. 15. Блок-схема THSS.

Рисунок 15 иллюстрирует THSS, метод, который сегодня недостаточно развит. Здесь последовательности включения и выключения, применяемые к PA, продиктованы в соответствии с последовательностью PRN.

Реализации и выводы

Полная линия связи с расширенным спектром требует различных передовых и современных технологий и дисциплин: радиочастотная антенна, мощный и эффективный усилитель мощности, малошумящий и высоколинейный МШУ, компактные трансиверы, АЦП и ЦАП с высоким разрешением, быстродействующие маломощная цифровая обработка сигналов (DSP) и т. д. Хотя разработчики и производители конкурируют друг с другом, они также объединяются в своих усилиях по внедрению систем с расширенным спектром.

Самая трудная область — это путь приемника, особенно на уровне сжатия для DSSS, поскольку приемник должен уметь распознавать сообщение и синхронизироваться с ним в реальном времени.Операция распознавания кода также называется корреляцией. Поскольку корреляция выполняется на уровне цифрового формата, задачи в основном представляют собой сложные арифметические вычисления, включая быстрое, высокопараллельное двоичное сложение и умножение.

Самым сложным аспектом современной конструкции приемника является синхронизация.Модуляция dsss: Территория Хобби На разработку и улучшение методов синхронизации было потрачено больше времени, усилий, исследований и денег, чем на любой другой аспект связи с расширенным спектром.Несколько методов могут решить проблему синхронизации, и многие из них требуют для реализации большого количества дискретных компонентов. Возможно, самый большой прорыв произошел в DSP и специализированных интегральных схемах (ASIC). DSP предоставляет высокоскоростные математические функции, которые анализируют, синхронизируют и декоррелируют сигнал с расширенным спектром после его разделения на множество мелких частей. Микросхемы ASIC снижают затраты благодаря технологии СБИС и созданию общих строительных блоков, подходящих для любого типа приложений.

% PDF-1.4
%
548 0 объект
>
эндобдж
xref
548 78
0000000016 00000 н.
0000001929 00000 н.
0000002141 00000 п.
0000002296 00000 н.
0000002360 00000 п.
0000002391 00000 н.
0000002448 00000 н.
0000003731 00000 н.
0000004899 00000 н.
0000005169 00000 п.
0000005236 00000 п.
0000005332 00000 н.
0000005477 00000 н.
0000005590 00000 н.
0000005712 00000 н.
0000005864 00000 н.
0000005977 00000 н.
0000006064 00000 н.
0000006172 00000 н.
0000006282 00000 н.
0000006392 00000 н.
0000006547 00000 н.
0000006659 00000 н.
0000006768 00000 н.
0000006876 00000 н.
0000007008 00000 н.
0000007117 00000 н.
0000007213 00000 н.
0000007308 00000 н.
0000007402 00000 н.
0000007496 00000 н.
0000007590 00000 н.
0000007685 00000 н.
0000007780 00000 н.
0000007875 00000 н.
0000007970 00000 п.
0000008065 00000 н.
0000008160 00000 н.
0000008255 00000 н.
0000008350 00000 н.
0000008445 00000 н.
0000008540 00000 н.
0000008635 00000 н.
0000008730 00000 н.
0000008825 00000 н.
0000009032 00000 н.
0000009596 00000 н.
0000009956 00000 н.
0000010011 00000 п.
0000010701 00000 п.
0000011327 00000 п.
0000011877 00000 п.
0000012341 00000 п.Модуляция dsss: Территория Хобби
0000012363 00000 п.
0000013201 00000 п.
0000013223 00000 п.
0000014023 00000 п.
0000014045 00000 п.
0000014836 00000 п.
0000014858 00000 п.
0000015649 00000 п.
0000015671 00000 п.
0000016458 00000 п.
0000016480 00000 п.
0000017335 00000 п.
0000017357 00000 п.
0000018083 00000 п.
0000018105 00000 п.
0000018531 00000 п.
0000019215 00000 п.
0000019332 00000 п.
0000022949 00000 п.
0000026132 00000 п.
0000034268 00000 п.
0000034416 00000 п.
0000034846 00000 п.
0000003772 00000 н.
0000004877 00000 н.
трейлер
]
>>
startxref
0
%% EOF

549 0 объект
>
эндобдж
550 0 объект
Rg դ Ű)
/ U (ږ S7: TEj \ r \ n \) ϔ1Fn)
/ П-44
/ V 1
/ Длина 40
>>
эндобдж
551 0 объект
>
эндобдж
552 0 объект
[
553 0 руб.
]
эндобдж
553 0 объект
>
/ Ж 574 0 Р
>>
эндобдж
554 0 объект
>
/ K [161 0 R]
>>
эндобдж
555 0 объект
>
эндобдж
624 0 объект
>
транслировать
5H0Y? #H (- ލ {tY3XSG ֥ Обод
Z, | YQvJ ‘
ד` C * gSu) E Wˌ] v

Типы / классификации методов модуляции с расширенным спектром Примечания

Простая система DSSS описана ниже:

1.Передатчик DSSS

Где,

d (t) — биты входных данных

c (t) — это кодовые биты

x (t) — сигнал с преобразованием частоты, готовый к передаче.

Примечание о том, почему требуется преобразование частоты для
радиопередача: основная полоса и очень низкие частоты
чувствителен к сильному затуханию во время передачи. Кроме того,
представьте, что каждый передатчик передает в основной полосе частот.Практически невозможно каждому передать в базе
полосы частот (частота основной полосы — это частотный спектр
который занят немодулированными сигналами). Следовательно, повышающее преобразование
частоты обычно выполняется в соответствии с передачей
требования.

В передатчике DSSS генератор кода является псевдослучайным
генератор, который генерирует известную последовательность псевдошумового кода.
Обычно код имеет конечную длину (скажем, 1024 чипа) и повторяется.
периодически.Обсуждаются требования к хорошему PN-коду.Модуляция dsss: Территория Хобби
в следующем разделе.

Шлюз XOR может использоваться для расширения битов данных. В
ввод, код и результирующий вывод отображаются на рисунке.
ниже:

На рисунке, показанном выше, каждый бит данных закодирован с помощью 8
чипсы. На практике это было бы намного выше, порядка
1024 или даже больше. Чем больше количество чипов на бит, тем выше
будет выгода от обработки. Прирост обработки определен ниже:

Усиление обработки: один важный параметр приемника DS SS
— выигрыш от обработки.Рассмотрим скорость передачи данных 10 Кбит / с, и
Чип скорость 1 Мбит / с. Выигрыш при обработке равен 10 log [rc / rb],
где rc — чиповая скорость, а rb — скорость передачи данных. Для чипа
скорость 1 Мбит / с и скорость передачи данных 1 Кбит / с, выигрыш при обработке
составляет 10log [1000] или 30 дБ. Прирост обработки является мерой
невосприимчивость к шумам и помехам. Выше обработка
усиление, более широкополосный разброс сигналов.

Более высокий коэффициент обработки приводит к большей невосприимчивости к шуму,
и мешающие сигналы.

После распространения сигналы не конвертируются и передаются.

2. приемник DSSS

Упрощенная блок-схема приемника DS SS показана ниже.

Он состоит из генератора PN, который питает согласующий чип.
последовательность в вентиль XOR для воспроизведения исходной битовой последовательности.
Генератор PN управляется сигналом ошибки с выхода
LPF, так что синхронизация чипа регулируется для получения максимального
порог сигнала.Обычно сбор данных выполняется
через двухэтапный процесс. Первый — это приобретение, а
во-вторых, отслеживание. Приобретение означает приобретение чипа.
синхронизация полученных сигналов. Это может быть дополнительно разделено
в приобретение курса, и прекрасное приобретение. Эти два дифференцированы
по величине регулировки синхронизации чипа. После приобретения
достигнуто, то полученные сигналы должны отслеживаться должным образом.
В противном случае вы можете потерять блокировку, что приведет к потере данных.
биты.Как и в обычном приемнике, напряжение ошибки
на выходе ФНЧ (или интегратора) обеспечивает необходимый
поправка к генератору PN.

3. Псевдошум
Коды (PN-коды) PN-коды, используемые для DSSS, требуют
некоторые математические свойства

1. Последовательности максимальной длины: это PN-последовательности, которые
повторять каждые 2 n -1, где n — целое число. Эти
последовательности могут быть реализованы с использованием регистров сдвига. ПШ последовательности
должен обладать хорошими корреляционными свойствами.Две такие последовательности
Коды Баркера и Коды Уилларда.

2. Максимальная автокорреляция: когда полученный сигнал
смешанный с локально сгенерированной последовательностью PN, это должно привести к
максимальная мощность сигнала в точке синхронизации.

3. Минимальная взаимная корреляция: когда полученный сигнал с
ПШ последовательность, отличная от последовательности приемника, смешивается
с локально сгенерированной последовательностью PN, это должно приводить к минимуму
сила сигнала.Это позволит приемнику DSSS получать
только сигнал, соответствующий PN-коду. Это свойство известно
как ортогональность последовательностей PN.

б. Система со скачкообразной перестройкой частоты (FH) SS

Здесь переданный сигнал отображается как несущая с модулированными данными.
который перескакивает с одной частоты на другую, и, следовательно,
это называется расширенным спектром со скачкообразной перестройкой частоты (FH-SS). Системы FH
работать, управляя синтезатором частот псевдослучайной последовательностью
чисел, которые приводят к скачкообразному изменению синтезатора
частоты в разных точках, и, таким образом, достигается разброс сигнала.
На стороне приемника работает тот же принцип. Синтезатор
управляется соответствующим кодом для достижения максимального порогового обнаружения
полученных сигналов.

Упрощенная блок-схема системы FH SS показана ниже:

1.FH-SS Преобразователь

Передатчик состоит из модулятора основной полосы частот, за которым следует
синтезатором частот. Синтезатор частот приводится в действие
генератором PN. Генератор PN может быть встроен в
синтезатор.

2.FH-SS Приемник

Приемник FH-SS состоит из понижающего преобразователя, за которым следует
демодулятор. Синтезатор, управляемый соответствующим генератором PN
используется для преобразования полученных сигналов с понижением частоты. Получен миксимум
порог сигнала означает блокировку.

г.
Системы со скачкообразной перестройкой времени (TH) SS

Скачкообразная перестройка времени не используется в качестве частоты, как DSSS и FHSS. Время
Переход для распространения несущей достигается случайным интервалом
узкие передаваемые импульсы.

Коэффициент кратности определяется по формуле:

Коэффициент кратности = (средний интервал между импульсами) / (ширина импульса).

d. Восстановление сигналов с расширенным спектром: важные временные сигналы

Во всех случаях приемников SS, точное восстановление переданных
сигналы требуют следующее:

а. Синхронизация интервала корреляции: биты приема
достигается за счет правильной синхронизации коррелятора (или интегратора). Правильный
время запуска / остановки коррелятора необходимо для минимизации
полученные битовые ошибки.

г. Синхронизация генератора SS: требуются синхронизирующие сигналы
для управления сигналами генератора формы волны SS. Прямая последовательность
системы используют тиканье часов со скоростью чипа 1 / т c ,
и системы FH имеют часы, работающие со скоростью скачка 1 / т ч .

г. Синхронизация несущей: точное воспроизведение
передаваемые сигналы в полосу частот модулирующего сигнала требуют преобразования с понижением частоты, и
демодуляция. Этого можно добиться, только если локально сгенерированные
частота и фаза синхронизированы с принятой несущей частотой.


Множественный доступ с временным и частотным расширением спектра модуляции

В этой статье предлагается новая схема модуляции, называемая множественным доступом с чередованием несущей (CIMA). CIMA предоставляет альтернативу модуляции множественного доступа, обеспечивающую устойчивость к шуму и помехам в канале. Подход основан на полярной передаче сигналов, модулированной с помощью составной синусоидальной функции, подобной ЧМ. Назначенные пользователем отклонение частоты и индекс модуляции строго связаны и уникальны.Последние параметры генерируются с помощью нетрадиционного генератора псевдослучайного шума (PRNG). Этот ГПСЧ обеспечивает CIMA низкую интерференционную способность между соканалами и соседними каналами. CIMA можно рассматривать как однопользовательский или множественный доступ. Представлены избранные характеристики CIMA. Чтобы численно проиллюстрировать эффективность предложенной схемы модуляции, производительность CIMA сравнивается с традиционной модуляцией с двоичной фазовой манипуляцией с расширенным спектром прямой последовательности (DSSS-BPSK).

1. Введение

Беспроводная связь соединяет больше устройств, чем людей, и эта тенденция только усиливается в обоих местах. Количество подключенных устройств на человека выросло до 1,84 в 2010 году [1], и ожидается, что к 2020 году у нас будет семь триллионов устройств, подключенных по беспроводной сети [2]. За последние десять лет смартфоны и планшетные ПК привели к значительному увеличению количества устройств, подключенных к Интернету. Однако другие перспективные беспроводные приложения, такие как связь между транспортными средствами, приложения, основанные на использовании радиочастотной идентификации (RFID), беспроводные электрические счетчики и другие приложения, которые еще не предусмотрены, могут развиваться.Следовательно, желательно активизировать исследования различных и новых схем беспроводной связи, связанных с различными приложениями. Общими характеристиками систем беспроводной связи остаются спектральная эффективность, безопасность и устойчивость к помехам.

Методы расширения спектра используются для безопасной связи, повышения устойчивости к помехам, шуму и помехам. Различные методы расширения спектра включают в себя расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS), расширенный спектр с прямой последовательностью (DSSS), расширенный спектр со скачкообразной перестройкой по времени (THSS), расширенный спектр с частотной модуляцией (CSS) и в некоторых случаях комбинации этих форм.Например, в CDMA с прямой последовательностью с несколькими несущими (MC-DS-CDMA) используется временное и частотное расширение [3]; к системе с расширенным спектром применяется также теория уменьшения решетки и вспомогательное обнаружение множества пользователей, что приводит к подавлению эффекта ближнего и дальнего света [4]. В традиционной системе с расширенным спектром используются генераторы псевдошумового (PN) кода, в то время как в других схемах используются недетерминированные коды расширения, генерируемые из случайного потока входных данных, такого как самокодируемый расширенный спектр (SESS) [5].

Сверхширокополосный (UWB) — еще один метод модуляции [6], который обладает характеристиками, аналогичными расширенному спектру.Он основан на передаче коротких импульсов и применяется для беспроводной связи малого радиуса действия. Для повышения производительности в СШП-системы были внедрены методы DSSS [7]. Другой метод — это хаотическая связь, в которой шумоподобный, апериодический, хаотический сигнал используется для модуляции информационного сигнала. Были предложены различные методы модуляции хаоса (см., Например, [8, 9] и ссылки в них). В дифференциальной хаос-сдвиговой манипуляции (DCSK) для повышения скорости передачи данных и энергоэффективности системы интегрирована индексная модуляция, такая как индекс перестановки DCSK (PI-DCSK) [10] и индекс кода коммутации DCSK (CCI-DCSK) [11].Недавно для систем с расширенным спектром была предложена модуляция кодового индекса (CIM) [12]. В CIM индексы кодов расширения используются вместе с совокупностью символов для отображения битов. Последняя схема направлена ​​на достижение высокой скорости передачи данных без ущерба для сложности системы и требований к энергии. В некогерентных системах с расширенным спектром с несколькими несущими опорный сигнал отправляется один раз для нескольких параллельных битов, что дает значительную экономию энергии и более высокую спектральную эффективность по сравнению с другими системами DSCK.Другие методы, использующие эффективные методы кодирования, нацеленные на снижение затрат на энергию, то есть затраты на память и обработку, в стандартных системах связи с расширенным спектром (SS) [13]. Непрерывная фазовая модуляция в сочетании с DSSS предложена в [14] и дополнительно исследована в [15–18]. Недавно индексная модуляция была применена к схеме, основанной на когерентном хаосе, где начальные условия хаотической последовательности используются в качестве нового измерения для отображения информации и переноса дополнительных битов [19]. Все предложенные выше методы модуляции обладают рядом уникальных особенностей.

В стороне от методов расширения спектра, относительно новая пространственная манипуляция (SSK), которая широко применяется для систем с множеством входов и множеством выходов (MIMO), считается сильным кандидатом для систем беспроводной связи следующего поколения [20 ]. То же самое относится к мультиплексированию с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), которое считается лучшим в модуляции с несколькими несущими, а также широко используется в широкополосных системах и системах MIMO [21]. Однако OFDM с несколькими несущими и даже OFDM с одной несущей имеют некоторые недостатки [21].Например, из-за утечки БПФ OFDM более чувствительно к сдвигу и дрейфу несущей частоты, чем системы с одной несущей, к необходимости высокого отношения пиковой мощности к средней [22] и чувствительности из-за пространственной корреляции каналов. В [23] предлагается схема модуляции частотного индекса для уменьшения отношения пиковой и средней мощности систем OFDM без ущерба для скорости передачи данных.

Обычно псевдослучайные последовательности, используемые в системах связи, — это последовательности максимальной длины [24], код Мерсенна Твистера, последовательности Уолша и коды Голда [25], коды Касами [26] и коды Баркера [27].Для повышения спектральной эффективности в системах MIMO используются пространственно-временные блочные коды [28, 29] и пространственно-временные решетчатые коды. Однако ни одна из систем связи не использует нетрадиционный генератор псевдослучайного шума (ГПСЧ), предложенный в [30]. Последний основан на линейной комбинации составных синусоидальных сигналов с непрерывным временем. Ключевые параметры желаемых сигналов легко конструируются путем выбора набора простых чисел с границами в зависимости от типичных требований ГПСЧ [30].Ключевые характеристики ГПСЧ следующие: период сигнала может быть произвольно большим, не менее 98% общей средней мощности сигнала содержится в желаемой полосе частот, желаемая полоса пропускания может быть выбрана произвольно, а перекрестная -корреляция между любой парой генерируемых сигналов может быть сделана сколь угодно малой. Это дает ответ на вопросы о межканальных помехах, поднятые многими исследователями методов расширения спектра, такими как FHSS [31].

В этой статье предлагается новая схема модуляции, названная CIMA.В DSSS существует быстрый фазовый сдвиг на 180 ° через заранее заданную последовательность, известную как приемнику, так и передатчику. В FHSS происходит быстрое переключение сигнала на разные частоты. Набор частот также известен как приемнику, так и передатчику. В CIMA вместо дискретного фазового или частотного сдвига, такого как DSSS или FHSS, у нас есть изменение как фазы, так и частоты в форме предопределенной составной синусоидальной функции, известной как приемнику, так и передатчику.Модулятор CIMA формируется путем умножения биполярного цифрового сигнала сообщения на, где каждый сигнал сообщения связан с уникальной парой сигнатур. Выбор и является ключом к подавлению межканальных помех, которые являются важной причиной ухудшения качества сигнала и ограничения пропускной способности в беспроводная мобильная телефония и другие приложения. Предлагаемый в [30] ГПСЧ используется для генерации разных пар. Каждая пара строго коррелирована, и все разные пары сделаны слабо коррелированными, но в равной степени ограничены полосой пропускания.

Предлагаемый метод может использоваться как однопользовательский или как метод множественного доступа. Из-за сложной синусоидальной функции, используемой в модуляторе, функции sinc, соответствующие полярной передаче сигналов, распределяются по несущей в том же канале с частотным разделением. В приложении множественного доступа каждому пользователю назначается другой. Следовательно, все функции sinc, связанные с разными пользователями, разделены разными значениями, которые все расположены вокруг несущей в одном и том же канале, а мгновенная частота сигнала CIMA задается выражением .Этот тип спектрального перемежения вокруг несущей дает терминологию «множественный доступ с перемежением несущей». CIMA стремится исключить влияние соседних и соканальных помех.

Аналитически представлены характеристики предложенной схемы модуляции, включая анализ полосы пропускания, коэффициент ошибок по битам (BER) из-за шума канала, а также помехи между каналом и соседним каналом. Численное моделирование исследует производительность предложенной схемы по сравнению с DSSS-BPSK при рассмотрении более сложной модели канала.

Остальная часть этого документа организована следующим образом. В разделе 2 описывается предлагаемая система CIMA и используемый ГПСЧ, а также представлены соответствующие параметры и новые характеристики ГПСЧ. Раздел 3 содержит аналитический анализ характеристик CIMA. Раздел 4 включает сравнительное исследование со схемой DSSS-BPSK, основанное на численном моделировании, и, наконец, Раздел 5 содержит выводы и будущую работу.

2. Предлагаемая модель системы

В этом разделе мы представляем основы модуляции и демодуляции CIMA и применяемый алгоритм ГПСЧ и устанавливаем некоторые предварительные новые результаты, относящиеся к используемому ГПСЧ.

2.1. Системный передатчик и приемник

Предполагается, что на стороне передатчика сигнал сообщения находится в форме полярной цифровой сигнализации с битовой скоростью, где и — время, необходимое для отправки 1 бита данных. Предлагаемый модулятор имеет следующую форму: где — количество нескольких пользователей, — несущая частота, и — два параметра, которые выбираются в соответствии с алгоритмом ГПСЧ [30] и представляют собой любое ненулевое действительное число, включенное для указания уровня мощности. .

Важно отметить, что (1) чем-то похож на DSSS и FHSS. В отличие от FHSS, где передаваемый сигнал быстро переключает свою несущую между многими частотными каналами в пределах полосы пропускания, CIMA (1) непрерывно расширяет свой сигнал в соответствии с PRNG, представленным в [30]. CIMA делает результирующий широкополосный сигнал как шумовой. Дело в том, что конкретное расширение, связанное с сигналом ГПСЧ, дает гораздо больше свободы, чем традиционные методы расширения спектра.

Аналоговая платформа для генерации составного синусоидального сигнала показана в пунктирной рамке на рисунке 1. Константа — это фазовая чувствительность фазового модулятора (PM). На рисунке 1 представлена ​​одна платформа для приемника CIMA. Передатчик состоит из умножителя, который умножает полярный сигнал данных на тот же составной синусоидальный сигнал, который используется в приемнике, где предполагается, что параметры и известны как приемнику, так и передатчику.

Замечания по реализации генерации сигналов PRNG [30]: В зависимости от конкретного приложения пользователь должен выбрать соответствующую платформу.Например, если предполагается численное моделирование (например, моделирование методом Монте-Карло), то платформа на базе ПК может использоваться не в режиме реального времени. Однако для приложений реального времени выбор платформы становится важным. Например, если ГПСЧ предназначен для использования в аналоговой платформе, то сигнал ГПСЧ может быть сгенерирован с помощью генератора, управляемого напряжением. Однако для цифровых приложений реального времени можно рассмотреть платформу DSP с умеренным объемом памяти. Однако в случае больших приложений платформа FPGA может иметь преимущество перед платформой DSP из-за ее превосходства в обработке выполнения параллельной обработки.Ограничение зависит от размера,,, скорости процессора и архитектуры процессора. Сложность предлагаемого алгоритма становится. То есть у нас есть линейный алгоритм с производительностью c × n, где c — стоимость одного прогона, а — размер входных данных.

2.2. Алгоритм ГПСЧ

В этом разделе представлен частный случай алгоритма ГПСЧ, предложенного в [30], который используется CIMA. Он также устанавливает результаты, которые необходимы для изучения некоторых характеристик предлагаемой схемы модуляции.

Сигнал ГПСЧ, представленный в [27], задается следующим образом: где — количество возможных сгенерированных сигналов, а — количество составных синусоидальных сигналов. Важно отметить, что по мере увеличения период сигнала PRNG становится больше, а его спектр становится более плоским в пределах полосы пропускания с центром в. Большее значение предназначено для применения полосных помех. Следовательно, в этой статье мы рассматриваем частный случай (2) с, и полагаем, для всех j. Поэтому мы опускаем индекс в уравнении, чтобы получить немодулированный сигнал CIMA, представленный в следующей форме: Спектральная плотность мощности (PSD) дается формулой [28]: где представляет функцию Бесселя первого вида порядка и аргумент .Несущая частота равна односторонней ширине полосы немодулированного сигнала, где по крайней мере 98% общей средней мощности каждого сигнала содержится в полосе пропускания. Параметры (слабая корреляция между парами () проиллюстрирована в следствии 1 и теореме 1 из [30]) предлагаемого ГПСЧ строятся следующим образом [30]: Или, где — положительное действительное число, которое зависит от и является любым простое число такое, что (1) для всех (2) для всех (3) (4)

Чтобы гарантировать это, B должен быть значительно больше, что приводит к.

В зависимости от верхней и нижней границы предложенный алгоритм может генерировать L непрерывных сигналов соканальных каналов,,. С тех пор установка гарантий. Когда заметно больше единицы, то верхняя граница гарантирует, что по крайней мере 98% общей средней мощности каждого сигнала содержится в полосе пропускания. Так как полоса пропускания намного больше, мы называем ее шириной полосы пропускания.

Далее мы вводим два параметра, относящихся к CIMA, которые напрямую связаны с шириной полосы B расширения и количеством сигналов.Мы выражаем через битрейт; в частности, где, и мы выражаем через и, где. Фактически, он рассматривается как коэффициент расширения спектра, а для спектральной эффективности. Значение уточняется в (11).

В следующем разделе мы покажем, что полоса пропускания от нуля до нуля. Например, если и, то 130 сигналов CIMA могут совместно использовать общий канал с полосой пропускания, равной 102R.

Замечание 1. В приложениях с множественным доступом предложенной схемы модуляции указывается желаемое количество одновременных сигналов.Предложение A.2 (см. Приложение) указывает, что увеличивается тогда и только тогда, когда увеличивается. Однако, поскольку неясно, как получить содержательную аналитическую формулировку для функции соответствующих параметров, получается численно (см. Приложение).

Замечание 2. Интервал между двумя последовательными частотами определяется как Таким образом, увеличивается, увеличивается и уменьшается. На основе моделирования методом Монте-Карло, будучи упорядоченным набором возрастающих значений, получены следующие приближения: Кроме того, значительно увеличивается по мере увеличения.

Лемма 3. Для фиксированных значений и где и произведение равно положительной константе.

Доказательство леммы 3 приведено в Приложении вместе с другими новыми и актуальными результатами. Лемма 3 помогает установить основные характеристики, относящиеся к CIMA.

3. Характеристики CIMA

В этом разделе мы аналитически представляем PSD и полосу пропускания сигнала CIMA, спектральную эффективность и частоту ошибок по битам (BER) из-за шума канала. Кроме того, мы изучаем способность предложенной схемы подавления помех в совместном канале.

3.1. PSD, полоса пропускания и спектральная эффективность

Сначала выводится PSD сигнала CIMA. Рассмотрим и рассмотрим полярный невозвратный сигнал с нулевым возвратом (NRZ), обозначенный как полярный сигнал основной полосы частот, представленный, где.

Предполагается, что значения равновероятны, данные независимы, и, для простоты, возможные уровни для ’s равны ± 1. Модулированный сигнал. Можно показать, что СПМ задается как, а СПМ задается формулой. Следовательно, СПМ сигнала состоит из смещенных версий функций, взвешенных функциями Бесселя, следовательно, односторонний «нулевой-к- null », isWhen, then.Следовательно, канал с шириной полосы пропускания = может принимать разные сигналы. Обратите внимание, что в приведенном выше уравнении предполагается, что используемые данные не подвергаются предварительной фильтрации и имеют полярную форму NRZ. Если сигнал сообщения предварительно отфильтрован, например, с использованием фильтра Гаусса, ширина полосы, занимаемая сигналом, станет меньше, а производительность из-за помех по соседнему каналу (ACI) улучшится.

Спектральная эффективность определяется как, что приводит к

3.2. Частота ошибок по битам из-за шума канала

BER выводится для предложенной схемы из-за белого гауссовского шума канала.Выводы предполагают, что приемник основан на когерентном обнаружении, включающем умножитель и согласованный фильтр, как показано на рисунке 1. Кроме того, предполагается, что сигнал CIMA плюс белый гауссов шум (в эквивалентной полосе пропускания) присутствует на входе согласованный фильтр. PSD для эквивалентной полосы пропускания составляет

Поскольку схема CIMA основана на когерентном приеме, то можно показать, что вероятность ошибки (или BER) для приема согласованного фильтра с оптимальным порогом определяется выражением, где и — разность энергии сигнала на входе приемника.Поскольку для всех практических целей средняя энергия на бит становится равной Следовательно, BER равен, что аналогично BER, соответствующему BPSK.

3.3. Межканальная интерференция (CCI)

В дальнейшем коканальная интерференция предлагаемой системы CIMA с точки зрения ее способности частично отклонять другие сигналы соканального канала CIMA анализируется как во временной области, так и затем в частотной области.

Предположим, что количество сигналов соканала, где — количество ячеек в кластере, является положительным целым числом.В дальнейшем фазовый сдвиг не принимается во внимание, и согласованный фильтр настраивается для приема

анализа во временной области. Выходной сигнал согласованного фильтра в момент выборки определяется тем, где предполагается, что коэффициент пространственного ослабления для сигналов, связанных с M — 1 соседними ячейками, и = 1 для сигналов, принадлежащих домашней ячейке. Поскольку затем в конце каждого битового интервала выборки подаются в пороговое устройство с порогом 0 для создания двоичной формы сигнала. Следовательно, величина члена справа должна преобладать над вторым членом для хорошей производительности.

Так как и для и и для всех, то аргумент, соответствующий членам, может отражать различные большие углы и их положительные и отрицательные значения внутри. Интеграл каждого члена внутри становится ≪1 с положительными или отрицательными значениями. Сумма малых положительных и отрицательных величин станет значительно меньше, чем сумма их величин. Суммирование этих членов можно рассматривать как процесс случайного блуждания. Следовательно, по мере увеличения L ожидается ухудшение характеристик.

Анализ частотной области. Преобразование Фурье задается как часть приема согласованного фильтра, умножение в (13) подразумевает свертку их спектров в частотной области. Чтобы проиллюстрировать феномен подавления сигналов CCI, мы рассмотрим общие спектральные диапазоны, в частности, перекрытие основной части функций, возникающих в результате приема согласованного фильтра (13) в пределах полосы частот с сигналами совместного канала. Стоит отметить, что и те спектральные компоненты снаружи считаются незначительными.Есть два сценария, которые следует изучить, в частности, когда мы имеем (a) и / или (b) относительно малы по отношению к

для j k и для

Сценария (a). Связанная настройка подразумевает, что по крайней мере одна из функций «» в (15) будет полностью перекрываться, что приведет к CCI. То есть, если Since неприводимо, где — неотрицательное целое число, является простым числом, а We have Since является константой (лемма 3) и для всех значений, то может быть только равно нулю.

Следовательно, единственная общая спектральная составляющая внутри B может быть той, которая соответствует дискретной несущей, которая может быть уменьшена для больших значений (поскольку огибающая уменьшается) или около нулей.

Сценарий (б). Этот параметр подразумевает, что по крайней мере одна из «» функций (15) будет частично перекрываться, что также приводит к CCI. Подобно обсуждению в приведенном выше сценарии, мы считаем относительно малым по отношению к R, где — неотрицательное целое число, является простым числом, и мы рассматриваем наихудший сценарий, когда, поскольку.

Из (7) в Замечании 2, уменьшается по мере увеличения (или увеличения спектральной эффективности), что приводит к большему перекрытию спектральных полос или худшему BER из-за SIR.Кроме того, для фиксированного коэффициента расширения увеличивается по мере увеличения числа пользователей, что может ухудшить производительность.

Однако для относительно небольшого значения значительная перекрывающаяся полоса будет на несущей (Сценарий (a)), а некоторые другие могут частично перекрываться в зависимости от значения

Последний анализ показывает, что предлагаемая схема является приемлемой. способен значительно отклонять сигналы CCI.

4. Численное моделирование

В этом разделе исследуется производительность предложенной схемы с использованием численного моделирования.Производительность CIMA сравнивается с производительностью DSSS-BPSK, поскольку обе схемы допускают множественный доступ и требуют когерентного обнаружения. Сравнение основано на последовательной численной реализации при выборе соответствующих параметров. Важно отметить, что реализация основной полосы частот не совсем соответствует ожидаемым характеристикам основной полосы частот при использовании предложенной схемы. Причина этого несоответствия проиллюстрирована следующим простым примером: Если, то частотное разделение сигнала удваивается; е.г., период есть; однако период с.

Следовательно, подход полосы пропускания реализован для обеих схем. Несущая частота [Гц] во всех сценариях установлена ​​равной, а частота дискретизации [Гц] равна, где и — коэффициент расширения и скорость передачи данных как для CIMA, так и для DSSS-BPSK. Для единообразия мы выбираем период чипа, используемый в DSSS-BPSK, равным. ГПСЧ Mersenne Twister, который используется в качестве потока по умолчанию при запуске MATLAB и нескольких других программных систем, адаптирован для генерации кодов, связанных с DSSS-BPSK.Хотя это наиболее широко используемый PRNG [32], коды, сгенерированные Mersenne Twister, имеют конечные значения корреляции, отличные от нулевой задержки. MATLAB использовался для проведения всех симуляций.

Далее мы сначала исследуем PSD и полосу пропускания трех сигналов CIMA, чтобы дополнительно проиллюстрировать частотное перемежение, которое использует CIMA. Затем мы вычисляем BER из-за шума канала с учетом и без учета многолучевого распространения канала, а также коанальных помех (CCI) для CIMA и DSSS-BPSK.Было представлено несколько графиков, охватывающих все аспекты производительности CIMA путем изменения коэффициента расширения, спектральной эффективности и отношения сигнал / помеха (SIR) сигналов CCI. Все симуляции выполняются на сигналах полосы пропускания с битовой скоростью R = 20 бит / с и с и, как определено выше.

4.1. CIMA PSD и полоса пропускания

В этой части исследуются односторонний спектр и ширина полосы трех сигналов CIMA. Целью данного исследования является не оценка производительности предложенного алгоритма, а только проиллюстрировать соответствующую аналитическую работу, включая (10).

Используемый коэффициент расширения — это спектральная эффективность бит / сек / Гц. Согласно (10) в разделе 3, полоса пропускания от нуля до нуля = 2040 Гц ≈ 2000 Гц. и выбираются так, чтобы 2000 Гц, для j = 1, 2 или 3. Изучая рисунок 2, мы замечаем, что значительная мощность не наблюдается выше 1020 Гц, что подтверждает (10). Кроме того, как обсуждалось в разделе 3.3 (анализ частотной области), единственная полностью перекрывающаяся функция «» — это несущая (сценарий (a)), а некоторые другие частично перекрываются.Дыры в спектре возникают из-за использования относительно большого коэффициента расширения только для трех пользователей.

4.2. AWGN и канал с многолучевым замиранием

В этой части моделирования исследуются рабочие характеристики CIMA и DSSS-BPSK в присутствии канала аддитивного белого гауссовского шума (AWGN). Выполнено моделирование для одного и семи пользователей в условиях AWGN и многолучевого канала с замираниями. Коэффициент расширения α = 60 учитывается для обеих схем модуляции. Сравнение BER в AWGN без многолучевого канала для обеих схем показано на рисунке 3, где он находится в диапазоне от -1 до 9 дБ с шагом 1 дБ.Важно отметить, что однопользовательские CIMA и DSSS-BSPK работают аналогично BPSK. Для семи пользователей предложенный метод превосходит рассматриваемый DSSS-BPSK. Основываясь на численном моделировании, BER DSSS-BPSK с использованием ГПСЧ Mersenne Twister в присутствии AWGN (например, и) может быть точно аппроксимирован аналитической моделью DSSS-BPSK, которая дается формулой. Однако производительность DSSS-BPSK должна обычно зависит от ненулевой корреляции между случайными кодами расширения, генерируемыми ГПСЧ Mersenne Twister.

Чтобы дополнительно продемонстрировать потенциал предложенной схемы, моделирование в канале с многолучевым замиранием показано на рисунке 4. Четыре отвода с относительным усилением тракта 0 дБ, -3 дБ, -6 дБ и -9 дБ и для канала с многолучевым замиранием учитываются равномерно распределенные задержки случайного тракта между и 3, где — период элементарного сигнала DSSS-BPSK. Результаты на рисунке 4 показывают, что производительность CIMA и DSSS ухудшается в многолучевом канале, при этом CIMA по-прежнему работает аналогично DSSS в однопользовательском приложении и лучше с семью пользователями.

4.3. Межканальные помехи

Поскольку обе схемы допускают множественный доступ, важно оценить их производительность в зависимости от коэффициента расширения для определенного числа пользователей. Мы исследуем BER в зависимости от коэффициента расширения для фиксированного числа пользователей. Это означает, что по мере увеличения коэффициента расширения ширина полосы расширения увеличивается, и, следовательно, спектральная эффективность снижается. На рисунке 5 показан BER для различных коэффициентов расширения. Количество пользователей установлено на 10 для CIMA и DSSS.Коэффициент расширения варьируется от 10 до 60. Важно отметить, что произведение оставалось постоянным в случае CIMA, где L — количество пользователей, использующих один и тот же канал. На рисунке 5 показан BER для различных коэффициентов расширения. Как и ожидалось, производительность обеих схем улучшается по мере увеличения коэффициента расширения, поскольку ширина полосы расширения также увеличивается.

4.4. Спектральная эффективность

Мы сравниваем производительность CIMA с DSSS-BPSK с точки зрения спектральной эффективности.В отличие от предыдущего сценария, мы смотрим, как количество пользователей влияет на BER при фиксированном коэффициенте распространения. На рисунке 6 представлен BER при изменении значений γ, где,, и L — количество пользователей в диапазоне от 30 до 130. Мощность каждого источника помех в совместном канале составляет 50% от целевой мощности сигнала. Результирующий BER на рисунке 6 показывает, что производительность как CIMA, так и DSSS-BPSK ухудшается по мере увеличения спектральной эффективности, что ожидается, поскольку к каналу обращается больше пользователей.Из рисунка 6 прямо следует, что CIMA работает лучше, чем DSSS для всех спектральных эффективностей. Важно отметить, что BER, относящийся к CIMA при спектральной эффективности 130%, примерно в три раза меньше, чем соответствующий BER, связанный с DSSS-BPSK, что дополнительно подтверждает потенциал предложенной схемы.

4.5. Отношение сигнал / помеха

Производительность обеих схем для различных отношений сигнал / помеха (SIR) также оценивается при 100% спектральной эффективности.Отношение мощности передаваемого сигнала к полной мощности мешающих сигналов варьируется от -10 дБ до 0 дБ. Чтобы добиться таких вариаций SIR, мы искусственно изменяем передаваемую мощность пользователей, чтобы изменить соотношение мощностей между интересующим пользователем и другими пользователями. Полная мощность мешающего сигнала считается суммой мощностей отдельных источников помех. Для этой части моделирования учитываются коэффициент расширения 10 и количество пользователей 10. Кривые BER показаны на рисунке 7.Также очевидно, что CIMA работает лучше, чем DSSS-BPSK для всех SIR, с приемлемой производительностью на уровне -10 дБ и BER почти в 35 раз меньше, чем DSSS-BPSK при 0 дБ.

5. Заключение

В этой статье была предложена новая схема модуляции множественного доступа, в которой используется нетрадиционный ГПСЧ. Система обеспечивала возможность значительного подавления помех между каналом и соседним каналом. На основе численного моделирования было показано, что производительность CIMA в присутствии канального шума аналогична DSSS-BPSK с ортогональными кодами расширения.Кроме того, CIMA превосходит DSSS-BPSK с использованием ГПСЧ Mersenne Twister в случае многолучевой задержки с несколькими пользователями, CCI, спектральной эффективности и SIR. Эта работа открыла дверь для рассмотрения других схем модуляции с использованием нетрадиционного ГПСЧ, предложенного в [30]. Будущие работы могут включать использование фильтра Гаусса вместе с эквалайзером, интегрированным с CIMA, для уменьшения влияния межсимвольных помех, вызванных фильтром Гаусса на модулирующие данные. Использование соответствующего эквалайзера может еще больше улучшить производительность CIMA при наличии шума и межканальных помех.

Приложение

Далее мы представляем три предложения, которые помогают в установлении дополнительных характеристик, относящихся к CIMA.

Предложение A.1. Количество простых чисел, сгенерированных предлагаемым алгоритмом, равно

Доказательство. Доказательство может быть легко выведено из того факта, что количество простых чисел, меньших заданного числа, хорошо аппроксимируется логарифмическим интегралом смещения, данным

Предложение A.2. увеличивается тогда и только тогда, когда увеличивается.

Доказательство. Необходимое условие: Это можно проверить, учитывая следующее: Примечание
с.
Следовательно, с увеличением l увеличивается L.
Достаточное условие: Позвольте быть функцией, такой что. Поскольку является непрерывной (и дифференцируемой) функцией и строго возрастающей функцией в указанной области, то существует, где (L), и является непрерывной и строго возрастающей; следовательно, с увеличением l увеличивается.

Доказательство леммы 3. Доказательство проводится с использованием аргумента от противоречия.Основываясь на предложении A.1, можно представить как где и.
исправлен; Предположим, что существует, где, такое, что, однако, поскольку и, является строго возрастающей функцией. Следовательно, при, приводит к, что приводит к противоречию. Следовательно, произведение постоянное.

Следствие A.3. Предполагать ; then и BER не зависят от при фиксированных значениях и где и.

Доказательство. По лемме 3 произведение постоянно и не зависит от при фиксированных значениях и. Следовательно, нижняя и верхняя границы простых чисел не зависят от R; следовательно, это набор значений, не зависящих от.Поскольку это набор значений, не зависящих от. Рассматривать .
Следовательно, выходной сигнал соответствующего согласованного фильтра (14) дает, поскольку выход согласованного фильтра не зависит от R, как и выход приемника и, следовательно, BER.

Предлагаемый подход к генерации и

Входами кода, который генерирует разные пары, могут быть коэффициент расширения α, спектральная эффективность и скорость передачи R (и устанавливается на константу, например, = 1,2). Следовательно, ширина полосы пропускания становится равной.Пределы стать.

Чтобы найти достаточно большое значение l, соответствующее желаемому значению (желаемому количеству пользователей), рекомендуется начинать с 3 / R (чтобы гарантировать это) и продолжать увеличивать l (например, пока цикл) до тех пор, пока не будут сгенерированы L простых чисел.

Набор:, и.

Доступность данных

Данные могут быть легко получены с помощью модели, представленной в рукописи.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить г-на Мишеля Накузи за проведение полезного численного моделирования, имеющего отношение к CIMA, которое не показано в этой рукописи. Авторы также хотели бы поблагодарить анонимных рецензентов за полезные комментарии.

Что такое спектр распространения прямой последовательности (DSSS)?

Что означает спектр распространения прямой последовательности (DSSS)?

Спектр расширения с прямой последовательностью (DSSS) — это технология передачи, используемая при передаче по локальной беспроводной сети.В этой технологии сигнал данных на передающей станции комбинируется с последовательностью битов с высокой скоростью передачи данных, которая разделяет пользовательские данные на основе коэффициента расширения.

Преимуществами использования DSSS являются устойчивость к помехам, совместное использование отдельных каналов несколькими пользователями, меньший фоновый шум и относительная синхронизация между передатчиком и приемником.

Этот термин также известен как множественный доступ с кодовым разделением каналов прямой последовательности.

Techopedia объясняет спектр распространения прямой последовательности (DSSS)

DSSS — это метод модуляции с расширенным спектром, используемый для передачи цифрового сигнала по радиоволнам.Первоначально он был разработан для использования в военных целях и использовал трудно обнаруживаемые широкополосные сигналы, чтобы противостоять попыткам создания помех. Он также разрабатывается для коммерческих целей в локальных и беспроводных сетях.

Поток информации в DSSS делится на небольшие части, каждая из которых связана с частотным каналом по спектрам. Сигналы данных в точках передачи комбинируются с битовой последовательностью с более высокой скоростью передачи данных, которая разделяет данные на основе коэффициента расширения. Чип-код в DSSS — это избыточный битовый шаблон, связанный с каждым передаваемым битом.Это помогает повысить устойчивость сигнала к помехам. Если какие-либо биты повреждены во время передачи, исходные данные могут быть восстановлены из-за избыточности передачи.

Весь процесс выполняется путем умножения несущей радиочастоты и псевдошумового (PN) цифрового сигнала. Код PN модулируется в информационный сигнал с использованием нескольких методов модуляции, таких как квадратурная фазовая манипуляция (QPSK), двоичная фазовая манипуляция (BPSK) и т. Д. Затем дважды сбалансированный смеситель умножает модулированный PN информационный сигнал и RF. перевозчик.Таким образом, сигнал TF заменяется сигналом полосы пропускания, который имеет спектральный эквивалент шумового сигнала. Процесс демодуляции смешивает или умножает модулированную PN несущую волну с входящим RF-сигналом. В результате получается сигнал с максимальным значением при корреляции двух сигналов. Такой сигнал затем отправляется на демодулятор BPSK. Хотя эти сигналы кажутся зашумленными в частотной области, ширина полосы пропускания, обеспечиваемая кодом PN, позволяет мощности сигнала упасть ниже порога шума без какой-либо потери информации.

.