Методы модуляции с расширением спектра. Расширение спектра скачкообразной перестройкой частоты Расширение спектра скачкообразной перестройкой частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) - презентация. Лицензируемые или нелицензируемые частоты
Министерство транспорта Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
Волжская государственная академия водного транспорта
Кафедра информатики, систем управления и телекоммуникаций
Курсовая
работа по теме:
«Модуляция
с расширением спектра. Прямое расширение
спектра»
Выполнил
студент группы
Р-312
Аминов А.Р.
Проверил
Преображенский
А.В.
Н.Новгород
2009г.
Модуляция с расширением
спектра.
Повсеместное
распространение беспроводных сетей,
развитие инфраструктуры хот-спотов, появление
мобильных технологий со встроенным беспроводным
решением (Intel Centrino) привело к тому, что
конечные пользователи (не говоря уже
о корпоративных клиентах) стали обращать
все большее внимание на беспроводные
решения. Такие решения рассматриваются,
прежде всего, как средство развертывания
мобильных и стационарных беспроводных
локальных сетей и средство оперативного
доступа в Интернет. Однако конечный пользователь,
не являющийся сетевым администратором,
как правило, не слишком хорошо разбирается
в сетевых технологиях, поэтому ему трудно
сделать выбор при покупке беспроводного
решения, особенно учитывая многообразие
предлагаемых сегодня продуктов.
Бурное
развитие технологии беспроводной связи
привело к тому, что пользователи, не
успев привыкнуть к одному стандарту,
вынуждены переходить на другой, предлагающий
еще более высокие скорости передачи.
Речь, конечно же, идет о семействе протоколов
беспроводной связи, известном как IEEE
802.11, куда входят следующие протоколы:
802.11, 802.11b, 802.11b+, 802.11a, 802.11g. В последнее время
стали говорить и о расширении протокола
802.11g.
Различные
типы беспроводных сетей отличаются
друг от друга и радиусом действия,
и поддерживаемыми скоростями соединения,
и технологией кодирования данных.
Так, стандарт IEEE 802.11b предусматривает
максимальную скорость соединения 11 Мбит/с,
стандарт IEEE 802.11b+ - 22 Мбит/с, стандарты
IEEE 802.11g и 802.11a - 54 Мбит/с.
Будущее
стандарта 802.11a довольно туманно. Наверняка
в России и в Европе этот стандарт не
получит широкого распространения, да
и в США, где он сейчас используется, скорее
всего, в ближайшее время произойдет переход
на альтернативные стандарты. А вот новый
стандарт 802.11g имеет значительные шансы
завоевать признание во всем мире. Другое
преимущество нового стандарта 802.11g заключается
в том, что он полностью совместим со стандартами
802.11b и 802.11b+, то есть любое устройство,
поддерживающее стандарт 802.11g, будет работать
(правда, на меньших скоростях соединения)
и в сетях стандарта 802.11b/b+, а устройство,
поддерживающее стандарт 802.11b/b+ - в сетях
стандарта 802.11g, хотя и с меньшей скоростью
соединения.
Совместимость
стандартов 802.11g и 802.11b/b+ обусловлена, во-первых,
тем, что они предполагают использование
одного и того же частотного диапазона,
а во-вторых, что все режимы, предусмотренные
в протоколах 802.11b/b+, реализованы и в стандарте
802.11g. Поэтому стандарт 802.11b/b+ можно рассматривать
как подмножество стандарта 802.11g.
Физический
уровень протокола 802.11
Обзор
протоколов семейства 802.11b/g целесообразно
начать именно с протокола 802.11, который,
хотя уже и не встречается в
чистом виде, в то же время является
прародителем всех остальных протоколов.
В стандарте 802.11, как и во всех
остальных стандартах данного семейства,
предусмотрено использование частотного
диапазона от 2400 до 2483,5 МГц, то есть частотный
диапазон шириной 83,5 МГц, который, как
будет показано далее, разбит на несколько
частотных подканалов.
Технология
расширения спектра
В
основе всех беспроводных протоколов
семейства 802.11 лежит технология уширения
спектра (Spread Spectrum, SS). Данная технология
подразумевает, что первоначально узкополосный
(в смысле ширины спектра) полезный информационный
сигнал при передаче преобразуется таким
образом, что его спектр оказывается значительно
шире спектра первоначального сигнала.
То есть спектр сигнала как бы «размазывается»
по частотному диапазону. Одновременно
с уширением спектра сигнала происходит
и перераспределение спектральной энергетической
плотности сигнала - энергия сигнала
также «размазывается» по спектру. В результате
максимальная мощность преобразованного
сигнала оказывается значительно ниже
мощности исходного сигнала. При этом
уровень полезного информационного сигнала
может в буквальном смысле сравниваться
с уровнем естественного шума. В результате
сигнал становится, в каком то смысле,
«невидимым» - он просто теряется на уровне
естественного шума.
Собственно,
именно в изменении спектральной
энергетической плотности сигнала
и заключается идея уширения спектра.
Дело в том, что если подходить к проблеме
передачи данных традиционным способом,
то есть так, как это делается в радиоэфире,
где каждой радиостанции отводится свой
диапазон вещания, то мы неизбежно столкнемся
с проблемой, что в ограниченном радиодиапазоне,
предназначенном для совместного использования,
невозможно «уместить» всех желающих.
Поэтому необходимо найти такой способ
передачи информации, при котором пользователи
могли бы сосуществовать в одном частотном
диапазоне и при этом не мешать друг другу.
Именно эту задачу и решает технология
уширения спектра.
Преимущества
систем с расширением
спектра
-
Высокая помехоустойчивость.
При ограниченной полосе спектральной
плотности помехи отношение сигнал /шум
увеличивается в G p = П ш /П
раз, где П –полоса исходного сигнала,
П ш - полоса сигнала после расширения
спектра, G p - коэффициент расширения
спектра. Если спектр помехи равномерен
(белый шум), отношение сигнал /шум не улучшается.
-
Конфиденциальность
связи.
Сообщение нельзя прочитать,
не зная алгоритма расширения спектра.
-
Возможность одновременной
передачи многих сообщений
на одной
несущей частоте в системе с кодовым разделением
каналов (CDMA
(англ.
Code Division Multiple Access) - множественный
доступ с кодовым разделением.
Каналы трафика при
таком способе разделения
среды создаются присвоением
каждому пользователю
отдельного числового
кода, который распространяется
по всей ширине полосы.
Нет временного разделения,
все абоненты постоянно
используют всю ширину
канала. Полоса частот
одного канала очень
широка, вещание абонентов
накладывается друг
на друга но, поскольку
их коды отличаются,
они могут быть дифференцированы.
Технология множественного
доступа с кодовым разделением
каналов известна давно.
В СССР первая работа,
посвящённая этой теме,
была опубликована ещё
в 1935 году Д. В. Агеевым
.)
-
Возможность передачи
маломощного сигнала.
Энергия сигнала
сохраняется высокой за счет увеличения
длительности сигнала. Обеспечивается
энергетическая скрытность связи. Сигнал
не обнаруживается, а воспринимается как
шум.
-
Высокая разрешающая
способность по времени
(чем шире спектр,
тем круче фронт сигнала). Момент начала
сигнала определяется очень точно, что
важно для систем измерения расстояния
по времени прохождения сигнала и для
синхронизации передатчика и приемника.
Наиболее
распространенные методы
расширения спектра
-
Прямое расширение спектра
(direct sequencing)
с использованием двоичной псевдослучайной
последовательности (ПСП), модулирующей
сигнал. Ширина спектра ограничивается
минимальной технически реализуемой длительностью
элементарного символа ПСП. Спектр расширяется
до десятков мегагерц.
-
Скачкообразная перестройка
несущей частоты
(frequency hopping).
Обычно используется
М-арная частотная манипуляция. М символам
соответствуют М частот, разнесенных друг
от друга на интервал
D
f. Центральная частота
f 0 этого диапазона изменяется
скачками под управлением ПСП в полосе
перестройки несколько раз за время передачи
одного символа сообщения (быстрая перестройка)
или с интервалом, равным длительности
нескольких символов (медленная перестройка).
Из-за скачков частоты трудно сохранить
когерентность сигнала. Поэтому демодуляция
обычно некогерентная. Для обеспечения
ортогональности сигналов расстояние
между частотами должно удовлетворять
условию
D
f = m/ T s , m –целое
число. Спектр может расширяться до нескольких
гигагерц: коэффициент расширения спектра
выше, чем при прямом расширении.
Прямое
расширение спектра
При
потенциальном кодировании информационные
биты - логические нули и единицы
- передаются прямоугольными импульсами
напряжений. Прямоугольный импульс длительности
T имеет спектр, ширина которого обратно
пропорциональна длительности импульса.
Поэтому чем меньше длительность информационного
бита, тем больший спектр занимает такой
сигнал.
Для
преднамеренного уширения спектра
первоначально узкополосного сигнала
в технологии DSSS в каждый передаваемый
информационный бит (логический 0 или 1)
в буквальном смысле встраивается последовательность
так называемых чипов. Если информационные
биты - логические нули или единицы
- при потенциальном кодировании информации
можно представить в виде последовательности
прямоугольных импульсов, то каждый отдельный
чип - это тоже прямоугольный импульс,
но его длительность в несколько раз меньше
длительности информационного бита. Последовательность
чипов представляет собой последовательность
прямоугольных импульсов, то есть нулей
и единиц, однако эти нули и единицы не
являются информационными. Поскольку
длительность одного чипа в n раз меньше
длительности информационного бита, то
и ширина спектра преобразованного сигнала
будет в n-раз больше ширины спектра первоначального
сигнала. При этом и амплитуда передаваемого
сигнала уменьшится в n раз.
Чиповые
последовательности, встраиваемые в
информационные биты, называют шумоподобными
кодами (PN-последовательности), что подчеркивает
то обстоятельство, что результирующий
сигнал становится шумоподобным и его
трудно отличить от естественного шума.
Как
уширить спектр сигнала и сделать
его неотличимым от естественного
шума, понятно. Для этого, в принципе,
можно воспользоваться произвольной
(случайной) чиповой последовательностью.
Однако, возникает вопрос: а как
такой сигнал принимать? Ведь если он
становится шумоподобным, то выделить
из него полезный информационный сигнал
не так то просто, если вообще возможно.
Оказывается, возможно, но для этого нужно
соответствующим образом подобрать чиповую
последовательность. Используемые для
уширения спектра сигнала чиповые последовательности
должны удовлетворять определенным требованиям
автокорреляции. Под термином автокорреляции
в математике подразумевают степень подобия
функции самой себе в различные моменты
времени. Если подобрать такую чиповую
последовательность, для которой функция
автокорреляции будет иметь резко выраженный
пик лишь для одного момента времени, то
такой информационный сигнал возможно
будет выделить на уровне шума. Для этого
в приемнике полученный сигнал умножается
на ту же чиповую последовательность,
то есть вычисляется автокорреляционная
функция сигнала. В результате сигнал
становится опять узкополосным, поэтому
его фильтруют в узкой полосе частот и
любая помеха, попадающая в полосу исходного
широкополосного сигнала, после умножения
на чиповую последовательность, наоборот,
становится широкополосной и обрезается
фильтрами, а в узкую информационную полосу
попадает лишь часть помехи, по мощности
значительно меньшая, чем помеха, действующая
на входе приемника.
Основные
требования к ПСП
-
Непредсказуемость появления знаков 1
и 0, благодаря чему спектр сигнала становится
равномерным, а определение алгоритма
формирования ПСП по ее участку ограниченной
длины – невозможным.
-
Наличие большого набора разных
ПСП одинаковой длины для построения
систем с кодовым разделением каналов.
-
Хорошие корреляционные свойства
ПСП, описываемые функциями автокорреляции
(ФАК) и взаимной корреляции (ФВК), периодическими
и апериодическими.
Характеристики
псевдослучайных
последовательностей (ПСП)
Характеристиками
ПСП являются функции автокорреляции
(ФАК) и взаимной корреляции (ФВК), периодические
и апериодические. ФАК и ФВК вычисляются
подсчетом разности числа совпадающих
и не совпадающих разрядов сравниваемых
ПСП при сдвигах одной из них.
Периодические
ФАК и ФВК
и т.д.................
Методы расширения спектра
Изначально методы расширения спектра (PC или SS – Spread-Spectrum) использовались при разработке военных систем управления и связи. Во время Второй мировой войны расширение спектра использовалось в радиолокации для борьбы с намеренными помехами. В последние годы развитие данной технологии объясняется желанием создать эффективные системы радиосвязи для обеспечения высокой помехоустойчивости при передаче узкополосных сигналов по каналам с шумами и осложнения их перехвата.
Система связи является системой с расширенным спектром в следующих случаях :
Полоса частот, которая используется при передаче, значительно шире минимально необходимой для передачи текущей информации. При этом энергия информационного сигнала расширяется на всю ширину полосы частот при низком соотношении сигнал/шум, в результате чего сигнал трудно обнаружить, перехватить или воспрепятствовать его передаче путем внесения помех. Хотя суммарная мощность сигнала может быть большой, соотношение сигнал/шум в любом диапазоне частот является малым, что делает сигнал с расширенным спектром трудно определяемым при радиосвязи и, в контексте скрытия информации стеганографическими методами, трудно различимым человеком.
Расширение спектра выполняется с помощью так называемого расширяющего (или кодового) сигнала, который не зависит от передаваемой информации. Присутствие энергии сигнала во всех частотных диапазонах делает радиосигнал с расширенным спектром стойким к внесению помех, а информацию, встроенную в контейнер методом расширения спектра, стойкой к ее устранению или извлечению из контейнера. Компрессия и другие виды атак на систему связи могут устранить энергию сигнала из некоторых участков спектра, но поскольку последняя была распространена по всему диапазону, в других полосах остается достаточное количество данных для восстановления информации. В результате, если, разумеется, не разглашать ключ, который использовался для генерации кодового сигнала, вероятность извлечения информации неавторизованными лицами существенно снижается.
Восстановление первичной информации (то есть «сужение спектра») осуществляется путем сопоставления полученного сигнала и синхронизированной копии кодового сигнала.
В радиосвязи применяют три основных способа расширения спектра:
С помощью прямой ПСП (РСПП);
С помощью скачкообразного перестраивания частот;
С помощью компрессии с использованием линейной частотной модуляции (ЛЧМ).
При расширении спектра прямой последовательностью информационный сигнал модулируется функцией, которая принимает псевдослучайные значения в установленных пределах, и умножается на временную константу – частоту (скорость) следования элементарных посылок (элементов сигнала). Данный псевдослучайный сигнал содержит составляющие на всех частотах, которые, при их расширении, модулируют энергию сигнала в широком диапазоне.
В методе расширения спектра с помощью скачкообразного перестраивания частот передатчик мгновенно изменяет одну частоту несущего сигнала на другую. Секретным ключом при этом является псевдослучайный закон изменения частот.
При компрессии с использованием ЛЧМ сигнал модулируется функцией, частота которой изменяется во времени.
Очевидно, что любой из указанных методов может быть распространен на использование в пространственной области при построении стеганографических систем.
Рассмотрим один из вариантов реализации метода РСПП, авторами которого являются Смит (J.R. Smith) и Комиски (В.О. Comiskey). Алгоритм модуляции следующий: каждый бит сообщения , представляется некоторой базисной функцией , размерностью , умноженной, в зависимости от значения бита (1 или 0), на +1 или -1:
Модулированное сообщение ,полученное при этом, попиксельно суммируется с изображением-контейнером , в качестве которого используется полутоновое изображение размером . Результатом является стеганоизображение , при .
В технологиях радиосвязи крайне важную роль играет расширенный спектр. Данный метод не подпадает ни под одну из категорий, определенных в предыдущей главе, поскольку может быть использован для передачи как цифровых, так и аналоговых данных с помощью аналогового сигнала.
Изначально метод расширенного спектра создавался для разведывательных и военных целей. Основная идея метода состоит в том, чтобы распределить информационный сигнал по широкой полосе радиодиапазона, что в итоге позволит значительно усложнить подавление или перехват сигнала. Первая разработанная схема расширенного спектра известна как метод перестройки частоты. Более современной схемой расширенного спектра является метод прямой последовательности. Оба метода используются в различных стандартах и продуктах беспроводной связи.
Ниже, после краткого обзора, названные методы расширенного спектра рассматриваются подробно. Кроме того, в данной главе будет исследован метод множественного доступа на основе расширения спектра.
Как бы невероятно это не звучало, но расширение спектра методом перестройки частоты придумала голливудская кинозвезда Хеди Ламарр (Hedy Lamarr) в 1940 году в возрасте 26 лет. В 1942 году Ламарр запатентовала свое изобретение (патент США 2 292 387 от 11 августа 1942 г.) совместно с партнером, который начал принимать участие в работе несколько позже. Девушка не получила никакой прибыли от патента, считая открытый ею метод связи своим вкладом в участие США во второй мировой войне.
7.1. Понятие расширенного спектра
На рис. 7.1 приведены ключевые элементы системы расширенного спектра. Входной сигнал поступает на канальный кодер, который генерирует аналоговый сигнал со сравнительно узкой полосой, центрированной на определенной частоте. Далее сигнал модулируется с помощью последовательности чисел, именуемой кодом расширения, или расширяющей последовательностью. Обычно, хотя и не всегда, код расширения создается генератором случайных чисел. В результате модуляции полоса передаваемого сигнала значительно расширяется (другими словами, расширяется спектр сигнала). После приема сигнал демодулируется с использованием того же кода расширения. Последний шаг - сигнал подается на канальный декодер для восстановления данных.
Рис. 7.1. Общая схема цифровой системы связи с использованием расширенного спектра
Избыток спектра дает возможность получить следующие преимущества.
Невосприимчивость сигнала к различным типам шумов, а также к искажениям, вызванным многолучевым распространением. Впервые расширенный спектр был использован в военных целях благодаря устойчивости расширенного сигнала к попыткам подавления.
Расширенный спектр позволяет скрывать и шифровать сигналы. Восстановить зашифрованные данные сможет только пользователь, которому известен код расширения.
Несколько пользователей могут одновременно использовать одну полосу частот при крайне малой взаимной интерференции. Данное свойство используется в технологии мобильной связи, известной как уплотнение с кодовым разделением (code division multiplexing - CDM), или множественный доступ с кодовым разделением (code division multiple access - CDMA).
СИСТЕМЫ С РАСШИРЕНИЕМ СПЕКТРА
Термин расширение спектра был использован в многочисленных военных и коммерческих системах связи. В системах с расширенным спектром каждый сигнал-переносчик сообщений требует значительно более широкой полосы радиочастот по сравнению с обычным модулированным сигналом. Более широкая полоса частот позволяет получить некоторые полезные свойства и характеристики, которые трудно достичь другими средствами.
Расширение спектра представляет собой метод формирования сигнала с расширенным спектром с помощью дополнительной ступени модуляции, обеспечивающей не только расширение спектра сигнала, но и ослабление его влияния на другие сигналы. Дополнительная модуляция никак не связана с передаваемым сообщением.
Широкополосные системы находят применение благодаря следующим потенциальным преимуществам:
Повышенной помехоустойчивости;
Возможности обеспечения кодового разделения каналов для многостанционного доступа на его основе в системах, использующих технологию CDMA;
Энергетической скрытности благодаря низкому уровню спектральной плотности;
Высокой разрешающей способности при измерениях расстояния;
Защищенности связи;
Способности противостоять воздействию преднамеренных помех;
Повышенной пропускной способности и спектральной эффективности в некоторых сотовых системах персональной связи;
Постепенному снижению качества связи при увеличении числа пользователей, одновременно занимающих один и тот же ВЧ канал;
Низкой стоимости при реализации;
Наличию современной элементной базы (интегральных микросхем).
Рисунок 6.1 – Структура системы с прямым расширением спектра
В соответствии с архитектурой и используемыми видами модуляции системы с расширенным спектром могут быть разделены на следующие основные группы.
С прямым расширением спектра на основе псевдослучайных последовательностей (ПСП), включая системы МДКРК,
С перестройкой рабочей частоты (с «прыгающей» частотой), включая системы МДКРК с медленной и быстрой перестройкой рабочей частоты,
Множественного доступа с расширенным спектром и контролем несущей (CSMA),
С перестройкой временного положения сигналов («прыгающим» временем),
С линейной частотной модуляцией сигналов (chip modulation),
Со смешанными методами расширения спектра.
Прямое расширение спектра с помощью псевдослучайных последовательностей
На рисунке 6.1 приведена концептуальная схема системы с прямым расширением спектра на основе псевдослучайных последовательностей (а - передатчик сигналов с PSK и с последующим спектра, б - передатчик с расширением спектра в полосе модулирующих частот, в - приемник). В первом модуляторе осуществляется фазовая манипуляция (PSK) сигнала промежуточной частоты двоичным цифровым сигналом передаваемого сообщения d(t) в формате без возвращения к нулю (NRZ) с частотой следования символов f b = 1/Т b .
В пределах одной соты системы подвижной радиосвязи, как правило, есть несколько абонентов, одновременно пользующихся связью, причем каждый из них использует одну и ту же несущую частоту fрч и занимает одну и ту же полосу частот Врч.
Процесс формирования сигналов с расширенным спектром в системах с многостанционным доступом происходит в два этапа: модуляция и расширение спектра (или вторичная модуляция посредством ПСП). Вторичная модуляция осуществляется с помощью идеальной операции перемножения g(t)s(t). При таком перемножении формируется амплитудно-модулированный двухполосный сигнал с подавленной несущей. Первый и второй модуляторы можно поменять местами без изменения потенциальных характеристик системы.
Сигнал g(t)s(t) с расширенным спектром преобразуется вверх до нужной радиочастоты. Хотя преобразование частоты вверх и вниз является для большинства систем практически необходимым процессом, все же этот этап не является определяющим. Поэтому в дальнейшем будем считать, что сигнал g(t)s(t) передается и принимается на промежуточной частоте, исключив из рассмотрения подсистемы преобразования частот вверх и вниз.
Таким образом, на вход приемника поступает сумма М независимых сигналов с расширенным спектром, занимающих одну и ту же полосу РЧ.
Концепция систем с расширенным спектром путем программной перестройки рабочей частоты во многом схожа с концепцией систем с прямым расширением спектра. Здесь генератор двоичной ПСП управляет синтезатором частот, с помощью которого осуществляется переход («перескок») с одной частоты на другую из множества доступных частот. Таким образом, здесь эффект расширения спектра достигается за счет псевдослучайной перестройки частоты несущей, значение которой выбирается из имеющихся частот f1,...,fN, где N может достигать значений несколько тысяч и более. Если скорость перестройки сообщений (скорость смены частот) превышает скорость передачи сообщений, то имеем систему с быстрой перестройкой частоты. Если скорость перестройки меньше скорости передачи сообщений, так что в интервале перестройки передается несколько битов, то имеем систему с медленной перестройкой частоты.
Если выбран ансамбль некоррелированных сигналов ПСП, то после операции сжатия спектра сохраняется лишь модулированный полезный сигнал. Все другие сигналы, являясь некоррелированными, сохраняют широкополосность и имеют ширину спектра, превышающую граничную полосу пропускания фильтра демодулятора. На рисунке 6.2 приведены упрощенные временные и спектральные диаграммы, качественно иллюстрирующие процессы расширения и сжатия спектра сигналов. В частности, в них отсутствует сигнал несущей.
Рисунок 6.2 - Диаграммы при расширении спектра
В системах с расширенным спектром путем перестройки рабочей частоты последняя сохраняется постоянной в течение каждого интервала перестройки, но изменяется скачком от интервала к интервалу. Частоты передачи формируются цифровым синтезатором частот, управляемым кодом («словами»), поступающим в последовательном либо параллельном виде и содержащим m двоичных символов (битов) Каждому m-битовому слову или его части соответствует одна из M = 2m частот. Хотя для осуществления перестройки частот имеется M = 2m, m = 2, 3, частот, но не все из них обязательно используются в конкретной системе. Системы с расширением спектра путем программной перестройки рабочей частоты подразделяются на системы с медленной, с быстрой и со средней скоростью перестройки.
В системах с медленной перестройкой скорость перестройки fh, меньше скорости передачи сообщений fb. Таким образом в интервале перестройки, прежде, чем осуществится переход на другую частоту, могут быть переданы два бита сообщения или более (в некоторых системах свыше 1000). В системах со средней скоростью перестройки скорость перестройки равна скорости передачи. Наибольшее распространение получили системы с быстрой и медленной перестройкой рабочей частоты.
Для синхронизации приемников при приеме сигналов с расширенным спектром может потребоваться три устройства синхронизации:
Фазовой синхронизации несущей (восстановления несущей);
Символьной синхронизации (восстановления тактовой частоты);
Временной синхронизации генераторов, формирующих кодовые или псевдослучайные последовательности.
Временная синхронизация обеспечивается в два этапа, в течение которых выполняются:
Поиск (первоначальная, грубая синхронизация);
Слежение (точная синхронизация).
На рисунке 6.3 изображены структурные схемы передающей и приемной частей системы с перестройкой частоты.
Рисунок 6.3 - Система с программной перестройкой частоты
В стандарте GSM применяется спектрально-эффективная гауссова частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Манипуляция называется гауссовой потому, что последовательность информационных битов до модулятора проходит через фильтр нижних частот (ФНЧ) с характеристикой Гаусса, что дает значительное уменьшение полосы частот излучаемого радиосигнала. Формирование GMSK радиосигнала осуществляется таким образом, что на интервале одного информационного бита фаза несущей изменяется на 90°. Это наименее возможное изменение фазы, распознаваемое при данном типе модуляции. Непрерывное изменение фазы синусоидального сигнала дает в результате частотную модуляцию с дискретным изменением частоты. Применение фильтра Гаусса позволяет при дискретном изменении частоты получить «гладкие переходы». В стандарте GSM применяется GMSK-модуляция с величиной нормированной полосы ВТ = 0,3, где В - ширина полосы фильтра по уровню -3 дБ, Т - длительность 1 бита цифрового сообщения. Функциональная схема модулятора показана на рисунке 6.4.
Рисунок 6.4 - Функциональная схема модулятора
Основой формирователя GMSK-сигнала является квадратурный (1/Q) модулятор. Схема состоит из двух умножителей и одного сумматора. Задача этой схемы заключается в том, чтобы обеспечить непрерывную точную фазовую модуляцию. Один умножитель изменяет амплитуду синусоидального, а второй – косинусоидального колебания. Входной сигнал до умножителя разбивается на две квадратурные составляющие. Разложение происходит в двух обозначенных «sin» и «cos» блоках.
Диаграммы, иллюстрирующие формирование GMSK-сигнала, показаны на рисунке 4.9.
Модуляцию GMSK отличают следующие свойства, предпочтительные для мобильной связи:
Постоянную по уровню огибающую, что позволяет использовать эффективные передающие устройства с усилителями мощности в режиме класса С;
Компактный спектр на выходе усилителя мощности передающего устройства, что обеспечивает низкий уровень внеполосного излучения;
Хорошие характеристики помехоустойчивости канала связи.
Рисунок 6.5 - Формирование GMSK-сигнала
Обработка речи. Обработка речи в стандарте GSM осуществляется с целью обеспечения высокого качества передаваемых сообщений и реализации дополнительных сервисных возможностей. Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи(Discontinuous Transmission - DTX), которая обеспечивает включение передатчика, когда пользователь начинает разговор, и отключает его в паузах и в конце разговора. DTX управляется детектором активности речи (Voice Activity Detector - VAD), который обеспечивает обнаружение и выделение интервалов передачи речи с шумом и шума без речи даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи. В состав системы прерывистой передачи речи входит также устройство формирования комфортного шума, который включается и прослушивается в паузах речи, когда передатчик отключен. Экспериментально доказано, что отключение фонового шума на выходе приемника в паузах при отключении передатчика раздражает абонента и снижает разборчивость речи, поэтому применение комфортного шума в паузах считается необходимым.. DTX-процесс в приемнике предполагает интерполяцию фрагментов речи, потерянных из-за ошибок в канале.
d irect s equence s pread s pectrum ) - широкополосная модуляция с прямым расширением спектра, является одним из трёх основных методов расширения спектра, используемых на сегодняшний день (см. методы расширения спектра). Это метод формирования широкополосного радиосигнала , при котором исходный двоичный сигнал преобразуется в псевдослучайную последовательность, используемую для модуляции несущей. Используется в сетях стандарта IEEE 802.11 и CDMA для преднамеренного расширения спектра передаваемого импульса.Метод прямой последовательности (DSSS) можно представить себе следующим образом. Вся используемая «широкая» полоса частот делится на некоторое число подканалов - по стандарту 802.11 этих подканалов 11. Каждый передаваемый бит информации превращается, по заранее зафиксированному алгоритму, в последовательность из 11 бит, и эти 11 бит передаются как бы одновременно и параллельно (физически сигналы передаются последовательно), используя все 11 подканалов. При приёме, полученная последовательность бит декодируется с использованием того же алгоритма, что и при её кодировке. Другая пара приёмник-передатчик может использовать другой алгоритм кодировки - декодировки, и таких различных алгоритмов может быть очень много.
Первый очевидный результат применения этого метода - защита передаваемой информации от подслушивания («чужой» DSSS-приёмник использует другой алгоритм и не сможет декодировать информацию не от своего передатчика).
При этом сильно уменьшается отношение уровня передаваемого сигнала к уровню шума, (то есть случайных или преднамеренных помех), так что передаваемый сигнал уже как бы неразличим в общем шуме. Но благодаря его 11-кратной избыточности принимающее устройство все же сумеет его распознать.
Еще одно чрезвычайно полезное свойство DSSS-устройств заключается в том, что благодаря очень низкому уровню мощности своего сигнала они практически не создают помех обычным радиоустройствам (узкополосным большой мощности), так как эти последние принимают широкополосный сигнал за шум в пределах допустимого. И наоборот - обычные устройства не мешают широкополосным, так как их сигналы большой мощности «шумят» каждый только в своем узком канале и не могут целиком заглушить весь широкополосный сигнал.
Использование широкополосных технологий дает возможность использовать один и тот же участок радиоспектра дважды - обычными узкополосными устройствами и «поверх них» - широкополосными.
Энциклопедичный YouTube
1 / 3
☙◈❧ Сэнсэй-3 . ͟͟И͟͟с͟͟к͟͟о͟͟н͟͟н͟͟ы͟͟й͟͟ ͟͟Ш͟͟а͟͟м͟͟б͟͟а͟͟л͟ы͟ ☙◈❧ Анастасия Новых. аудиокниги
2012 Crossing Over A New Beginning "FIRST EDITION"
☙◈❧ Эзоосмос ☙◈❧ Необычная рыбалка. Скрытая реальность. Тамга Прави. Анастасия Новых.
Технология
В каждый передаваемый информационный бит (логический 0 или 1) встраивается последовательность так называемых чипов. Если информационные биты - логические нули или единицы - при потенциальном кодировании информации можно представить в виде последовательности прямоугольных импульсов, то каждый отдельный чип - это тоже прямоугольный импульс, но его длительность в несколько раз меньше длительности информационного бита. Последовательность чипов представляет собой последовательность прямоугольных импульсов, то есть нулей и единиц, однако эти нули и единицы не являются информационными. Поскольку длительность одного чипа в n раз меньше длительности информационного бита, то и ширина спектра преобразованного сигнала будет в n раз больше ширины спектра первоначального сигнала. При этом и амплитуда передаваемого сигнала уменьшится в n раз.
Чиповые последовательности, встраиваемые в информационные биты, называют шумоподобными кодами (PN-последовательности), что подчеркивает то обстоятельство, что результирующий сигнал становится шумоподобным и его трудно отличить от естественного шума.
Используемые для уширения спектра сигнала чиповые последовательности должны удовлетворять определённым требованиям автокорреляции . Под термином автокорреляции в математике подразумевают степень подобия функции самой себе в различные моменты времени. Если подобрать такую чиповую последовательность, для которой функция автокорреляции будет иметь резко выраженный пик лишь для одного момента времени, то такой информационный сигнал возможно будет выделить на уровне шума. Для этого в приёмнике полученный сигнал умножается на ту же чиповую последовательность, то есть вычисляется автокорреляционная функция сигнала. В результате сигнал становится опять узкополосным, поэтому его фильтруют в узкой полосе частот и любая помеха, попадающая в полосу исходного широкополосного сигнала, после умножения на чиповую последовательность, наоборот, становится широкополосной и обрезается фильтрами, а в узкую информационную полосу попадает лишь часть помехи, по мощности значительно меньшая, чем помеха, действующая на входе приёмника (если не используется приёмник с алгоритмом Боцмана).
