2.4. Технологии расширения спектра и методы модуляции

При передаче информации с помощью радиосигнала осуществляют модуляцию какого-либо параметра высокочастотных колебаний (колебаний несущей частоты). Как правило, в качестве колебаний несущей частоты используется гармонический сигнал высокой частоты

.

Несложно видеть, что имеются всего лишь три параметра гармонического колебания (амплитуда, частота и фаза), которые можно менять пропорционально значению передаваемого сообщения. Поэтому говорят, что есть три основных метода модуляции: амплитудная модуляция (AM), частотная (ЧМ) и фазовая (ФМ). А способов их реализации и законов соответствия передаваемого (полезного) сообщения и модулируемого параметра ВЧ-колебания предложено такое количество, что даже трудно перечислить. Весьма обширна практическая реализация этих способов и их разновидностей в виде аппаратных, схемотехнических и программных средств. Разнообразие методов и способов реализации позволяет выбирать оптимальные варианты применительно к конкретным условиям передачи, системам связи, условиям распространения, требуемому качеству связи и т. п.

Существуют и общие факторы, происходящие из физических закономерностей, которые справедливы для любых способов модуляции:

  • увеличение скорости передачи приводит к увеличению частоты появления ошибок;
  • уменьшение длительности бита (символа) позволяет увеличить скорость передачи, одновременно приводит к расширению спектра занимаемых частот;
  • увеличение отношения сигнал/шум уменьшает вероятность появления ошибок;
  • увеличение занимаемой полосы частот позволяет увеличить скорость передачи.

Аксиома из теории спектрального анализа: уменьшение длительности импульса приводит к "расширению" спектра и, наоборот, импульсы большей длительности обладают более узким спектром. Одновременно сузить спектр и уменьшить длительность импульсного сигнала невозможно. Иное дело, что в конкретных случаях можно выбрать оптимальный вариант модуляции и, например, пойти на некоторое расширение спектра занимаемых частот; зато, уменьшив длительность посылок, можно повысить скорость передачи или, увеличив длительность посылок, можно уменьшить занимаемую область частот. Одновременно изменится и частота появления ошибок.

При использовании только одной несущей частоты существуют три "базовых" метода расширения спектра полезного сигнала: метод прямого расширения DS (Direct Spectrum) с помощью псевдослучайной последовательности (ПСП); метод расширения скачками по частоте FH (Frequency Hopping) и метод расширения скачками по времени ТН (Time Hopping). Используют также и различные комбинации этих методов.

На практике используют методы расширения спектра с помощью ансамбля из многих модулированных поднесущих, занимающих весь отведенный диапазон частот. Каждая поднесущая может модулироваться своей битовой последовательностью. Различение спектра модулированных колебаний на каждой поднесущей в цепях приемника осуществляется с помощью соответствующих канальных фильтров. Для устранения взаимного перекрытия частотных полос между спектрами на поднесущих используют защитные частотные интервалы при формировании сигнала на передачу. Такой метод расширения спектра называют широкополосной модуляцией с частотным разделением FDM (Frequency Division Multiple). У такого метода недостатком является необходимость иметь защитные частотные интервалы, что снижает эффективность использования отведенного диапазона частот.

Значительно большей эффективностью использования отведенного диапазона частот является применение технологии с ортогональным частотным разделением OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). В этом случае спектр передаваемого радиосигнала формируется таким образом, что спектры соседних поднесущих перекрывают друг друга на половину своей ширины так, что на частотах максимума спектральной плотности любой поднесущей будут нулевые значения спектральной плотности от любых других поднесущих. В этом смысле спектры модулированных поднесущих ортогональны друг другу, следовательно, их можно разделить на приемной стороне с помощью цифрового преобразования Фурье.

Рассмотрим некоторые особенности вышеназванных методов получения радиосигналов с расширенным спектром.

В методе прямого расширения исходная битовая последовательность передаваемого сигнала перемножается с импульсами псевдослучайной последовательности (ПСП). Последовательность ПСП является как бы цифровой несущей для битовых импульсов. Импульсы ПСП имеют вид прямоугольных импульсов одинаковой амплитуды и длительностью, много меньшей длительности бита передаваемого сообщения, так, что за время длительности бита генерируется много импульсов ПСП. Моменты появления импульсов ПСП определяются псевдослучайным законом, который известен и на передающей, и на приемной сторонах. Поскольку импульсы ПСП короче битовых, то их спектр много шире спектра битовых посылок. В результате перемножения получается импульсный сигнал с широким спектром. Далее этим сигналом модулируют гармонический сигнал несущей частоты и получают радиосигнал с расширенным спектром.

В методе расширения спектра скачками по частоте спектр одного канала узкополосный, но его положение в пределах выделенного диапазона частот меняется по псевдослучайному закону путем скачкообразного изменения частоты несущей. При использовании диапазона многими пользователями каждый ведет передачу/прием в пределах узкополосного канала, но в разные моменты времени на разных частотах несущей. Смена частот несущих у всех пользователей производится синхронно. В результате по псевдослучайному закону окажется заполненным весь выделенный диапазон.

В методе расширения спектра скачками по времени спектр одного канала также узкополосный, но его положение в пределах выделенного на цикл времени меняется по псевдослучайному закону путем скачкообразного изменения момента включения радиосигнала.

В настоящее время наиболее часто применяют метод прямого расширения спектра. Именно такой метод используется, например, в системе сотовой связи CDMA (one) и в системе WiMAX стандартов 802.16 и 802.16—2004 в режиме с одной несущей SC (Single Carrier). Стандартом 802.16—2004 для условий прямой видимости используется метод прямого расширения с одной несущей, а для условий непрямой видимости более эффективным является многочастотная технология OFDM. Поэтому далее рассмотрены оба метода, применяемые в WiMAX.

Понятно, что уже на самых ранних этапах проектирования любой цифровой системы связи важнейшим становится компромиссный многокритериальный выбор метода модуляции, его схемотехническая, аппаратная и программная реализация. Разработчикам приходится искать компромисс между желанием иметь высокую скорость передачи, узкую полосу занимаемых частот, простоту реализации, низкую стоимость, невысокие требования к вычислительным ресурсам, быстродействие, относительно невысокое отношение сигнал/шум и многое другое, чаще всего исключающее друг друга. Лишь определив область использования системы связи, его связь с другими системами, условия применения и т. п., можно выбрать наиболее подходящий способ модуляции и технологию его применения. Одним из ключевых понятий, используемых при выборе типа модуляции, является ширина спектра сигнала и полоса частот, занимаемая сигналом.

Основы теории мобильной и беспроводной связи


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.