Технические разделы

Формирователь сигнала мобильной станции системы с кодовым разделением каналов

мобильная станция сигнал канал

Сотовые сети третьего поколения - это сети множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA - Code Division Multiple Access), при котором большое количество мобильных станций одновременно работает в общей для всех широкой полосе частот (рис.1). Они базируются на использовании шумоподобных широкополосных сигналов, занимающих полосу частот, значительно превосходящую полосу частот исходного сообщения. Расширение спектра происходит вследствие модуляции несущей передаваемыми информационными и широкополосными кодирующими сигналами.

Рис 1.1 − Упрощенная структурная схема системы с кодовым разделением каналов

Кодовое разделение каналов осуществляется использованием взаимокорреляционных свойств специальных кодовых последовательностей. Эти последовательности, имея функцию корреляции, близкую к дельта-функции, называются псевдослучайными (ПСП). ПСП передается со скоростью большей, чем скорость исходного сигнала, после чего полученные сигналы объединяются в единый поток. При этом полоса частот, используемая в радиоканале, гораздо шире, чем полоса исходного сигнала. Этот процесс получил название расширение спектра (Spreading Specter). Псевдослучайные последовательности выбираются таким образом, чтобы на приемном конце их можно было разделить (отфильтровать) и отделить сигнал от его псевдослучайной последовательности ("несущей"). Передача единого объединенного потока осуществляется в одной полосе частот с помощью одного из видов фазовой манипуляции. Поэтому системы, основанные на CDMA, не требуют разделения полосы частот на отдельные каналы, что, в свою очередь, облегчает процесс хэндовера (переход из одной соты в другую).

Псевдослучайные последовательности должны иметь нулевую корреляцию, т. е. быть взаимонезависимы.

Существует два способа множественного (многостанционного) доступа с кодовым разделением каналов (CDMA):

· ортогональный многостанционный доступ;

· неортогональный многостанционный доступ, или асинхронный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов.позволяет каждой станции осуществлять передачу во всем частотном диапазоне постоянно. Множественные передачи реализуются с привлечением теории кодирования. Здесь предполагается, что сигналы, совпадающие по времени складываются линейно. В CMDA каждый бит-тайм делится на m коротких интервалов, называемых чипами. Обычно используется 64 или 128 чипов на бит. Каждой станции присваивается уникальный m-битный код (chip sequence). Чтобы передать 1 бит станция посылает свой чип-код. Для того чтобы послать нулевой бит, посылается дополнение чип-кода по модулю один. Никакие другие кодовые последовательности не разрешены. Например, пусть станции 1 поставлен в соответствие чип-код 01010101, тогда при посылке логической 1 она отправляет код 01010101, а при отправке логического нуля - 10101010. Если имеется канал с полосой 1 МГц и 100 станций с FDM, то каждая из них получит по 10 КГц (10 кбит/c при 1 бите на Гц). При CDMA каждая станция использует весь частотный диапазон, так что будет получена скорость передачи 1 мегачип в секунду. При менее 100 чипов на бит CMDA обеспечивает большую пропускную способность, чем FDM. Для упрощения введем двуполярную нотацию, где нулю соответствует -1, а единице +1. Тогда чип-код станции 1 получит вид -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1. Каждая из станций получает уникальный чип-код. Чип-коды можно представить в виде m-компонентных векторов. Чип-коды выбираются так, что все они попарно ортогональны (не любой уникальный чип-код пригоден, так, если станция 1 имеет чип-код 01010101, то станция 2 не может иметь чип-код 10101001, но чип-код 10100101 вполне допустим).

Когда сигналы от разных станций совпадают во времени и складываются, принимающая сторона легко может вычислить наличие соответствующей компоненты. Хотя теоретически наложение слишком большого числа чип-кодов может создать проблемы и, в конечном итоге, привести к ошибкам.

В настоящее время стремление к развитию технологии доступа с кодовым разделением каналов объясняется ожидаемым увеличением плотности абонентов, устойчивостью к помехам, высокой степенью защищённости передаваемых данных от несанкционированного доступа и лучшими энергоэкономическими показателями. Ёмкость базовых станций с технологией CDMA существенно больше по сравнению с существующими стандартами сотовой телефонии, в которых используется частотное или временное разделение каналов.

Основные элементы этой сети (БПС, КБС, ЦКМС, ЦЭиТО) по составу совпадают с элементами, используемыми в сотовых сетях с временным разделением каналов (например, GSM). Основное отличие заключается в том, что в состав сети CDMA IS-95 включены устройства оценки качества и выбора блоков (УОКиВБ). Кроме того, для реализации процедуры мягкого переключения между базовыми станциями, управляемыми разными контроллерами (КБС), вводятся линии передачи между УОКиВБ и КБС. В центре коммутации подвижных объектов (ЦКМС) добавлен преобразователь - транскодер (ПТ), который преобразует выборки речевого сигнала, формат данных из одного цифрового формата в другой.

Рис 1.2

Архитектура сети CDMA

Все существующие стандарты с кодовым разделением каналов базируются на стандарте IS-95 (Interim Standard - временный стандарт), разработанном компанией Qual-comm в 1994 г. На мобильной станции (МС) формируются два типа сигналов: канал доступа и канал обратного трафика.

Сложными называют сигналы, база которых равная произведению длительности сигнала на ширину спектра существенно больше единицы:

B=T*∆F, В»1,

где В,Т и ∆F - база, длительность и ширина спектра сигнала соответственно.

В последние годы сложные сигналы стали находить применение не только в службах ведомственной связи, но и в коммерческих системах телекоммуникаций. Это объясняется постоянным ростом потребности в услугах радиосвязи, а поскольку выделенный частотный ресурс жестко ограничен, приходится использовать его более эффективно. На применении сложных сигналов базируется технология, позволяющая использовать уже занятые частотные диапазоны при соблюдении условий полной электромагнитной совместимости.

Основная идея технологии сложных сигналов основывается на преобразовании узкополосных сигналов с шириной спектра ∆f в широкополосные сигналы с шириной спектра ∆F при постоянстве энергии сигналов Е, как показано на рисунке 1.3.

Рис 1.3 − Преобразование ширины спектра сигналов

Пусть требуется передать сообщение, спектр которого имеет ширину∆f, а спектральная плотность энергии может быть оценена отношением ЕI

∆f .При использовании широкополосной передачи излучается сигнал с преднамеренно расширенной полосой ∆F так, что спектральная плотность энергии исходного сигнала уменьшается в ∆F/∆f раз и составляет Е/∆F. База же сигнала, равная произведению ширины спектра на длительность, возрастает при этом в ∆F/∆fраз.

Из рисунка 1 3, видно, что полученный сложный (шумоподобный) сигнал по отношению к исходному простому представляет собой шум с приблизительно постоянной в пределах интервала ∆f спектральной плотностью мощности. Ясно, что чем больше "растянута" полоса ∆F сложного сигнала при постоянстве энергии Е, тем меньше спектральная плотность энергии сигнала. В итоге получившаяся широкополосная система сможет оказывать на работающую в том же диапазоне узкополосную систему сколь угодно малое влияние.

Сигналы с большой базой обеспечивают ряд преимуществ:

высокую помехозащищенность систем связи;

эффективную борьбу с искажениями сигналов в канале связи;

одновременную работу многих абонентов в общей полосе частот за счет кодового разделения каналов;

совместимость передачи информации с измерением параметров движения объектов;

более эффективное использование спектра частот на ограниченной территории.

Шумоподобные или сложные сигналы чаще всего разделяются на типы по методу формирования, определяющему все их свойства и, как следствие, применимость в той или иной радиоэлектронной системе.

С развитием техники появились некоторые новые типы сложных сигналов. Все они могут использоваться в качестве переносчиков информации в системах связи.

Важным моментом построения формирователя сигналов мобильной станции является выбор метода модуляции и типа сигнала.

Частотно-модулированные сигналы являются непрерывными сигналами с меняющейся по заранее определенному закону частотой. Диапазон изменения частоты ∆F определяет эффективную ширину полосы частот. База такого сигнала равна ∆FT. Для отдельного экземпляра ЧМ ШПС достаточно просто строится оптимальный приемник в виде согласованного фильтра (СФ). Однако при изменении закона изменения частоты требуется замена СФ, что нерационально.

Поэтому такие сигналы применяются в системах, в которых закон изменения частоты остается постоянным на протяжении всего времени эксплуатации, например, локационных и навигационных системах.

Для применения ЧМ ШПС в связных системах вместо континуального применяют счетное множество частот и дискретное время. ЧМ ШПС в этом случае вырождается в дискретный частотный сигнал (ДЧ ШПС). Пусть количество дискрет времени равно N, а длительность одного дискрета равна Т0. Для равномерного заполнения частотно-временной области элементами ДЧ ШПС необходимо такое же число частотных дискрет. Следовательно, эффективная полоса частот, занимаемых одним частотным дискретом, будет равна 1/Т0. Тогда база сигнала В = N2. Отсюда делаем важный вывод: для получения базы ШПС В необходимо иметь √B элементов с отличающейся частотой и √B элементарных интервалов времени. Сказанное значит, что для получения сверхбольших баз необходимо иметь сравнительно небольшое количество частотных и временных элементов. Основное достоинство ДЧ ШПС является слабая чувствительность к частотно-селективным замираниям, т. к. ширина полосы частот, занимаемой одним элементом мала. Если при этом количество таких элементов достаточно велико, то такие сигналы слабо подвержены явлению многолучевого распространения радиоволн, импульсных помех и шумоподобные системы на их основе отличаются высокой гибкостью при частотном планировании. Основной недостаток таких сигналов - это высокие требования, предъявляемые к синтезаторам множества частот в смысле постоянства начальных фаз. Однако в целом такие сигналы очень перспективны и в системах CDMA они применяются вместе с ФМн ШПС, образуя дискретные составные частотные сигналы.

Многочастотные сигналы - более простой вариант ДЧ ШПС. МЧ ШПС образуется суммированием сигналов с несколькими средними частотами, т. е. временные дискреты отсутствуют. Как и ДЧ ШПС эти сигналы эффективны при многолучевом распространении и частотно-селективных замираниях, однако их формирование значительно проще. Многочастотный ШПС применен в СПС стандарта cdma2000, в которой информация от одного источника разбивается на три потока и каждый из них передается на своей несущей. Такой метод отличается гибкостью в развертывании системы и высокой скоростью передачи.

Фазоманипулированные сигналы, за рубежом называемые Direct Sequence, представляют последовательность радиоимпульсов, фаза которых изменяется на дискретную величину по определенному псевдослучайному закону. Такие сигналы отличаются простотой формирования и относительной простотой обработки. Говоря о ШПС, в большинстве случаев имеют в виду именно этот тип ШПС. К этой группе сигналов принадлежат последовательности максимальной длины или М-последовательности, коды Голда, Кассами и др. [2]. База сигналов равна количеству элементарных символов на один бит информации. Чаще всего ФМн ШПС формируются в регистрах сдвига с обратными связями (РСОС).

Многоуровневые последовательности применяются в основном в "чистых" каналах: кабельных сетях, ВОЛС и т. п. В нестационарных линиях связи, к числу которых относится радиоканал, их прием затруднителен. МУ ШПС обеспечивают наиболее высокую скорость передачи данных за счет увеличенного динамического диапазона значений сигнала.

Сигналы с псевдослучайной перестройкой во времени есть сравнительно сложный вариант шумоподобных сигналов. Как и при временном разделении сигналов, временной интервал заданной длительности разбивается на N временных окон, но в этом случае информационный сигнал закодирован импульсами, находящимися в разных временных точках. Для этих сигналов разработана концепция IMT-TC или Time Division CDMA. Система TD CDMA очень гибка в выборе канальных сигналов, но для оптимального приема и обработки требуются большие вычислительные мощности.

Искажения в канале связи в значительной степени обусловлены многолучевым распространением сигналов, когда в ходе отражения от многочисленных препятствий сигнал в точку приема приходит по нескольким путям (лучам), причем сигналы в разных лучах могут иметь различные амплитуды, начальные фазы, временные и доплеровские сдвиги. Интерференция лучей в точке приема приводит к быстрым замираниям и межсимвольной интерференции, что значительно усложняет работу системы связи. Обычно для компенсации замираний мощность передатчиков базовых станций ССС увеличивают на 10 - 20 дБ. Применение сложных сигналов дает более эффективный способ борьбы с многолучевостью.

При использовании сложных сигналов возможно выделение сигналов отдельных лучей из общей интерференционной картины за счет корреляционной обработки при приеме. На рисунке 1.4,а изображена комплексная огибающая фазоманипулированного сложного сигнала длительностью Т.

На рисунке 1.4,б показан сигнал на выходе коррелятора - отклик коррелятора. Этот отклик соответствует автокорреляционной функции сигнала (АКФ), которая имеет длительность 2Т, и в ней можно выделить две резко различающиеся структуры. В центре АКФ - резкий выброс в виде узкого импульса, называемый центральным пиком, или основным лепестком. Его амплитуда R0, а длительность обратно пропорциональна ширине спектра сигнала: τ0∞1/∆F

Чем шире спектр сигнала, тем уже центральный пик. Оставшуюся область АКФ занимают боковые лепестки с максимальным уровнем RA.

На рисунке 4,в изображен отклик коррелятора на несколько сигналов, пришедших различными путями.

Рис 1.4 - Сложные сигналы и борьба с многолучевостью

В современных системах чаще применяется принцип расширения базы сигнала по методу прямого расширения спектра частот поясняет рисунок 1.5, (а - информационный сигнал; б - кодовая последовательность; в - информационный сигнал, манипулированный кодом; г -фазоманипулированный сложный сигнал; д - комплексная огибающая фазоманипулированного сигнала). На фрагментах а, б, в единичный бит соответствует элементу ″+1″, а нулевой - элементу ″-1″.

Рис 1.5 - Методы прямого расширения частот

Единичный бит данных источника информации инвертирует кодовую последовательность, а нулевой бит оставляет ее неизменной.

На выходе передатчика фазоманипулированные сигналы U(t) которых (0 и 180°) меняются по заданному закону. Комплексная огибающая таких сигналов - последовательность положительных и отрицательных видеоимпульсов V(t).

Дискретный сигнал, кодовая последовательность которого является бинарной (ai{±l},i=0,l,..., N-1, т. е. от импульса к импульсу меняются только начальные фазы, а амплитуды остаются постоянными), называют бинарным фазоманипулированным (БФМ) сигналом. Прием сигнала осуществляют с помощью оптимального приемника, который для сигнала с известными параметрами вычисляет корреляционный интеграл:

где x(t) - входной сигнал, состоящий из смеси полезного сигнала и шума;ОП(t)- опорная копия адресной последовательности, известная на приемной стороне; Т - период кода.

По величине Z принимают решение о сигнале. Вычисляют корреляционный интеграл с помощью коррелятора или согласованного фильтра.

Корреляционная обработка сложных сигналов позволяет добиться энергетического выигрыша при приеме, величина которого определяется базой сигнала.

Еще статьи по технике и технологиям

Расчёт элементов и узлов аппаратуры связи
Цель данной работы заключается в разработке генератора сетки частот, состоящего из автогенератора, вырабатывающего колебание заданной частоты и нелинейного преобразователя, формирующего из него импульсы тока, состоящие из суммы гармони ...

Синтез системы автоматического регулирования
В современном мире существует великое множество разнообразных технических устройств. Среди них выделяют автоматы, и системы автоматического управления. Ведущую роль играют устройства автоматического управления - устройства, способны ...

© 2018 | www.techexpose.ru