Способы формирования методов модуляции с расширенным

Способы формирования методов модуляции с расширенным
спектром частот
1. Общий принцип формирования широкополосных сигналов
Следует заметить, что физический смысл термина расширенный
спектр далее будет означать широкий спектр частот.
Общий принцип формирования широкополосных сигналов (ШПС)
ввел К.Шеннон и он же доказал, что для заданного отношения Рс/Рш
минимальное количество ошибок обеспечивается с увеличением ширины
полосы частот канала связи [1].
Важной характеристикой ШПС является его база Бс, определяемая
как произведение ширины спектра сигнала Fс (эффективной ширины спектра)
на его период Бс,, т.е. длительность двоичного символа: Бс = Fс• Тс.
ШПС формируется путем перемножения сигнала псевдослучайной
структуры с информационным сигналом. В результате перемножения
энергия информационного сигнала распределяется в широкой полосе частот,
т.е. его спектр расширяется. Передаваемая информация может быть введена
в ШПС различными способами.
Наиболее известным и простым является способ наложения
передаваемой информации на широкополосную модулирующую кодовую
последовательность перед или до модуляции несущей частоты f0 для
получения широкополосного шумоподобного сигнала, т.е. ШПС.
Способ формирования ШПС в общем виде, формы сигналов и спектр
ШПС сигнала приведены на рисунках 1-5.
Несущая
частота f0

ШПС f
ГПСП
Рис. 1 Формирование ШПС
f0
t
Рис. 2 Несущая частота f0
1
t
τ0
Рис. 3 Псевдослучайная последовательность 1100110
f
t
Рис. 4 Широкополосный сигнал f
S(f)
f
f0-1/τ0
f0
f0+1/τ0
Рис. 5 Спектр сигнала ШПС
Узкополосный сигнал (f0) умножается на псевдослучайную
последовательность (ПСП) с периодом Т, состоящую из N битов
длительностью каждый τ0 = Т/ N. В этом случае база ШПС численно равна
количеству элементов ПСП.
Этот способ широкополосной связи применим для любой системы, в
которой для расширения спектра высокочастотного сигнала применяется
цифровая последовательность (последовательность двоичных символов или
битов).
Таким образом, сущность широкополосной связи состоит в
расширении спектра частот сигнала, передаче широкополосного сигнала
и выделении из него полезного сигнала путем преобразования спектра
принятого широкополосного сигнала в первоначальный спектр
информационного сигнала.
Перемножение_принятого ШПС и ПСП, которая использовалась в
модуляторе (передатчике), “снимает” спектр полезного сигнала, т.е.
2
несущую информацию, и одновременно расширяет спектр фонового шума и
других источников интерференционных помех. В результате получаемый
выигрыш в отношении Рс/Рш на выходе демодулятора (приемника) есть
функция отношения ширины полос широкополосного и базового
(информационного) сигналов: чем больше расширение спектра, тем
больше выигрыш.
Во временной области результат выигрыша от применения ШПС
можно оценить отношением скорости передачи цифрового потока в
радиоканале (Вк) к скорости передачи базового информационного
сигнала (Ви).
Кроме того, расширение спектра можно рассматривать как
применение метода частотного разнесения приема. При распространении в
радиоканале, сигнал подвергается замираниям вследствие многолучевого
характера распространения. В частотной области это явление можно
представить как воздействие режекторного фильтра с изменяющейся
шириной полосы режекции (обычно не более чем на 300 кГц); в реальных
системах это ведет либо к уменьшению количества каналов связи (сотовая
система связи D-АМРS), либо к частичному подавлению спектра сигнала
(порядка 25% в сотовой системе связи СDМА), что может вызвать трудности
в восстановлении несущей частоты.
В реальных системах передачи информации с расширенным
спектром, методы модуляции формируются более сложным способом, а
именно с использованием дополнительной ступени модуляции, т.е. в
передатчике используются две ступени модуляции. Дополнительная
ступень модуляции обеспечивает не только расширение спектра, но
ослабление его влияния на другие сигналы. Дополнительная модуляция
никак не связана с передаваемым сообщением. Широкополосный спектр
сигнала требует для передачи широкой полосы частот, а это, как известно,
не позволяет ослабить влияние АБГШ, как это происходит при
широкополосной частотной модуляции. В связи с этим возникает вопрос, а
нужны ли такие сигналы и ЦСПИ в целом?
Однако как было позднее установлено такие сигналы и ЦСПИ
обладают рядом очень важных достоинств, а именно:
1) высокая помехозащищенность (скрытность) передачи информации;
2) высокая помехоустойчивость (достоверность) передачи инфрмации;
З) энергетическая скрытность передачи информации («работа под
шумами») благодаря низкому уровню спектральной плотности;
4) способность противостоять воздействию преднамеренных помех;
5) возможность увеличения пропускной способности сетей связи при
определенных параметрах сети;
6) возможность обеспечения кодового разделения каналов при
реализации многостанционного доступа и др.
К недостаткам ШПС и ЦСПИ следует отнести следующее:
а. достаточно высокая сложность алгоритмов модуляции и
демодуляции сигналов;
3
б. постепенное снижение качества связи при увеличении числа
абонентов сети: это обеспечивается за счет увеличения
вероятности занятия одного и того же радиоканала.
2. Классификация способов формирования методов модуляции с
расширенным спектром частот
Методы модуляции с расширенным спектром частот продолжают
разрабатываться, а из известных способов формирования методов модуляции
с расширенным спектром наибольшее применение получили следующие:
1) методы модуляции с прямым расширением спектра на основе
ПСП и ФМ;
2) методы модуляции на основе перестройки рабочей частоты
(с "прыгающей" частотой; с медленной и быстрой перестройкой
частоты);
3) методы модуляции с перестройкой временного положения
сигнала ("прыгающим временем);
Далее рассмотрим в общем виде сущность первых двух способов
формирования методов модуляции с расширенным спектром частот. Выбор
данных способов для рассмотрения обусловлен тем, что они нашли
наибольшее применение в реальных системах связи и в частности в
сотовых сетях. различных стандартов.
3. Способ формирования метода модуляции с расширенным спектром
частот на основе использования фазовой модуляции и символов
псевдослучайной последовательности
Обобщённая структурная схема модулятора, поясняющая данный
способ формирования метода модуляции с расширенным спектром частот
имеет следующее построение (рис. 7).
В первом модуляторе осуществляется ФМ на промежуточной
частоте (ПЧ) передаваемых двоичных символов, скорость или частота
следования которых Вв = 1/Тв.
Модулирующий сигнал ς(t) представляется в виде сигнального
формата, известного как формат NRZ (Nonreturn to zero - без возвращения к
нулю (БВН); без постоянной составляющей) и имеющий, например,
следующий вид (pиc. 6).
+1
t
τ0
-1
Рис. 6 Сигнальный формат кода БВН
4
S(t)=A1cos[ωпч+φ(t)] Преобразование частоты вверх
Модулируемый
сигнал ς(t)
A
fпч
MOD
B
g(t) S(t)

g(t) C
Генератор ПСП: g(t)- функция сигнала,
расширяющего спектр частот. Rc=fc=1/Tcчастота следования символов ПСП

УМ
fрч
D
Синтезатор
радиочастот
Рис. 7 Обобщенная структурная схема модулятора с использованием
расширенного спектра на основе ФМ и ПСП
Далее принимаем, что в модуляторе осуществляется простая без
предмодуляционной фильтрации двоичная фазовая модуляция BPSK (Binary
Phase Shift Keying) с постоянной огибающей. Сигнал BPSK (ФМ)
определяется следующим выражением:
S(t) = 2Ps ς(t)cosωпчt,
где ς(t) - нормированный двухуровневый сигнал, имеющий два
состояния +1 и -1;
ωпч - промежуточная частота;
Ps - мощность сигнала.
В качестве сигнала расширения спектра g(t) используется сигнал
ПСП с частотой (или скоростью) следования символов fс = 1/Tc.
В результате повторной модуляции формируется ФМ - сигнал с
расширенным спектром частот вида
v(t) = g(t) S(t) = g(t) ς(t) 2Ps cosω0 t.
Данный сигнал промежуточной частоты затем переносится вверх
на необходимую
частоту
с
помощью
частоты,
выделяемой
синтезатором радиочастот.
В реальных ЦСПИ вторичную модуляцию желательно осуществлять
с помощью идеальной операции перемножения g(t)S(t). При таком
перемножении формируется амплитудно-модулированный двухполосный
сигнал с подавленной несущей частотой. (Первый и второй модуляторы
можно поменять местами без изменения потенциальных характеристик
системы). Процесс переноса расширенного спектра частот сигнала вверх не
является определяющим для ЦСПИ с расширенным спектром частот, но для
большинства практических систем ПИ является просто необходимым.
5
Спектральные плотности мощностей сигналов для рассмотренного
способа формирования ШПС имеют следующий вид (рис. 8) [2÷4, 12]:
G(f)
f
а)
G(f)
f
б)
G(f)
f
в)
Рис. 8 Спектральные плотности мощности сигналов для метода модуляции на
основе использования ФМ и ПСП
Сущность данных эпюр состоит в следующем:
а) спектр модулирующего случайного сигнала в формате БВН при В =
100 Кбит/с;
6
б) спектр сигнала на fпч = 70 МГц при частоте следования импульсов
(символов) ПСП f0 = 1 Мсимв/с;
в) спектр радиочастоты сигнала на fрч = 900 МГц при
немодулированной несущей частоте.
Обобщенная
структурная
схема
демодулятора
СПИ
при
использовании рассмотренного способа формирования метода модуляции с
расширенным спектром частот имеет следующее построение (рис. 9).
МШУ
F
Коррелятор
РФ
ПФ
Е
Синтезатор
радиочастоты
Генератор
опорной
ПСП
ФМ-демо
дулятор
Вых
инф.
G
Преобразователь
частоты вниз
Рис.
9 Обобщенная структурная схема демодулятора СПИ при
использовании метода модуляции с расширенным спектром на основе
ФМ и ПСП
МШУ – малошумящий усилитель, РФ – режекторный фильтр, ПФ – полосовой
фильтр
Далее следует отметить два момента:
 во-первых, если выбран ансамбль некоррелированных сигналов
ПСП, то после операции перехода на ПЧ и снятия ПСП
сохраняется лишь модулированный полезный сигнал. Все другие
сигналы,
являясь
некоррелированными,
сохраняют
широкополосность и имеют ширину спектра, превышающую
граничную полосу пропусканя фильтра демодулятора;
 во-вторых, при данном способе формирования расширенного
спектра сигналов в первой ступени модуляции можно
использовать другие методы модуляции, а именно MSK, GMSK,
QPSK и др. Так, обобщенная структурная схема модулятора,
формирующего расширенный спектр сигнала на основе метода
модуляции QPSK и ПСП имеет следующее построение (рис.10).
В данной схеме модулятора выполнена перемена мест включения
первой и второй ступеней модуляции.
7
ПСП пилот- сигнала канала I
I
Вх.
инф.
симв.
КРИ
– 1/2
Σ
ФНЧ
Q
ФНЧ
Вых.
ШПС
ЗГ
Δφ=900
ПСП пилот- сигнала канала Q
Рис. 10. Обобщенная структурная схема модулятора, формирующего
расширенный спектр сигнала на основе ПСП и QPSK
Критериями оценки эффективности рассмотренного способа
формирования метода модуляции с расширенным спектром частот
являются [2÷4, 12]:
1. Gp = (S/N)вых - (S/N) вх – коэффициент энергетического выигрыша
обработки сигнала, показывающий во сколько раз отношение Рс/Рш (или
отношение сигнал/помеха – S/I) на выходе демодулятора увеличивается по
сравнению с аналогичными величинами на входе.
Например, если (S/N) вх (или S/I) в точке F равно 5 дБ, а после
сжатия спектра полезного сигнала с помощью согласованного с ним
сигнала опорной ПСП отношение (S/N)вых в точке G оказывается равным 27
дБ, то выигрыш при обработке сигнала будет равен Gp = 27 – 5 = 22 дБ.
Коэффициент энергетического выигрыша Gp обработки сигнала
может быть рассчитан с использованием следующих отношений:
Gp =
Fрч
Fмод

Fрч
fн
,
где Fрч - ширина полосы радиочастоты канала,
8