Системы связи на основе ортогональных сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Балтийский Федеральный Университет имени Иммануила Канта

Курсовая работа

Системы связи на основе ортогональных сигналов

выполнил

Андреев Александр

Калининград, 2012

Содержание

связь широкополосная передача радиолиния

Введение

Методы широкополосной передачи

Сопротивляемость помехам широкополосных систем связи

Принципы работы радиолиний с ППРЧ

Заключение

Литература

Введение

Современные системы передачи информации функционируют в условиях, когда все возрастающие потоки данных передаются по каналам, пропускная способность которых ограничена действующими стандартами на частотные диапазоны, электромагнитной совместимостью, наличием помех.

Важнейшим путем достижения требуемой помехозащищенности систем радиосвязи (СРС) при воздействии организованных (преднамеренных) помех является использование сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) и применение оптимальных и алгоритмов обработки таких сигналов.

Одним из способов повышения эффективности передачи информации с помощью модулированных сигналов через канал с сильными линейными искажениями (замираниями) является расширение спектра, приводящее к увеличению базы сигнала.

В существующих на сегодняшний день системах для этой цели используются три метода:

псевдослучайная перестройка рабочей частоты (ППРЧ) (англ. FHSS -- Frequency Hopping Spread Spectrum). Суть метода заключается в периодическом скачкообразном изменении несущей частоты по некоторому алгоритму, известному приемнику и передатчику. Преимущество метода -- простота реализации. Метод используется в Bluetooth; GSM;

расширение спектра методом прямой последовательности (ПРС) (англ. DSSS -- Direct Sequence Spread Spectrum). Метод по эффективности превосходит ППРЧ, но сложнее в реализации. Суть метода заключается в повышении тактовой частоты модуляции, при этом каждому символу передаваемого сообщения ставится в соответствие некоторая достаточно длинная псевдослучайная последовательность (ПСП). Метод используется в таких системах как CDMA и системах стандарта IEEE 802.11;

расширение спектра методом линейной частотной модуляции (ЛЧМ) (англ. CSS -- Chirp Spread Spectrum). Суть метода заключается в перестройке несущей частоты по линейному закону. Метод используется в радиолокации и в некоторых радиомодемах

Методы широкополосной передачи

Свое название широкополосные системы связи получили вследствие того, что полоса, занимаемая используемыми в них сигналами, намного шире полосы, необходимой для передачи непосредственно информации. Одной из первых таких систем, являлась разработанная в конце 1950-х гг. система «Рейк». В этой системе за счет использования метода широкополосной передачи удалось обеспечить устойчивую связь в условиях многолучевого распространения.

Методы широкополосной передачи позволили осуществить разделение нескольких лучей с различным запаздыванием и тем самым устранить эффект замирания сигналов, вызванный многолучевым распространением.

В специальных системах методы широкополосной передачи позволяют организовать устойчивую передачу информации в условиях действия преднамеренных помех, мощность которых на входе приемника может превышать мощность полезных сигналов в сотни и тысячи раз.

Кроме того, в таких системах использование методов широкополосной передачи позволяет затруднить средствам радиоразведки обнаружение факта передачи, т.е. повысить ее скрытность. В сотовых и спутниковых системах связи методы широкополосной передачи позволяют обеспечить одновременную работу многих пользователей в общей полосе частот, т.е. реализовать метод многостанционного доступа, основанный на разделении сигналов по форме (CDMA - Code Division Multiple Access).

В системах радиолокации использование методов широкополосной передачи позволяет повысить точность измерения дальности до цели при прочих равных условиях, а также преодолеть известное противоречие между дальностью действия локатора и его разрешающей способностью.

Среди методов широкополосной передачи в цифровых системах связи с расширенным спектром (Spread Spectrum - SS) наибольшее распространение получили два основных методах расширения (широкополосной модуляции):

- с прямым расширением спектра (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS); - с частотными скачками (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS) или отечественное название - с псевдослучайной перестройкой рабочих частот (ППРЧ).

Первый метод расширения спектра DSSS основан на использовании псевдослучайных последовательностей (ПСП).

Такие сигналы обычно называют широкополосными (ШПС), или шумоподобными. Наиболее полное изложение теории и техники шумоподобных сигналов можно найти в работах Л.Е. Варакина. Укрупненная функциональная схема (модель) цифровой системы связи с DSSS приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Модель цифровой системы связи с ШПС

Генераторы ПСП на передающей и приемной сторонах идентичны. Именно они сначала применяются для расширения спектра передаваемых по каналу связи сигналов, а затем перед демодуляцией для его сжатия.

Для расширения спектра в такой схеме применяют фазовую манипуляцию (Binary Phase Shift Keying - BPSK), а получаемые при этом сигналы, называют BPSK/ DSSS.

Информационная манипуляция также фазовая, хотя возможна и произвольная. В модуляторе сначала осуществляется перемножение кодированных символов с ПСП (расширение спектра), а затем непосредственно фазовая манипуляция.

Второй часто используемый метод широкополосной передачи основан на псевдослучайной перестройке рабочей частоты сигнала (ППРЧ). Укрупненная функциональная схема (модель) цифровой системы связи с ППРЧ приведена на рис. 2

Рисунок 2 - Модель цифровой системы связи с ППРЧ

Отличаются две схемы тем, что во второй расширение спектра осуществляется не за счет перемножения кодированной информации с ПСП, а за счет вырабатываемой синтезатором и перестраиваемой по псевдослучайному закону рабочей (несущей) частоты модулятора.

На приемной стороне производится обратное преобразование, что приводит к сжатию спектра перед демодуляцией.

При ППРЧ информационная манипуляция также может быть произвольной, хотя следует отметить, что в этом случае в моменты смены частот могут наблюдаться случайные скачки начальной фазы несущей, поэтому может потребоваться некогерентная демодуляция, а это заметно снижает эффективность кодирования.

В обоих случаях расширения спектра формируется радиосигнал, полоса частот которого значительно превышает спектр сигнала исходного сообщения.

При этом в отличие от радиотехнологий с узкополосной модуляцией, энергия сигнала не сосредоточена на небольшом интервале вокруг несущего колебания, а распределена во всей выделенной полосе. В результате введения такой частотной избыточности достигается целый ряд преимуществ:

- повышается помехоустойчивость;

- обеспечивается противостояние воздействию преднамеренных помех;

- обеспечивается возможность кодового разделения каналов для многостанционного доступа на его основе;

- повышается энергетическая скрытность благодаря низкому уровню спектральной плотности;

- обеспечивается высокая разрешающая способность при измерениях расстояния;

- обеспечивается защищенность сеанса связи;

- повышается пропускная способность и спектральная эффективность;

- обеспечивается постепенное снижение качества связи при увеличении числа пользователей, одновременно занимающих один и тот же ВЧ канал (в отличие, например, от ЧМ);

- дешевизна при реализации;

- наличие современной элементной базы.

Для современных средств связи такие аспекты как повышенная помехоустойчивость и противостояние воздействию преднамеренных помех и работа в среде с множественным доступом имеют ключевое значение.

Сопротивляемость помехам широкополосных систем связи

Сопротивляемость широкополосных систем связи помехам рассмотрим при воздействии белого шума и преднамеренных помех (рис. 3). Пусть G(f) - спектральная плотность мощности сигнала до расширения, а Gss(f) - после расширения (рис.3 а). Как видно из рисунка, односторонняя спектральная плотность мощности белого шума Nо не изменяется при расширении полосы сигнала с W до Wss. Следовательно, расширение спектра не улучшает качества связи при наличии белого гауссовского шума.

На рис. 3 б представлены преднамеренные помехи ограниченной мощности PJ со спектральной плотностью мощности J0'=PJ /W, где W - ширина спектра исходного нерасширенного сигнала, подвергающегося воздействию помех.

После расширения спектра преднамеренная помеха может воздействовать

- в виде рассеянной по всему диапазону сигнала спектральной плотности мощности помехи J0= PJ /Wss (при этом J0 в W/Wss раз меньше J0'). Получаемую спектральную плотность шумов J0 называют спектральной плотностью мощности широкополосной преднамеренной помехи.

- в виде сосредоточенной в полосе W узкополосной помехи, меньшей широкополосного сигнала Wss. При этом количество точек диапазона, в которых создаются помехи, уменьшается, хотя и увеличивается спектральная плотность помехи с J0 до J0/с (0<с?1), где с -- часть полосы расширенного спектра, в которой создаются помехи.

Рисунок 3 - Сопротивляемость широкополосных систем связи при воздействии а) белого шума и б) преднамеренных помех

Как видно, в любой из этих ситуаций воздействие помех на широкополосную систему имеет частичное воздействие: либо уменьшается спектральная плотность мощности помехи, либо помеха действует на часть спектра широкополосного сигнала.

Принципы работы радиолиний с ППРЧ

Системы связи, использующие для передачи информации несколько частот, выбираемых по определенному закону, называют системами связи с псевдослучайным переключением рабочих частот (ППРЧ). Структурная схема системы связи с ППРЧ представлена на рис. 4

Рисунок 4. Структурная схема СЭС с ППРЧ

Поясним принцип работы схемы. На один вход умножителя подается сигнал на промежуточной частоте с выхода модулятора, на второй вход - частота с выхода генератора рабочих частот (Грч). Генератор рабочих частот вырабатывает ряд частот, которые по определенному закону подаются на вход умножителя. Частота сигнала в радиолинии будет изменяться в соответствии с этим законом.

На приемной стороне осуществляется обратная операция за счет синхронной работы генераторов рабочих частот приемника и передатчика.

В системах связи с ППРЧ передавать информацию можно с помощью модуляции любого вида, хотя реализация ФМ затруднена из-за сложности обеспечения фазовой синхронизации радиосигнала на различных частотах.

Различают системы связи с быстрым и медленным ППРЧ . Если время работы радиолинии на одной частоте ( Т пер ) соизмеримо или менее длительности информационного символа ( Тпер ? Ти ) (рис.5а) то ППРЧ называют быстрым (рис. 5б). Если ( Тпер > Ти ) , то такое ППРЧ называют медленным (рис. 5в).

Рисунок 5. Сигналы а - исходный, б - последовательное медленное ППРЧ, в - последовательное быстрое ППРЧ

По порядку использования рабочих частот различают системы связи с последовательным ППРЧ, если в каждый момент времени передача ведется на одной частоте (рис. 5б) и с параллельным ППРЧ, если передача ведется одновременно на нескольких частотах (рис. 5в).

Для сигналов с ППРЧ вводится понятие базы, характеризующей расширение спектра где ширина используемого для передачи диапазона частот, - ширина спектра передаваемого сигнала.

В системах связи могут применяться составные сигналы, использующие и ФМ ПСП и ППРЧ. В этом случае база сигнала будет определяться выражением B = M*L, где М - база ФМ ПСП; L - база сигнала ППРЧ.

Заключение

В процессе развития теории электрической связи были решены вопросы, связанные с формированием и оптимальной обработкой сигналов в каналах связи с различными характеристиками, предложены эффективные методы помехоустойчивого кодирования. В то же время эти достижения еще далеко не полностью используются в современной технике связи. Существует известный разрыв между достижениями науки и их внедрением, определяемый необходимым временем на разработку и освоение в производстве новой аппаратуры. В курсовой работе рассматриваются принципы работы широкополосных систем связи. Излагаются основные закономерности и методы анализа потенциальной помехоустойчивости и пропускной способности каналов связи.

Литература

1.Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. -- М.: «Радио и связь», 1985. -- 384 с.

2.К.К. Васильев, В.А. Глушков, Теория электрической связи: учебное пособие Ульяновск: УлГТУ, 2008. - 452 с.

3.Ресурс www.sernam.ru - научная библиотека

4.Ресурс www.edu.nstu.ru - Новосибирский Государственный Технический Университет

Размещено на Allbest.ru