ШПС_2014_Мелихов_ТУСУР. Шумоподобных сигналов часть 1
 Скачать 0.83 Mb.
|
|
11. Особенности радиосвязи на основе ШП-радиосигналов На основе изложенного в разделе 10, сформулируем особенности CDMA- радиосвязи на основе ШП-радиосигналов. 1. Энергетическая скрытность из-за низкого уровня спектральной плотности ШП-радиосигналов. 2. Защищенность связи от несанкционированного доступа за счет кодирования информационных сигналов псевдослучайными последовательностями. 3. Повышенная помехоустойчивость приемных систем к различному виду помех, в том числе к воздействию преднамеренных помех. 4. Постепенное уменьшение отношения С/П при увеличении числа пользователей, одновременно занимающих один и тот же радиоканал (ограниченную полосу частот. Это приводит к постепенному ухудшению качества связи, проявляющемуся в возрастании среднего количества цифровых ошибок (щелчков при приеме звуковых сигналов) за определенный промежуток времени. Заметим, что шумоподобные радиосигналы могут использоваться ив системах измерения дальности. Точность измерения может быть обеспечена в пределах длительности одного чипа ПСП, если в качестве маркера использовать максимальный выброс АКФ. 24 12. Корреляционный прием с обработкой импульсного ШП-сигнала интегрированием с накоплением Структурная схема приемника с обработкой импульсного ШП-сигнала интегрированием с накоплением приведена на риса. В состав коррелятора (КРЛ) входят перемножитель (Пм), генератор псевдослучайной последовательности (ГПСП), преобразователь уровней (ПУ), интегратор со сбросом (ИС) с эквивалентной полосой пропускания ИСП Т. Выходное напряжение ИС поступает на схему принятия решения (СПР. Рис. 13. Структурная схема приемника с обработкой ШП-сигнала интегрированием с накоплением (а принцип демодуляции шумоподобного радиосигнала (б-д) С выхода РТПР, имеющего полосу пропускания ПР RF ch П В /T 2 , ШП-радиосигнал RFi рис. б) поступает на демодулятор. После демодуляции образуется знакопеременный чиповый импульсный ШП-сигнал 25 i RFi o o i o i I S sin t sin( t )sin t cos , (33) причем i I 1, если o i 0 , и i I 1, если рис. в. После перемножения сигнала i I с ПСП П ˆ M (рис. г) на выходе Пм образуется знакопеременная последовательность k I (рис. д) с шириной спектра b / T 1 , интегрирование которой в блоке ИС приводит на его выходе к нарастающему положительному или отрицательному напряжению k U (рисе. В моменты времени, помеченные на рис. 13 точками, происходит сброс до нуля выходного напряжения ИС и срабатывание СПР, на выходе которой образуется цифровой поток k M (рис. ж. В этом случае согласованная селекция, осуществляемая коррелятором, по своей сути соответствует обработке импульсного ШП-сигнала с накоплением в блоке ИС выброса АКФ ПСП, которой закодированы биты полезного сигнала. 13. Формирование ШП-радиосигнала с использованием ортогональных функций Уолша Рассмотрим трехканальную систему формирования ШП-сигнала, изображенную на риса. Рис. 14. Структурная схема системы формирование ШП-сигнала с использованием ортогональных функций Уолша (а осциллограммы сигналов на выходе перемножителей и на выходе УЛС (в) 26 Пусть исходные информационные битовые последовательности го, го иго каналов с длительностью бита b T соответственно имеют вида для расширения спектра битовых последовательностей используются периодические и синхронизированные имеющие начало периода в один и тот же момент времени) знакопеременные функции Уолша длиной J 4 чипа (см. матрицу (19)): W ( ) ; W ( ) ; W ( ) , 0 3 1 4 1 1 1 1 4 1 1 1 1 4 1 1 1 1 (35) причем ch В этом случае осциллограммы сигналов на выходе перемножителей ( I 1 , I 2 , I 3 ) и на выходе устройства линейного весового сложения (УЛВС) системы ( I ) приведены на рис. б. Суммарный импульсный ШП-сигнал I имеет спектр враз шире, чем исходные битовые последовательности, поскольку длительность его единичного элемента враз меньше длительности бита. Если сигнал I подается на модулятор передатчика (модулятор не показан на риса, тона его выходе образуется ШП-радиосигнал с расширенным спектром. Поскольку сигнал I имеет изменяющийся уровень, то УЛВС, тракт передатчика и тракт приемника должны быть линейными, те. должны иметь линейные амплитудные характеристики. В УЛВС можно задать различные веса при сложении чиповых последовательностей разных каналов. При этом мощность передатчика будет распределяться неравномерно между сигналами каналов. В рассматриваемом примере веса УЛВС для последовательностей каналов одинаковы. 14. Корреляционный прием с обработкой импульсного ШП-сигнала интегрированием с накоплением. Синхронный множественный доступ В приемнике после демодуляции получаемый импульсный ШП-сигнал I подается на коррелятор, изображенный на риса (на рисунке не показаны РТПР и демодулятор. Коррелятор осуществляет обработку ШП-сигнала поканально интегрированием с накоплением. Для этого в каждом канале после перемножителей включены интеграторы со сбросом (ИС) и схемы принятия решения (СПР. Принцип работы коррелятора для второго канала поясняется осциллограммами сигналов в разных точках структурной схемы, изображенными на рис. б. Следует заметить, что крутизна изменения напряжения на выходе ИС за время одного чипа прямо пропорциональна уровню входного импульсного сигнала, а сброс выходного напряжения ИС до нулевого уровня происходит в момент окончания каждого периода сигнала Уолша (в момент окончания каждого периода интегрирования, эти моменты времени помечены точками на оси времени t ). СПР формирует нулевой бит, если выходное напряжение ИС в момент окончания периода сигнала Уолша отрицательное, и 27 единичный бит, если – положительное. При обработке суммарного сигнала в других каналах коррелятора происходят аналогичные процессы. Если в каком-либо канале коррелятора использовать функцию Уолша, не входящую в I (см. (35)), например W ( ) 2 4 1 1 1 1 (см. (19)), то выходе ИС в момент окончания каждого периода интегрирования будет нулевое напряжение (см. данные табл. 6) и СПР будет находиться в пассивном состоянии. Рис. 15. Структурная схема трехканального коррелятора приемника (а осциллограммы (в суммарного сигнала I ; сигнала Уолша для второго канала W ( ) 3 4 ; сигнала на выходе перемножителя второго канала ˆI 2 ; напряжения на выходе ИС второго канала U 2 ; цифрового потока на выходе СПР M 2 28 Таблица 6. Иллюстрация отсутствия сигнала на выходе ИС при использовании в каком-либо канале коррелятора функции Уолша, не входящей в суммарный сигнал I I 1 1 1 3 1 1 3 1 1 1 3 1 W ( ) 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 пм I I W ( ) 2 4 1 1 1 3 1 1 3 1 1 1 3 1 ис пм U I 0 Изложенное позволяет сформулировать понятие синхронного множественного доступа. Синхронный множественный доступ – это прием и разделение множества полезных сигналов, закодированных ортогональными синхронизированными функциями и переданных одним передатчиком на одной несущей частоте. Синхронный множественный доступ используется, например, в системе сотовой телефонии IS-95 в прямом канале связи, те. при приеме мобильной станцией (МС) ШП-радиосигнала от какой-либо базовой станции (БС). При этом ШП-радиосигнал БС может содержать дох информационных (полезных) сигналов, закодированных ортогональными функциями Уолша i W (J) длиной чип. 29 15. Задачи 15.1. Изобразите структурную схему цифрового автомата (каскадного сдвигового регистра с линейными обратными связями – LFSR – Linear Feedback Shift Register) для генерации псевдослучайной последовательности (ПСП) любой длины. Опишите принцип работы LFSR на примере генерации ПСП длиной L 3 2 1 15.2. Покажите, что возможно три варианта построения цифрового автомата (LFSR) для генерации псевдослучайной последовательности (ПСП) длиной L 3 2 1 . Запишите порождающие полиномы для этих вариантов. Докажите, что только два из трех вариантов образуют ПСП максимальной длины. Выберите вариант построения цифрового автомата, генерирующего ПСП с наилучшей автокорреляционной функцией (АКФ). Определите, являются ли два варианта ПСП предпочтительными. 15.3. Рассчитайте число М-последовательностей для n ,..., ,.. ,..., 7 10 16 и дозаполните таблицу 2 (стр. 9). 15.4. Найдите второй вариант алгоритма формирования бита четности в ГБЧ при n 4 , если первый вариант соответствует условию D x x 1 см. 3-ию строку таблицы 2, стр. 9). 15.5. Определите, являются ли предпочтительными две М-последовательности при числе разрядов регистра сдвига LFSR n 4 . 15.6. На примере цифрового автомата (LFSR), генерирующего псевдослучайную последовательность (ПСП) длиной L 3 2 1 , покажите, что использование управляемой маски позволяет получить реплику ПСП с циклическим сдвигом во времени на любое число чипов. 15.7. Запишите последовательности Уолша длиной L 3 с использованием матрицы Адамара. Докажите, что любая пара последовательностей Уолша ортогональна при синхронном варианте множественного доступа. 15.8. Изобразите структурную схему и опишите особенности формирования на базовой станции (БС) канала трафика системы сотовой телефонии IS-95. Объясните, как в канале трафика обеспечивается коэффициент расширения спектра (SF – Speading Factor), равный 64. 15.9. На примере прямого канала трафика БС МС (базовая станция мобильная станция) системы сотовой телефонии IS-95 объясните, почему при корреляционном приеме происходит улучшение отношения сигнал/помеха (или отношения сигнал/шум) и во сколько раз. 30 15.10. Определите время периода коротких псевдослучайных последовательностей (КПСП) длиной 15 системы сотовой телефонии IS-95, если скорость передачи цифрового потока с / Мбит 2288 , 1 R 15.11. Определите время периода длинной псевдослучайной последовательностей (ДПСП) длиной системы сотовой телефонии IS-95, если скорость передачи цифрового потока с / Мбит 2288 , 1 R 15.12. Определите число БС с одинаковыми несущими частотами системы сотовой телефонии IS-95, которые могут бесконфликтно работать водной зоне, если циклические сдвиги КПСП длиной 15 для БС кратны 64 чипам. 15.13. Рассчитайте наибольший радиус соты системы IS-95, если система сотовой связи имеет 512 БС и покрывает сплошную равнинную территорию по форме, близкую к кругу, ациклический сдвиг КПСП от соседних БС для МС должен быть не менее 64 чипов, следующих со скоростью с / Мбит 2288 , 1 R 15.14. Рассчитайте возможное количество абонентов (количество МС, которые могут обслуживаться системой сотовой телефонии IS-95, если длина ДППС 42 L 2 31 16. Контрольные вопросы 1. В чем заключаются принципы асинхронного, синхронного, асинхронно-синхронного множественных (многостанционных) доступов в технологии кодового разделения каналов связи (CDMA)? 2. Что такое база импульсного (битового) сигнала 3. Какие сигналы называют шумоподобными? 4. В чем заключаются особенности спектра шумоподобного радиосигнала 5. Какие методы применяются для формирования шумоподобного радиосигнала 6. Что такое автокорреляционная функция (АКФ) единичного импульса и его копии, сдвинутой во времени Свойства АКФ единичного импульса 7. Что такое псевдослучайная последовательность (ПСП)? Что такое периодическая ПСП»? 8. В чем заключаются особенности последовательностей Хаффмена? 9. Каковы особенности АКФ знакопеременных периодических М-последовательностей? 10. В чем особенности предпочтительных М-последовательностей? 11. В чем особенности периодических последовательностей Голда, периодических последовательностей Касами? 12. В чем особенности апериодических последовательностей Баркера? 13. Что такое цифровой автомат (LFSR), его назначение, особенности структурной схемы, принцип его работы 14. Что такое порождающий полином LFSR»? 15. Для чего нужна управляемая маска LFSR», принцип ее работы 16. Что такое ортогональные функции Уолша», как они формируются, их свойства 17. Особенности структурной схемы передатчика для формирования шумоподобного BPSK- радиосигнала с использованием метода прямой последовательности ? 18. В чем заключается линейное весовое сложение цифровых потоков для мультиплексирования многих каналов связи 19. Особенности структурной схемы корреляционного приемника с обработкой шумоподобного радиосигнала на высокой частоте 20. Что такое когерентная и согласованная селекция шумоподобного радиосигнала 21. Какова реакция коррелятора приемника на полезный (согласованный) шумоподобный радиосигнал 22. Какова реакция коррелятора приемника на несогласованный шумоподобный радиосигнал 23. Какова реакция коррелятора приемника на узкополосную радиопомеху? 24. Какова реакция коррелятора на широкополосный тепловой шум 25. Что такое запас помехоустойчивости корреляционного приемника на помехи различного типа, отчего он зависит и как рассчитать его значение 26. В чем заключается интегрирование с накоплением для демультиплексирования многих каналов связи в приемнике 27. В чем особенности структурной схемы коррелятора приемника с обработкой шумоподобного сигнала на уровне чиповой ПСП? 28. Различны или нет значения реальной чувствительности одноканального корреляционного приемника технологии CDMA и реальной чувствительности одноканального приемника технологии FDMA при одинаковой скорости принимаемого цифрового потока 32 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Агеев Д.В. Основы теории линейной селекции // Научно-технический сборник ЛЭИС. - 1935. - № 10. - С. 2. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М Радио и связь, 1985. - 384 с. 3. Пестряков В.Б., Афанасьев В.П. и др. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации / Под ред. В.Б. Пестрякова. - М Советское радио, 1973. - 424 c. 4. Берлин АН. Цифровые сотовые системы связи. М Эко-Трендз, 2007. – 296 с. 5. Весоловский Кшиштоф. Системы подвижной радиосвязи / Перевод с польск. И.Д. Рудинского; под ред. АИ. Ледовского. – М Горячая линия-Телеком, 2006. – 536 с. 6. Листопад НИ, Козел В.М., Горбачев КЛ, Ковалев КА. Системы и сети цифровой радиосвязи Учебное пособие. – Минск «Изд-во Гревцова», 2009. – 200 с. 7. Галкин В.А. Цифровая мобильная радиосвязь. Учебное пособие для вузов. – М Горячая линия – Телеком, 2007. – 432 с. 8. Феер К. Беспроводная связь. Методы модуляции и расширения спектра Перс англ. / Под ред. В.И. Журавлева. – М Радио и связь, 2000. – 520 с. 9. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. – М Изд. Дом Вильямс, 2003. – 1104 с. 10. Маковеева ММ, Шинаков ЮС. Системы связи с подвижными объектами. Учебное пособие для вузов. – М Радио и связь, 2002. – 440 с. 11. Системы мобильной связи Учебное пособие для вузов / В.П. Ипатов, В.К. Орлов, ИМ. Самойлов, В.Н. Смирнов; под ред. В.П. Ипатова – М Горячая линия – Телеком, 2003. – 272 с. 12. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. – М Международный центр научной и технической информации, 1996. – 239 с. 13. Мелихов СВ. Аналоговое и цифровое радиовещание Электронный ресурс Учебное пособие. Издание второе, исправленное. – Томск Томский гос. унт систем управления и радиоэлектроники, 2012. – 233 с. Режим доступа http://edu.tusur.ru/training/publications/1642). 14. Мелихов СВ. Аналоговое и цифровое радиовещание Учебное пособие. – Томск Томск. гос. унт систем управления и радиоэлектроники, 2002. – 251 с. 15. Мелихов СВ. Оценка чувствительности радиоприемных устройств Электронный ресурс Учебно-методическое пособие для курсового проектирования и практических занятий. – Томск Томск. гос. унт систем управления и радиоэлектроники, 2012. – 100 с. Режим доступа http://edu.tusur.ru/training/publications/2807). 16. Мелихов СВ. Оценка чувствительности радиоприемных устройств Учебное пособие. – Томск Томск. гос. унт систем управления и радиоэлектроники, 2007. – 100 с. |