Какой самый неэффективный вид модуляции почему

Виды модуляции цифровых сигналов (манипуляции)

Цифровой сигнал обладает большим числом преимуществ, отмеченных в статье «Виды сигналов, применяемых в телекоммуникации». Однако при передаче на дальние расстояния (более 100 метров) он начинает терять одно из своих самых важных свойств: помехозащищенность. Это связано с тем, что в качестве среды, как правило, используется воздушное пространство в случае радиопередачи и проводные каналы связи, а цифровой сигнал в этих средах очень быстро затухает. Использовать ретрансляторы через каждые несколько сотен метров при передаче на дальние расстояния экономически неэффективно. Кроме того, это не всегда технически реализуемо, в частности в сотовых системах связи максимальная удаленность мобильной станции (MS) от базовой станции (BTS) может достигать 35 км. Также есть еще одно важное свойство, требуемое для цифрового канала связи – широкополосность. Цифровой сигнал с резкими переходами между уровнями требует широкой полосы для его передачи. В противном случае переходы между уровнями будут «заламываться» и сигнал будет «смазанным», что может привести к высокому проценту ошибок. Для решения вышеуказанных проблем используют различные методы модуляции цифровых сигналов, о которых и пойдет речь в данной статье.

Модуляция – это процесс изменения каких-либо параметров несущего сигнала под действием информационного потока. Данный термин обычно применяют для аналоговых сигналов. Применительно к цифровым сигналам существует другой термин «манипуляция», однако его часто заменяют все тем же словом «модуляция» подразумевая, что речь идет о цифровых сигналах.

Существует 3 основных вида манипуляции сигналов: амплитудная (Amplitude-shift keying (ASK)), частотная (Frequency-shift keying (FSK)) и фазовая (Phase-shift keying (PSK)). Этот набор манипуляций определяется основными характеристиками, которыми обладает любой сигнал (см. статью «Сигнал и его основные характеристики»).

Виды манипуляции сигналов

АМ, ЧМ и ФМ являются базисом и достаточно редко применяются на практике поодиночке. Чаще применяются их модификации или в сочетании друг с другом. В частности в стандарте GSM (Global System for Mobile Communications) на радио интерфейсе применяется модуляция GMSK (Gaussian modulation with Minimum Shift Keying) – гауссовская манипуляция с минимальным фазовым сдвигом. Главное ее преимущество заключается в том, что манипулированный этим методом сигнал занимает гораздо меньшую частотную полосу, чем при обычной фазовой манипуляции. Однако в основу GMSK положена, рассмотренная выше обычная фазовая манипуляция, и это видно даже из названия.

Таким образом, выбор того или иного метода манипуляции обусловлен требованиями по помехозащищенности, пропускной способности канала связи, стоимостью реализации оборудования и т.п.

При использовании материалов ссылка на сайт обязательна

—С автором сайта можно связаться по e-mail: ipleto@gmail.com

Server Error in ‘/’ Application.

Description: An application error occurred on the server. The current custom error settings for this application prevent the details of the application error from being viewed remotely (for security reasons). It could, however, be viewed by browsers running on the local server machine.

Details: To enable the details of this specific error message to be viewable on remote machines, please create a tag within a «web.config» configuration file located in the root directory of the current web application. This tag should then have its «mode» attribute set to «Off».

Notes: The current error page you are seeing can be replaced by a custom error page by modifying the «defaultRedirect» attribute of the application’s configuration tag to point to a custom error page URL.

2. Виды модуляции.

С качественной стороны амплитудная модуляция (AM)может быть определена как изменение амплитуды несущей пропорциональ­но амплитуде модулирующего сигнала (рис. 1,а).Для модулирующего сигнала болшой амплитуды

а — форма сигнала; б — спектр частот.

соответствующая амплитуда мо­дулируемой несущей должна быть большой и для малых значений А_м. Эта схема модуляции может быть осуществлена умножением двух сигналов: е_не_м. Как будет видно из дальнейшего, это является особым случаем более общего метода модуляции. Для упрощения последующих математических преобразований видоизменим урав­нения (la)и (2а), опустив произвольные фазыq_ниq_м:

Произведением этих двух выражений является:

Уравнение (3) показывает, что амплитуда модулированной несу­щей будет изменяться от нуля (когда w_мt= 90 0 , cos(w_мt)=0) до А_нА_м(когдаw_мt= 0 0 , cos(w_мt)=1). Член А_мcos(w_мt)×А_нявляется амплитудой модулированных колебаний и прямо зависит от мгно­венного значения модулирующей синусоиды. Уравнение (3) может быть преобразовано к виду

(4а)

Это преобразование основано на тригонометрическом тождестве

(5)

Уравнение (4a) представляет собой сигнал, состоящий из двух колебаний с частотами w₁=w_н+w_миw₂=w_н-w_ми амплитудами А_нА_м/2. Переписывая выражение для модулирован­ного колебания (4a), получим

(4б)

w₁иw₂называются боковыми полосами частот, так какw_мобычно является полосой частот, а не одиночной частотой. Следовательно,w₁иw₂представляют собой две полосы частот — выше и ниже не­сущей (рис. 1,б), т. е. верхнюю и нижнюю боковую полосу соответ­ственно. Вся информация, которую необходимо передать, содержит­ся в этих боковых полосах частот.

Уравнение (4б) было получено для особого случая, когда модулированный сигнал был результатом прямого перемножения е_нна е_м.В результате уравнение (4б) не содержит компонента на частоте несущей, т. е. частота несущей полностью подавлена. Такой тип модуляции с подавленной несущей иногда преднамеренно проек­тируется в системах связи, так как это ведет к снижению излучае­мой мощности. В большинстве таких систем излучается некоторая часть мощности на частоте несущей, позволяя тем самым приемному устройству настраиваться на эту частоту. Можно также передавать лишь одну боковую полосу, так как она содержит всю существенную информацию о модулирующем сигнале. Приемное устройство затем восстанавливает е_мпо модуляции одной боковой полосы.

Полное выражение, представляющее амплитудно-модулированное колебание в общем виде, имеет вид

Это выражение описывает как неподавленную несущую (первый член в правой части уравнения), так и произведение, т. е. модуля­цию (второй член справа). Уравнение (6a) можно переписать в виде

Последнее выражение показывает, как амплитуда несущей изме­няется в соответствии с мгновенными значениями модулирующего колебания. Амплитуда модулированного сигнала А_нмсостоит из двух частей: А_н— амплитуды немодулированной несущей и А_мcos(w_мt) —мгновенных значений модулирующего колебания:

Отношение А_мк А_нопределяет степень модуляции. Для А_м=А_нзначение А_нмдостигает нуля при cos(w_мt)=-1 (w_мt=180°) и А_нм=2А_н приcos(w_мt)=1 (w_мt= 0°). Амплитуда модулирован­ной волны изменяется от нуля до удвоенного значения амплитуды несущей. Отношение

определяет коэффициент модуляции. Для предотвращения искаже­ний передаваемой информации — модулированного сигнала — значение mдолжно быть в пределах от нуля до единицы: 0£m£1. Это соответствует А_м£А_н.(Дляm=0 А_м= 0, т. е. нет модулирующего сигнала.) Уравнение (6a) может быть переписано с введениемm:

На рис. 2,а показана форма модулированных колебаний и ко­эффициент модуляции mвыражен через максимальное и минималь­ное значения ее амплитуды (пикового и узлового значений). Рис. 2,б дает представление о спектре модулированных колебаний, который может быть выражен преобразованием уравнения (6):

(6г)

несущая верхняя боковая полоса нижняя боковая полоса

На рис. 2,в показан результат модуляции с коэффициентом m, превышающим 100%:m>1.

В таблице на рис. 3 приведены амплитуда и мощьность для каждой из трех частотных компонент модулированного колебания.

Верхняя боковая полоса

Нижняя боковая полоса

Рнс. 3. Мощность и амплитуда АМ-колебаний.

Для 100%-ной модуляции (m=1) и мощности несущей 1 кВт полная мощность модулированных колебаний составляет 1 кВт+( 1 /₂) 2 кВт+( 1 /₂) 2 кВт=1,5 кВт. Отметим, что приm=1мощность, заключенная в обеих боковых полосах, составляет поло­вину мощности несущей. Аналогично приm=0,5 мощность в обе­их боковых полосах составляет 1 /₈мощности несущей. Указанное выше имеет место лишь для синусоидальной формы AM.Амплитуд­ная модуляция может быть использована в передаче импульсных значений.

При обычной модуляции с двумя боковыми полосами, использу­емой в радиовещании, информация передается исключительно в бо­ковых полосах. Для того чтобы получить, например, хорошее ка­чество звука, необходимо работать в полосе частот шириной 2М, где М —ширина полосы высококачественного воспроизведения звука (20—20 000 Гц). Это означает, что стандартное АМ-радиовещание, к примеру, с частотами до 20 кГц должно иметь ширину полосы ±20 кГц (всего 40 кГц), учитывая верхнюю и нижнюю боковые по­лосы. Однако на практике ширина полосы частот по правилам ФКС ограничивается величиной 10 кГц (±5 кГц), которая предусматри­вает для радиопередачи звука ширину полосы всего лишь 5 кГц, что далеко от условий высококачественного воспроизведения. Радиовещание с частотной модуляцией, как это будет показано ниже, имеет более широкую полосу частот.

Федеральная комиссия связи также устанавливает допуски час­тоты всех распределений частот в США. Все АМ-радиовещание (535—1605 кГц) имеет допустимые отклонения в 20 Гц, или около 0,002 %. Эта точность и стабильность частоты может быть достигнута путем использования кварцевых генераторов.

Детектирование или демодуляция АМ-колебаний требует вы­прямления модулированного сигнала, сопровождаемого исклю­чением несущей частоты с помощью соответствующей фильтрации. Эти две стадии воспроизведения модулирующего сигнала могут быть продемонстрированы па примере колебания, изображенного на рис. 2, а.После выпрямления остается лишь половина колебания, а после фильтрации присутствует лишь его огибающая, которая явля­ется воспроизведенным сигналом.

На рис. 4 приведены функциональные схемы передающей и приемной систем с амплитудной модуляцией.

Рис. 4. АМ-система.

а-функциональная схема передатчика; б-функциональная схема приемника.

Передатчик содержит два источника: сигнала модуляции — от микрофона, проигрывате­ля и т.д. и несущей — от генератора с кварцевой стабилизацией. Модулирующий сигнал и несущая вводятся в модулятор, который вырабатывает модулированный сигнал, который затем передается через антенну. В большинстве передатчиков большой мощности мо­дуляция осуществляется в последнем каскаде системы для того, чтобы избежать необходимости усиливать модулированный сигнал. Усиление несущей и модулирующего сигнала происходит раздельно. Степень модуляции контролируется изменением амплитуды модуля­ции и поддержанием постоянной амплитуды несущей. С тех пор как передаваемая мощность стала лимитироваться ФКС, большинство радиовещательных станций имеет автоматическое управление и контроль мощности, как это показано штриховыми линиями на рис. 4,а.

Приемник (рис. 4,б) содержит высокочастотный усилитель, который усиливает сигнал, принятый антенной. ВЧ-усилитель на­страивается; его частота настройки может быть изменена (в диапазо­не радиовещания для АМ-приемников) для выбора нужной станции. Термин «избирательность», примененный к приемнику, относится к способности приемника выбирать отдельную станцию (частоту), не принимая при этом сигналов от примыкающих к ней станций. Например, если приемник имеет плохую избирательность, то при настройке на станцию WQXP(1560 кГц) может быть также принята другая, смежная станция WWRL(1600 кГц). Ясно, что приемник с такой плохой избирательностью является непригодным. Нужно так­же помнить, что ВЧ-усилитель должен иметь ширину полосы 5 кГц для звуковых сигналов (две боковые полосы требуют ширину поло­сы±5 кГц вокруг частоты несущей). Таким образом, требуется по­лоса частот 10 кГц совместно с высокой избирательностью, которая означает очень крутые спады частотной характеристики перестраи­ваемого контура, обеспечивающие существенное ослабление сигна­лов вблизи выбранной частоты, но находящихся вне полосы частот ±5 кГц.

Приемник, показанный на рис. 4,б,является приемником или прямого усиления (сплошные линии), или гетеродинного типа (штри­ховые линии). В последнем принятый ВЧ-сигналw_нсмешивается с колебаниями от местного генератора-гетеродинаw_г. В результате возникают два сигнала — с частотамиw_г-w_ниw_г+w_н. Сиг­нал с разностной частотойw_г-w_нусиливается усилителем проме­жуточной частоты (УПЧ) и затем подводится к детектору. На рис. 4,б штриховыми линиями вместо сплошных линий между ВЧ-усилителем и детектором представлена функциональная схема гетеро­динного приемника. Такой метод приема позволяет настраиваться на любую станцию, в то время как промежуточная частота остается равной 455 кГц и легко усиливается усилителями с фиксированной частотой настройки. Отметим, что для того, чтобы настроиться на станцию, нужно изменять w_гиw_нодновременно, и, таким образом, разностьw_г-w_ностается неизменной. Приемник гетеродинного типа имеет лучшую избирательность и гораздо большую чувстви­тельность. Минимально различимый им сигнал составляет 10 мкВ на антенне. Когда мы говорим «различимый», то подразумеваем пре­вышающий уровень шумов приемника.

1. ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ, ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ

В методе частотной модуляции (ЧМ) амплитуда модулирующего сигнала управляет мгновенной частотой несущей. Идеальная ЧМ не вносит изменений в амплитуду несущей. Следовательно, форма напряжения модулированной несущей может быть выражена в виде е_чм=А_нcos[w_нt+d×sin(w_мt)] (9) где w_ниw_м — соответственно несущая частота и частота модуля­ции, аd- индекс модуляции. Частоты модулированного колеба­ния могут быть получены из выражения cos[w_нt+d×sin(w_мt)]с ис­пользованием тригонометрических формул и специальных таблиц (функции Бесселя).. Индекс модуляции dопределяется какDw_н/w_м=Df_н/f_м— от­ношение максимальной девиации частоты (за один период модули­рующего сигнала) к частоте модуляции. Детальный анализ частот­ной модуляции сложен. Рассмотрим на примерах основные черты этого метода. Будем предпо­лагать наличие одиночной частоты модуляцииw_м(е_м=А_мsin(w_мt)). Девиация частоты Dw_нпрямо пропорциональна мгновенному значению модулирующего сигнала е_м=А_мsin(w_мt).Таким образом,Dw_нможно выразить через е_м: Dw_н=k_fА_мsin(w_нt) (10) где k_f—коэффициент пропорциональности, аналогичный по сво­ему характеру чувствительности; он дает девиацию частоты на 1 В (Dw/В). Следовательно, при w_нt=90° (sin(w_нt)=1) Dw_н=k_fА_м— максимальная девиация частоты синусоидального модулирующего сигнала. Например, если sin(w_нt)=0,5,k_f=2p×1000 (рад/с)/В=1000 Гц/В и А_м=10В, то мы получаемDw_н=2p×1000×10×0,5=2p×5000 рад/с, т. е. девиацию частоты несущей 5 кГц. Максималь­ное значениеDf_н при этих условиях (sin(w_нt)=1) будет составлять 10 кГц. Отметим, что, так какsin(w_нt ) может быть равным +1 или-1, то Df_нмакс=±10 кГц. Если задано значениеf_м, то можно вычис­лить индекс модуляцииd. Дляf_м=2000d=10000/2000 (Df_н/f_м); таким образом,d=5. Индекс модуляции должен быть всегда воз­можно большим, чтобы получить свободное от шумов верное воспро­изведение модулирующего сигнала. Девиация частотыDf_нв ЧМ-радиовещании ограничена величиной до +75 кГц. Это приводит к значениюd=75/15=5 для звукового модулирующего сигнала с максимальной частотой 15 кГц. Исследуя изменения частоты несущей с ЧМ, есть соблазн прийти к выводу о том, что ширина полосы, необходимой для ЧМ-передачи, составляет ±Dw_н, или 2Dw_н, так как несущая меняется по частоте в пределах ±Dw_н, т. е.w_чмàw_н±Dw_н.Этот вывод, однако, полностью ошибочен. Может быть показано, что ЧМ-колебания состоят из несущей и боковых полос аналогично AMс одним лишь существенным различием: при ЧМ существует множество боковых полос (рис. 5). Амплитуды боковых полос связаны весьма сложным образом с индексом модуляции. Отметим, что частоты боковых по­лос связаны лишь с частотой модулирующего сигналаw_м, а не с девиацией частотыDw_н. Для предыдущего примера, когдаd=5 иw_м=15 кГц (максимум), мы получаем семь пар полос (w_н±w_м,w_н±2w_м,w_н±3w_м, и т.д.) с изменяющимися амплитуда­ми, но превышающими значение 0,04А_н. Все другие пары за пре­деламиw_н±7w_мимеют амплитуды ниже уровня 0,02А_н. Первая пара боковых полос может быть описана как 0,33А×[sin(w_н+w_м)t+sin(w_н-w_м)t]имеет амплитуду 0,33 А_н; вторая пара -w_н±2w_м — имеет амплитуду 0,047А_н. Отметим, что амплитуды различных боковых полос не являются монотонно убывающими по мере того, как их частоты все более и более удаляются отw_н. Фактически в приведенном примере сd=5 наибольшей пoамплитуде (0,4 А_н) является четвертая пара боковых полос. Амп­литуды различных боковых полос получены из специальных таблиц, описывающих эти полосы для различных значенийd. Очевидно, что ширина полосы, необходимая для передачи семи пар боковых полос, составляет±7×15 кГц, или 14×15 кГц=210 кГц (дляf_м=15 кГц). На этом же основании ширина полосы, необходимая дляd=10 (Dw_н/w_м=10), равна 26f_м;13 боковых полос в этом случае составят 26×15=390 кГц. Таким образом, частотная модуляция требует значительной ширины полосы частот и, как следствие, ис­пользуется только при несущих с частотами 100 МГц и выше. Рис. 5. Боковые полосы ЧМ. w_н-несущая частота;w_м-частота модуляции. Частотно-модулированная связь гораздо менее чувствительна к помехам. Шумы, попадающие в ЧМ-сигнал, будь то атмосферные возмущения (статические), тепловые шумы в лампах и сопротивле­ниях или любые другие шумы, имеют меньшую возможность влиять на прием, чем в случае AM.Основной причиной этого является по­просту тот факт, что большинство шумов амплитудно модулируют несущую. Делая приемник нечувствительным к изменениям амплиту­ды, практически устраняем эту нежелательную модуляцию. Вос­становление информационного сигнала из ЧМ-волны связано лишь с частотным детектированием, при котором выходной сигнал зависит лишь от изменений частоты ЧМ-сигнала, а не от его амплитуды. Большинство приемников содержит усилитель-ограничитель, который поддерживает постоянную амплитуду ЧМ-колебаний, устраняя тем самым любой АМ-сигнал. Существуют различные методы ЧМ-детектирования и селекции. В основе большинства методов лежит использование наклона час­тотной характеристики резонансного контура (рис. 6). Амплитуда отклика изменяется с частотой. Для w_н+Dw_нполучаем амплиту­ду А₁, дляw_н-Dw_н— амплитуду А_2,а для частот между Рис. 6. Принцип использования резонансного контура в качестве частот­ного детектора. w_н+Dw_ниw_н-Dw_нимеем все промежуточные амплитуды меж­ду А₁и А₂.Выходной сигнал соответствует девиации частоты вход­ного сигнала (хотя и не совсем линейно в простом резонансном кон­туре) и тем самым воспроизводит первоначальный модулирующий сигнал. Цепь фазовой автоподстройки (ФАП), вскоре стала одним из наиболее распространенных средств ЧМ-детектировапия, особенно применительно к импульсным моду­лирующим сигналам. Некоторые схемы ФАП снабжены логическими выходными схемами, согласованными с соответствую­щими входными сигналами импульсной формы. Как отмечалось ранее, ЧМ —лишь один тип угловой модуля­ции. Другим является фазовая модуляция. Эта модуляция очень похожа на ЧМ. При фазовой модуляции мгновенная фаза несущей из­меняется пропорционально мгновенной амплитуде модулирующе­го сигнала. Это приводит к изменению несущей частоты w_н, как вид­но из уравнения w_фаз=w_н+k_фw_мА_мsin(w_мt)(11) где k_ф,—коэффициент пропорциональности, измеряемый в едини­цах рад/В. Фазовая и частотная модуляция часто используются в одной системе модуляции, так как прием и детектирование обеих идентичны. Функциональные схемы передатчика и приемника с ЧМ почти те же, что и для AM.Ширина полосы частот ЧМ существенно шире, а несущая частота значительно выше (100 МГц и более). Более широ­кая полоса частот приводит к более верному воспроизведению вход­ных звуковых сигналов, так что звуки с частотами выше 5 кГц должны передаваться системами ЧМ. В приемниках с частотной мо­дуляцией иногда используется двойное гетеродинирование с двумя промежуточными частотами-5 МГц и 455 кГц.

1. ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ (ИМ)

Импульсная модуляция (ИМ) не является в действительности каким-то особым типом модуляции. Этот термин характеризует ско­рее вид модулирующего сигнала. Далее различают импульсную амп­литудную и импульсную частотную модуляции. Здесь учитывают то, каким образом информация представлена — с помощью импульса или ряда импульсов. Можно рассматривать в качестве модулируе­мой величины амплитуду импульса, или его ширину, или его поло­жение в последовательности импульсов и т. д. Следовательно, су­ществует большое разнообразие методов импульсной модуляции. Все они используют в качестве формы передачи или AM,или ЧМ. Рис. 7. Последовательность импульсов, отображающих число 37 в двоично-десятичном коде (младший значащий разряд первый). Импульсная модуляция может быть использована для передачи как цифровых, так и аналоговых форм сигнала. Когда речь идет о цифровых сигналах, мы имеем дело с логическими уровнями — вы­соким и низким — и можем модулировать несущую (с помощью AM или ЧМ) рядом импульсов, который представляет цифровое значе­ние. Например, если для числа 37 передается код ДКД (двоично-кодированное десятичное число) 00110111, то для модуляции несу­щей просто должна использоваться указанная последовательность нулей и единиц. Каждый нуль может быть представлен уровнем 0В, а каждая единица — уровнем, например, 5В. Образован­ная в результате последовательность импульсов показана на рис. 7 вместе с совпадающим рядом синхронизирующих импульсов, необходимых для идентификации положения единиц и нулей. В указанной последовательности важен порядок импульсов. Сначала передается МЗДР (младший значащий десятичный разряд) 7, а за­тем СЗДР (старший значащий десятичный разряд) 3. В каждом де­сятичном разряде на первом месте старший двоичный разряд (бит). Отметим, что, даже если все импульсы имеют полную амплитуду 5 В, обычно допускается изменение цифровых уровней в широком диапа­зоне напряжений, что не приводит к нарушению нормальной работы системы. Например, логический уровень «1» может изменяться в пре­делах от 2,4 до 5,5 В. При использовании импульсных методов для передачи аналого­вых сигналов необходимо сначала преобразовать аналоговые данные в импульсную форму. Это преобразование также относится к моду­ляции, так как аналоговые данные используются для модулиро­вания (изменения) последовательности импульсов или импульсной поднесущей. На рис. 8,а показана модуляция синусоидальным сиг­налом амплитуд последовательности импульсов. Рис. 8. Форма сигналов амплитудно-импульсной модуляции. а—форма модулированного сигнала; б—воспроизведенная форма сигнала при низкой часто­те следования импульсов, Т₁—период последовательности импульсов;в —воспроизведенная форма сигнала при высокой частоте следования импульсов, Т₂—период последовательности импульсов. Амплитуда каждого импульса в модулированной последовательности зависит от мгновен­ного значения аналогового сигнала. Синусоидальный сигнал может быть восстановлен из последовательности модулированных импуль­сов путем простой фильтрации. На рис. 8,б графически показан процесс восстановления первоначального сигнала путем соединения вершин импульсов прямыми линиями. Однако восстановленная на рис. 8,б форма колебаний не является хорошим воспроизведени­ем первоначального сигнала из-за того, что число импульсов на пе­риод аналогового сигнала невелико. При использовании большего числа импульсов, т. е. при большей частоте следования импульсов по сравнению с частотой модулирующего сигнала, может быть достигнуто более лучшее воспроизведение (рис. 8,в). Этот процесс амплитудно-импульсной модуляции (АИМ), относящийся к модуля­ции поднесущей последовательности импульсов, может быть выпол­нен путем выборки аналогового сигнала через постоянные интерва­лы времени импульсами выборки с фиксированной длительностью. Импульсы выборки — это импульсы, амплитуды которых равны ве­личине первоначального аналогового сигнала в момент выборки. Частота выборки (число импульсов в секунду) должна быть по край­ней мере в два раза большей, чем самая высокая частота аналогового сигнала. Для лучшей воспроизводимости частота выборки обычно устанавливается в 5 раз большей самой высокой частоты модуляции. АИМ является только одним типом импульсной модуляции. Кро­ме него существуют: ШИМ — широтно-импульсная модуляция (модуляция импуль­сов по длительности); ЧИМ — частотно-импульсная модуляция; КИМ — кодово-импульсная модуляция. Широтно-импульсная модуляция преобразует уровни выборок. напряжений в серии импульсов, длительность которых прямо пропорциональна амплитуде напряжений выборок (рис. 9,а). Отме­тим, что амплитуда этих импульсов постоянна; в соответствии с мо­дулирующим сигналом изменяется лишь длительность импульсов. Интервал выборки — интервал между импульсами — также фик­сирован. Частотно-импульсная модуляция преобразует уровни выборок напряжений в последовательность импульсов, мгновенная частота которых, или частота повторения, непосредственно связана с вели­чиной напряжений выборок. И здесь амплитуда всех импульсов оди­накова, изменяется только их частота. По существу все аналогич­но обычной частотной модуляции, лишь несущая имеет несинусои­дальную форму, как в случае обычной ЧМ; она состоит из последо­вательности импульсов. Кодово-импульсная модуляция преобразует выборки напряжения в кодированное сообщение. К примеру, дискретный уровень, равный 5,5 В, может быть представлен двоичным числом 101.101=5,5 с помощью аналого-цифрового преобразователя. Кодовое сообщение 101.101 представляет собой некоторую выборку напряженияV_s. Подобным кодированием (в данном случае двоичным кодом) преоб­разуют каждую выборку. Последовательность таких кодовых сооб­щений представляет собой серию чисел, описывающих последова­тельные выборки. Код может быть любым: двоичным с шестью раз­рядами, как представленный выше, или двоичным кодом с Nразря­дами, или двоично-кодированным десятичным и т. д. (рис. 7). Рис. 9. Широтно-импульсная модуляция. Приведенные выше модуляционные схемы — лишь некоторые представители большого числа используемых методов. Подчеркнем, что рассмотренная здесь ИМ-модуляция относится к модуляции поднесущей, т. е. модуляции последовательности импульсов, которые затем используются в системах AMили ЧМ. Речь идет о двух сле­дующих друг за другом модуляциях. Во-первых, информация мо­дулирует последовательность импульсов. Здесь может быть исполь­зована АИМ, ШИМ, ЧИМ, КИМ или любой другой вид модуляции. Во-вторых, содержащая информацию поднесущая модулирует синусоидальную несущую. Частотно-импульсная модуляция синусоидальной несущей при­водит к Dw_н-девиации частоты несущей скачкообразным отклонени­ем от несущей. Например, частотная модуляция логических уровней «0» и «1» (0 В и 5В) дает две частоты —w_н(для логического уровня «0») и w_н+Dw_н(для уровня «5»). По существу, мы просто сдви­гаем частоту несущей отwк w_н+Dw_ндля изображения логичес­кого уровня «1». Этот тип частотной модуляции называется также и частотной манипуляцией и обычно используется в передаче сигналов с помощью телеграфа и других цифровых устройств связи. Для вос­становления логических уровней из частотно-манипулированной несущей может быть использована цепь фазовой автоподстройки (ФАП). Методы импульсной модуляции очень широко распространены в приложениях телеметрии.

Какой самый неэффективный вид модуляции почему

Радиосвязь использовалась много лет, как способ организации соединений точка-точка и точка-многоточка для низкоскоростных приложений. Традиционно, эти приложения использовали узкие полосы частот, и если частоты были доступны, то это было хорошим решением.

Радиосигналы состоят из несущей частоты, на которую накладывается информация (звук, видео или цифровые данные) в процессе, называемом модуляцией. Модуляция создает боковые полосы по обеим сторонам несущей частоты, которые и несут передаваемую информацию. Получатели радиосигналов используют демодуляторы, чтобы избавиться от несущей частоты и извлечь желаемую информацию. Естественно, что получатель радиосигнала должен использовать метод демодуляции, соответствующий методу, используемому передающей стороной.

Как спектр радиосигналов AМ (амплитудная модуляция, используемая для радиовещания на длинных, средних и коротких волнах) отличается от спектров FM (частотная модуляция, используемая в УКВ вещании) и TV сигналов (телевидение), так и Spread Spectrum имеет отличный от них спектр. Spread Spectrum — это просто другая технология модуляции.

AМ и, в меньшей степени, FM сигналы исторически разработаны, чтобы концентрировать энергию в центре их полос частот, что обеспечивает передачу радиосигналов на расстояния от десятков до сотен километров. Узкая полоса частот AМ (4 kHz) адекватна ширине спектра речевой информации, в то время как ЧМ, с немного более широкой полосой частот (15 kHz), более подходит для передачи стерео музыки. ТV с еще более широкой полосой (6 MHz), имеет наибольшую пропускную способность из традиционных радиосистем. Для обеспечения электромагнитной совместимости работы многих радиостанций в каждой конкретной географической области, в каждой стране функционирует специальный государственный орган (в СШA — FCC, в России — Госсвязьнадзор и Государственный комитет по радиочастотам), который делит весь радиочастотный спектр и лицензирует специфические частоты для исключительного использования отдельными радиостанциями или радиосистемами. В случае же Spread Spectrum вся полоса (например, 902-928MHz или 2.4 — 2.483ГГц) доступна для использования. Вместо того чтобы поделить полосу, FCC ограничила уровень используемой радиосистемами мощности и определила другие специальные ограничения. Проектирование систем для этого диапазона ориентировалось на надежный прием при низкой передаваемой мощности в относительно узком диапазоне частот.

В то время как традиционные методы модуляции для преодоления шумов разрабатывались с учетом максимальной концентрации мощности в центре выделенной полосы частот, Spread Spectrum основан на полностью отличной от них проектной метафоре. Spread Spectrum, спроектирован с целью минимизации средней мощности для любой данной частоты, повышения надежности передачи данных за счет увеличения избыточности. Это реализовано «размазыванием» сигнала на 26 доступных MHz (в полосе 902-928 MHz), и требованием, чтобы приемник «знал», где искать части «размазанного» сигнала. Это означает, что каждый получатель должен знать, каким кодом было произведено кодирование и использовать соответствующие механизмы для декодирования посланных сигналов. Пользователи Spread Spectrum умышленно размазывают свои сигналы на очень широкую полосу частот, полагая, что другие в этой полосе делают тоже.

FCC выделяет для Spread Spectrum систем очень широкую полосу частот, полагая, что этой полосой будут пользоваться одновременно много систем, и, как следствие, она будет использоваться эффективно. Предоставление каждому из Spread Spectrum систем такой широкой полосы позволяет получить высокие скорости передачи данных. Обычно скорость лежит в диапазоне 200 Kbps — 2Mbps.

Spread Spectrum системы обеспечивают экономически эффективный, надежный вариант организации линии связи, особенно в районах стихийных бедствий и повышенной опасности, где провода и волоконно-оптические кабели механически уязвимы, а также в районах, где информационный кабель прокладывается в поле и имеется высокая вероятность разрушения его от прямого попадания молнии или от сильных ветров и ураганов.

Spread Spectrum системы существуют уже много лет. Однако они использовались почти исключительно для военных и научных целей. В 1985 FCC допустил коммерческое использование Spread Spectrum. Свойства, которые делали Spread Spectrum привлекательным для военных, делают его идеальным и для индустриального использования. Это такие свойства, как устойчивость к помехам и преднамеренному вмешательству, трудности в обнаружении и перехвате, возможность закрытия информации.

Широкая полоса частот против узкой.

Различные методы узкополосной и широкополосной модуляций имеют свои специфические преимущества для конкретных целей. Преимущества каждого могут обсуждаться только в контексте. Коммерческая радиостанция располагает свой сигнал по возможности в более узком спектре частот для того, чтобы «оставить» как можно больше места другим станциям для возможно более эффективной совместной эксплуатации спектра, доступного для коммерческого использования. Мощность каждой радиостанции сконцентрирована в выделенной полосе частот. При настройке на AМ/FM радиостанцию мы слышим наиболее чистый сигнал на центральной частоте. При незначительной отстройке к краям качество быстро ухудшается.

Spread Spectrum системы используют очень широкий спектр, и были разработаны для целей, сильно отличающихся от задач коммерческих радиостанций. Благодаря расширению спектра сигнала на широкий диапазон частот заметно уменьшается влияние электромагнитных помех на целостность сигнала, так как помеха обычно генерируется в узкой полосе частот. Если помеха совпадает с полосой узкополосного сигнала, он может быть временно замаскирован. Та же самая помеха, появляющаяся в полосе частот Spread Spectrum сигнала, может поразить только очень маленькую часть всей полосы, а так как передаваемый сигнал распределен на весь спектр, он будет надежно восстановлен в приемнике. Уменьшение соотношения сигнал-шум Spread Spectrum сигнала из-за распределения мощности по широкому спектру компенсируется использованием интегрирующего процесса в получателе, который повышает уровень полезного сигнала, и соответственно повышает соотношение сигнал-шум.

Лицензирование

FCC не требует никакой лицензии для использования Spread Spectrum систем. Разрешение выдается изготовителю и передается заказчику после приобретения продукта. Оборудование ДОЛЖНО быть сертифицировано в FCC (в России — в МС РФ). Не прошедшие сертификацию устройства не могут использоваться даже на экспериментальной основе без соответствующего согласования.

Spread Spectrum. Немного теории.

Исходя из общего правила, чем сильнее концентрируется энергия сигнала для передачи отдельной единицы информации, тем выше эффективность модуляции. В то время как требование «компактности» сигнала исходит из здравого смысла, методы Spread Spectrum используют совершенно противоположный подход — распределение сигнала на очень широкую полосу частот.

Полосы информационных сигналов могут быть значительно расширены с коэффициентами от 10 до 10,000 за счет объединения их с двоичными последовательностями с использованием нескольких различных методов, описываемых ниже. В результате такого расширения спектра появляются два полезных эффекта.

Эффект п ервый — рассредоточение энергии сигнала в пределах очень большой полосы частот, что соответственно снижает плотность мощности в любой точке спектра. Уровень рассредоточенного сигнала зависит от нескольких факторов, таких как передаваемая мощность, расстояние от передатчика, усиление антенн и ширины спектра. Рассредоточение энергии позволяет опустить сигнал ниже уровня шума. Стандартный узкополосный приемник, не может распознать за шумами Spread Spectrum сигналы, в то время как тот может быть принят Spread Spectrum приемником без всяких затруднений.

Второй полезный эффект Spread Spectrum процесса в том, что приемник может отделить полезный сигнал от мешающего, даже намного более сильного, чем полезный. Это объясняется тем, что Spread Spectrum приемник имеет копию Spread Spectrum последовательности и использует ее для восстановления сигнала. Узкополосные сигналы помехи подавляются в процессе обработки. Эффективность в части устойчивости к помехам и сделала Spread Spectrum популярной военной беспомеховой технологией передачи данных .

Попадающий в пределы полосы Spread Spectrum приемника стандартный узкополосный сигнал типа AМ, SSB и CW будет отфильтрован. Так и другой Spread Spectrum сигнал в принимаемом спектре, не несущий требуемой псевдошумовой (PN) кодовой последовательности, будет отвергнут. В результате будет приниматься только один сигнал, а именно тот, который использует ту же самую псевдошумовую последовательность. Стороны могут обмениваться информацией, если им всем известна кодовая последовательность.

Использование различных двоичных последовательностей дает возможность нескольким Spread Spectrum системам функционировать внутри одной и той же полосы частот независимо друг друга. При тщательном выборе параметров системы, пользователи стандартных систем модуляций не будут испытывать сколь значительных помех от Spread Spectrum систем, работающих в той же самой полосе. Это позволяет в одной полосе частот разместить большее количество систем, однако необходимо учитывать, что каждый дополнительный сигнал, стандартный или Spread Spectrum, будет добавлять некоторые помехи всем пользователям.

Выгоды для служб инспекции радиоспектра

Эффективность использования частотного спектра означает размещение максимально возможного числа радиосистем в конкретной полосе при сведении взаимных помех к минимуму. Существует ограничение на количество сигналов, которые можно разместить в данной полосе. Когда распределение исчерпано, дополнительным станциям, использующим стандартные режимы, могут создаваться помехи, которые ухудшат связь или разрушит коммуникационные пакеты других пользователей. Дополнительные Spread Spectrum системы, не могут вызывать серьезных помех, они только поднимают общий уровень шумов. Ограничение на число Spread Spectrum систем, которые могут занимать полосу частот, иногда называется «мягким» ограничением, потому что влияние Spread Spectrum сигнала не так серьезно по сравнению с резким снижение производительности, вызываемым помехами сигналов стандартных типов друг на друга.

Наложение спектров — это концепция управления спектром, которая использует преимущества Spread Spectrum систем для совместного использования спектра частот с пользователями стандартных типов модуляций. В полосе частот, которая разбита на каналы и полностью распределена между пользователями систем радиосвязи со стандартными типами модуляции (служебная радиосвязь, сотовая телефония и др.), имеется несколько способов разместить новых пользователей. При просмотре такой полосы на анализаторе спектра видно, что большая часть из спектра не используется эффективно из-за эпизодического занятия каналов и наличия многочисленных защитных полос между фиксированными каналами. В концепции наложенного спектра Spread Spectrum сигнал своим спектром накладывается на общедоступную полосу. Он может существовать и в неиспользуемых защитных полосах и на эпизодически используемых каналах. Это концепция позволяет существенно повысить эффективность использования спектра, используя любые неиспользуемые пробелы спектра.

Дополнительные преимущества Spread Spectrum.

Сигнал от отправителя к получателю попадает не только по самому короткому пути — прямой, но и испытывая отражения от объектов — другими путями. Это свойство распространения радиосигнала называется многолучевостью. Многолучевое распространение может вызывать ряд нежелательных эффектов. Радиосигналы, доходя до получателя разными путями, будут испытывать соответственно разные временные задержки. В точке приема сигналы суммируются. Если при этом среди отраженных сигналов преобладают сигналы, синфазные прямому, сигнал усиливается, если больше противофазных — ослабевает.

Эффект первый. При перемещении точки приема, эти условия периодически изменяются, так как сложение волн, приходящих с разных направлений, создает пространственную интерференционную картину. Этот эффект особенно сильно сказывается на мобильных пользователях и типичен для узкополосных систем. Для систем со Spread Spectrum действие этого эффекта сильно ослабляется из-за того, что на разных частотах в пределах его широкого спектра создаются разные интерференционные картины, что и вызывает выравнивание результирующего сигнала.

Эффект второй. Время задержки сигналов при прохождении больших расстояний может меняться из-за изменений характеристик среды распространения, причем это сказывается по-разному на сигналы, приходящие разными путями, что при сложении вызывает временные флуктуации уровня (громкости) сигнала, называемые в радиосвязи замираниями. Несинфазное изменение уровня сигнала на разных частотах спектра Spread Spectrum сигнала приводит к сильному ослаблению этого эффекта на подобные системы.

Эффект третий. Отраженные сигналы, приходящие с большой задержкой, могут вызвать помехи типа «теней» в телевидении. Разница в фазовых искажениях отраженных сигналов в разных частях спектра приводит к искажению результирующего спектра задержанного сигналя. Вследствии того, что в основе избирательности Spread Spectrum систем лежит, в конечном счете, идентификация спектра, подобные задержанные сигналы отвергаются при обработке как помеха.

Типы Spread Spectrum систем.

Имеются многочисленные способы, используемые в военных и космических коммуникациях; распределять сигнал по широкой полосе частот. Однако, для коммерческого применения разрешены только технологии frequency hopping (FH) и direct sequence (DS). Это и есть два самых популярных метода получения Spread Spectrum .

Вокруг сравнения этих технологий ведется много споров, поэтому следующая часть моего повествования будет посвящена именно этой теме.

Frequency Hopping переводится буквально как «прыгающая частота». В FH системах, частота несущей радиопередатчика прыгает с одного канала на другой в специальной специфической последовательности. Каждая несущая частота и связанные с ней боковые полосы должны оставаться в пределах ширины полосы, определяемой FCC. Только в случае, когда предполагаемый получатель знает последовательность прыжков частоты передатчика, его приемник может следовать этим прыжкам частоты.

Разные FH передатчики используют различные последовательности прыжков, что и обеспечивает минимальные взаимные помехи. Может случиться, что два различных передатчика попытаются использовать одну и ту же частоту (канал) одновременно. В этом случае данные передадутся повторно на следующем в последовательности канале, а так как последовательности отличаются, передатчики «разойдутся» по своим частотам.

FCC позволяет FH системам определять свой собственный канал, с шириной полосы частот вплоть до 500 kHz на 915MHz, или 1MHz — на 2.4GHz . Время, в течение которого сигнал может присутствовать на любом из каналов, называется интервалом. Для устранения помех стандартному пользователю и от стандартных пользователей, FCC требует, чтобы интервал был очень коротким, и не превышал 10 миллисекунд, а количество каналов должно быть не меньше заданной величины.

Direct Sequence ( прямая последовательность) — вторая форма Spread Spectrum, в которой для сдвига фазы несущей используется очень быстрый поток битов. Полоса расширяется искусственно за счет увеличения скорости передачи данных (увеличения количества передаваемых бит). Это сделано посредством замены каждого информационного бита пачкой из десяти или больше бит, называемых «чипами». При этом пропорционально расширяется и полоса частот. Такие битовые последовательности называются шумоподобными или PN. Эти двоичные последовательности специально генерируются таким образом, чтобы в них количество нулей и единиц были приблизительно равны. Передатчик с одним PN кодом не может создать точно те же боковые полосы (спектральные составляющие) как другой передатчик, использующий другой PN код. Передатчиком и связанным с ним приемником должна использоваться одна и та же кодовая последовательность. Для передачи результирующего битового потока иногда используется фазовый сдвиг между 0 и 180 градусами, что называется двоичной фазовой модуляцией (манипуляцией) (binary phase-shift keying -BPSK). Но чаще это реализуется квадратурно-фазовой модуляцией (quadrature phase-shift keying — QPSK), то есть одновременно передается по два бита (число от 0 до 4), закодированных четырьмя различными сдвигами фаз несущей частоты,

Выделение полезного сигнала на стороне получателя производится специальным устройством — коррелятором. Он свертывает Spread Spectrum сигнал в обратную сторону до полосы переданных данных. Это делается посредством сопоставления соответствующего PN кода с полученным Spread Spectrum сигналом, таким образом заменяя последовательность кодов на соответствующую последовательность бит.

Удаление чипов позволяет сжать демодулированный сигналь в узкую полосу частот и отфильтровать его. Фильтрация помогает избавиться от помех, создаваемых другими передатчиками.

Иногда говорят, что DS Spread Spectrum сигнал со своим расширенным спектром имеет худшее отношение сигнал-шум, чем более узкий (в каждый момент времени) FH Spread Spectrum сигнал. Смысл в том, что DS Spread Spectrum модуляция приводит к понижению мощности сигнала на каждой конкретной частоте. Тем не менее, прирост уровня полезного сигнала в процессе обработки в Spread Spectrum корреляторе восстанавливает явный недостаток мощности, когда коррелятор свертывает сигнал обратно вплоть до ширины полосы частот данных. В этом случае говорят об эффекте прироста сигнала в процессе корреляция.(processing gain of the despreading correlation process). Это приводит к увеличению отношения сигнал-шум, что и необходимо для успешной передачи данных. Увеличение прироста соответствует количеству чипов на бит данных, и может регулироваться разработчиком системы для получения необходимых характеристик системы. В действительности, DS Spread Spectrum сигнал может быть принят, даже если уровень его сигнала ниже уровня шума.

DS Spread Spectrum также обеспечивают лучшие возможности для управления мощностью, чем FH Spread Spectrum. DS Spread Spectrum системы могут легко управляться беспроводным узлом доступа, который указывает, когда включаться или выключится для экономии энергии. FH Spread Spectrum системы вынуждены оставаться включенными из-за необходимости в постоянной синхронизации их случайной последовательности переключения частот с точками доступа к сети. Следовательно, энергопотребление в DS Spread Spectrum системах потенциально меньше, чем в случаях с их FH аналогами.

DS Spread Spectrum обычно используется, чтобы передавать цифровую информацию. Spread Spectrum получается в результате смешивания информационного потока с PN (псевдошумовым). В результате этого смешивания получается PN-сигнал. Каждый из нулевых битов информационного потока заменяется PN-кодом, а единицы — инвертированным PN кодом. Эта модуляция так и называется — модуляцией с разрядной инверсией.

В корреляторе не инвертированный PN-код, близко совпадающий с локальным PN-кодом, генерирует бит информации «0». В тоже время, последовательность, соответствующая «1» приводит к полной декорреляции, так как для этого информационного бита PN-код инвертирован. Таким образом, коррелятор будет производить поток единиц для не инвертированной PN последовательности и поток нулей — для инвертированной, что, в конечном счете, и будет означать восстановление переданной информации.

Chirp (в переводе — чирикающий) Spread Spectrum. Третий, Spread Spectrum метод использует несущую, перманентно перемещающуюся в заданном частотном диапазоне. Он обычно применяется в радарных системах.

Time Hopping. Последний Spread Spectrum метод называется Time Hopping. В Time-hopped сигналах, несущая включается на очень короткие интервалы времени PN последовательностью. Скорость модуляции определяет ширину получаемого спектра.

Гибридная система формирования Spread Spectrum объединяет две или более форм образования Spread Spectrum в единую систему. Эффективность гибридной системы обычно лучше, чем может быть получено с отдельной Spread Spectrum технологией при той же самой стоимости. Наиболее типично для гибридных систем — объединение FH и DS технологий.

PN последовательность

Один из наиболее важных аспектов Spread Spectrum — PN последовательность, используемая для управления несущей. Именно эта последовательность и определяет, в какой мере смогут быть реализованы преимущества той или иной технологии Spread Spectrum. Для каждой из Spread Spectrum технологий существует ряд ориентированных на нее PN последовательностей (PN-кодов).

Для FH, PN-код — это последовательность номеров каналов, по которым будет прыгать частота. В DS системе, PN-код — это очень быстрый разрядный поток, генерируемый цифровой схемой. В обоих случаях, PN-коды получаются в результате работы специального генератора случайных чисел и отсеивания при испытаниях на тестах, разработанных для определения качества случайной последовательности. Коды, которые имеют подобные свойства, называются псевдослучайными или псевдошумовыми.

Корреляция

Корреляция — фундаментальный процесс в Spread Spectrum системах, обеспечивающий выделение сигналов. Корреляция определяет степень подобия двух сигналов. Подобие часто выражается числом между нулем и единицей. Полное соответствие обычно обозначается нулем. Частные пары выдают значения между единицей и нулем, в зависимости от их схожести.

В Spread Spectrum приемнике, корреляция используется для выделения сигнала, который был кодирован с проектированной последовательностью. Корреляция выполняется схемой, известной как коррелятор. Коррелятор обычно состоит из смесителя, который совмещен с узкополосным фильтром, выделяющим среднюю составляющую. Два сигнала, которые нужно сравнить, перемножаются в смесителе. Совпадение сигналов выдает высокое значение выходного сигнала. При различии в сигналах, выходной сигнал будет ниже в зависимости от того, как различны сравниваемые сигналы.

В DS системе, коррелятор используется, чтобы идентифицировать и обнаружить сигналы с необходимым PN кодом. Spread Spectrum сигналы с другими PN кодами или вообще не Spread Spectrum сигналы, статистически отличны от спектра ожидаемого сигнала и дадут более низкий сигнал коррелятора. Ожидаемый сигнал будет иметь сильное соответствие с локально сгенерированным кодом и вызовет больший выходной сигнал коррелятора.

Необходимо обратить внимание, что функция усреднения, выполняемая коррелятором, вызывает появление сигнала на выходе с некоторой задержкой. Если во входном сигнале присутствуют шумы или помехи, некоторые из полученных сигналов будет разрушены. После смешивания, помехи будут размазаны и походить на шум, который вследствие усреднения будет значительно ослаблен, в то время как ожидаемый сигнал выделится фильтром низких частот. Таким образом, фильтр низких частот, выполняющий в корреляторе функцию усреднения, уменьшает шум.

Коррелятор в FH системах выполнен по-другому, но принципы те же самые. В FH системе, частота несущей передатчика скачет по выделенным каналам много раз в секунду в соответствии с PN последовательностью. Приемник использует ту же самую последовательность для следования за перемещающимся с канала на канал сигналом передатчика. Если приемник находится вне шага с передаваемым сигналом, передаваемая информация не может быть восстановлена.

FH сигналы, появляющиеся на входе приемника и управляемые различными PN последовательностями, будут эпизодически оказываться на одном канале с ожидаемым сигналом. Эти события могут стать причиной нарушения приема на одном из каналов, хотя корреляционный процесс сведет эту помеху к минимуму, что обеспечит сохранение передаваемой информации.

Узкополосные сигналы тоже могут оказаться на частоте одного из каналов FH сигналов, но не могут стать причиной его поражения.

Радиочастотный спектр

Спектр каждого типа Spread Spectrum сигнала зависит от нескольких факторов, таких как скорость, с которой передается PN код, вид используемого PN кода, разновидность используемого Spread Spectrum сигнала (FH или DS), заданной ширины полосы частот и метода модуляции.

К примеру, спектр BPSK DS последовательности симметричен вокруг средней частоты и содержит несколько пиков. Основной пик имеет максимум на средней частоте, но имеет крутые края. Отметка, в которой основной пик достигает минимума, вызывается первый нуль; последующие пики называются боковыми. Основной пик DS сигнала содержит большую часть мощности, приблизительно 90 процентов, в то время как остальные 10 процентов распределены между боковыми полосами.

Длина PN-кода определяет полосу модулированного сигнала. Полный размер предельно расширяет полосу, в то время как PN-код с единичной длинной приводит к вырождению Spread Spectrum сигнала, превращая его в стандартный фазомодулированный (PSK) сигнал. Кроме того, длина PN-кода определяет размер главного пика спектра и расположение нулей. Основной пик, имеющий ширину в 2 условных единицы, располагается по центру несущей частоты. Нули приходятся на точки, расстояние до которых относительно центра несущей кратны условной единице, Нули расположены симметрично по обе стороны от несущей.

Спектр FH сигнала состоит из несущей, которая перемещается псевдослучайным образом по нескольким каналам. При увеличении скорости передачи каналы используются чаще, но меньшее время. В очень быстрых FH системах появляются боковые полосы значительной ширины. Эти пики в боковых полосах имеют характер быстрых эпизодических всплесков.

Доля мощность FH передатчика, приходящаяся на отдельный частотный канал, зависит от того, как часто канал посещается передатчиком и от времени нахождения на нем. Удельная мощность на канал увеличивается с уменьшением количества каналов, наоборот, увеличение количества каналов уменьшает частоту посещений канала, что приводит к более низкий мощности на канал.

Перехват Spread Spectrum сигналов

Spread Spectrum сигналы проявляют некоторые необычные, но логичные свойства. В случае близкорасположенного передатчика Spread Spectrum сигнал может легко наблюдаться (но не декодироваться) на стандартном приемнике; однако на расстоянии в несколько километров сигнал может быть принят с очень большим трудом. Это приводит к свойству, называемой низкой вероятностью перехвата (LPI). Можно сказать, что энергия Spread Spectrum сигнала фактически имеет предельно минимальный уровень, достаточный для работы Spread Spectrum приемника, и распознать его присутствие, не зная Spread Spectrum кода, практически невозможно. Поэтому вместо термина низкой вероятности перехвата (LPI) часто говорят о низкой вероятности распознавания (LPR).

Это радикальное различие в свойствах сигнала для близкого и отдаленного наблюдателя абсолютно понятно. Мощность узкополосного сигнала обычно сконцентрирована недалеко от средней частоты, следовательно, стандартный узкополосный приемник будет собирать большую часть первоначальной мощности. В случае DS Spread Spectrum сигнала та же самая мощность распределяется по широкой полосе частот, отводя меньшую мощность на каждый герц полосы. Узкополосный приемник собирает только часть этой распределенной мощности, определенной собственной шириной полосы, следовательно, принимаемый сигнал выглядит значительно более слабым. Спектр же Spread Spectrum приемника значительно шире, что позволяет ему принять всю полосу частот, содержащую Spread Spectrum сигнал. Это мощность, сконцентрированная despreading процессом, позволяет получить отношение сигнал-шум, по крайней мере, равному соотношению сигнал-шум узкополосного сигнала.

В случае FH Spread Spectrum узкополосная несущая с полной мощностью прыгает среди многих каналов. Сконцентрированная мощность несущей может наблюдаться на расстоянии, на которых принимается обычный узкополосный сигнал. Однако, стандартный приемник будет захватывать только отдельные из FH сигналов, поскольку они только недолго присутствуют на принимаемом канале, и не сможет получить полной картины.

• приемник имеет полосу пропускания, соответствующую передаваемому сигналу.
• чувствительность приемника, его соотношение сигнал-шум и усиление приемной антенны не меньше аналогичных характеристик, требуемых от Spread Spectrum приемника для приема переданного сигнала на той же дальности.
• антенна приемника должна быть ориентирована строго на источник сигнала.
• передающая антенна, если она направленная, должна быть направлена на перехватывающий приемник, т.е. он должен быть расположен в том же направлении от предающей стороны, что и приемник, которому предназначена информация.
• демодулятор приемника должен быть ориентирован на прием того же вида модуляции, который используется на передающей стороне.
• PN-код приемника и передатчика должны соответствовать друг другу.

• условия обнаружения DS Spread Spectrum сигнала совпадают с условиями полноценного приема этого сигнала.
• для подбора PN-кода необходимо выполнение всех остальных условий, в том числе точной ориентировки антенны, что в свою очередь не возможно без приема сигнала, т.е. без знания PN-кода. Круг замкнулся.
• для затруднения обнаружения Spread Spectrum сигнала целесообразно использовать направленные антенны с большим усилением. Нужную энергетику трассы для обеспечения требуемой дальности и надежности передачи информации рекомендуется получать за счет улучшения характеристик приемного тракта (увеличение усиления антенн, снижение затухания в кабелях, снижение соотношения сигнал-шум), а не за счет повышения мощности передатчика.

Литература:

1. Технические материалы фирмы Cylink, Inc.
2. Технические материалы фирмы NCR/AT&T
3. Технические материалы фирмы Aironet Wireless Communcations, Inc.
4. Рекламные материалы фирмы CompTek International, Inc.
5. Рекламные материалы фирмы RAITEC enterprises
6. Рабочие материалы комитета IEEE 802.11
7. Vie Hayes «Radio LAN work in the International Telecommunications Union», 27.06.95
8. Torben Rune «Wireless Local Area Networks» , Netplan Aps. Denmark, 1995
9. Peter T.Davis, Craig R. McGuffin «Wireless Local Area Networks», 1994
10. Bud Bates «Wireless Networked Communications», 1994