Телекомунікаційні системи та мережі. Том 1. Структура й основні функції.  /  Зміст  /  Розділ 5. Способи формування групових сигналів   /  Тема 5.7. Кодове ущільнення сигналів

Зміст:

5.7.1. Загальна характеристика кодового ущільнення сигналів

Використання методу кодового ущільнення дозволяє радіостанціям працювати одночасно й в одній і тій же смузі частот. Передані сигнали всіх абонентів (АС) розрізняються за формою, що й дозволяє розділити їх у приймачах. Кожний приймач із безлічі прийнятих сигналів виділяє «свої» сигнали, форма яких відома в приймачі й відрізняється від форми сигналів усіх інших абонентів. Як сигнали, що розрізняються за формою, використовують широкосмугові сигнали (ШСС) — це такі сигнали, у яких добуток ширини спектра сигналу Рс на його тривалість Tс набагато більше одиниці, тобто Bс = Fс·Tс. Цей добуток називається базою сигналу Вс. Іноді ШСС називають складними сигналами на відміну від простих з базою сигналу, що дорівнює одиниці, тобто Bс = 1.

У системах зв’язку зі ШСС ширина спектра Fс завжди набагато більше ширини спектра вихідного сигналу. Тому в сучасній технічній літературі такі системи називають системами з розширеним спектром.

У системах зв’язку зі ШСС елементам дискретних сигналів надають складної форми (структури).

Один з можливих варіантів схеми формування й прийому ШСС із використанням погодженого фільтра наведено на рис. 5.7.1.

Рис. 5.7.1. Схеми формування та прийому ШСС

Лінія затримки (ЛЗ) має N відводів, установлюваних через однакові інтервали із затримкою кожного з них на час T0 = Tc/N. Частина відводів приєднується до суматора 1, частина — до суматора 2. На вхід ЛЗ із періодом Tc подаються короткі імпульси. Ключ (модулятор) установлюється в те чи інше положення залежно від переданих інформаційних одиничних елементів («1» або «0»). У результаті на виході модулятора видаються послідовності імпульсів, кожна з яких однозначно пов’язана з переданим інформаційним одиничним елементом. Цими послідовностями імпульсів модулюється передавач ВЧ-коливань (ВЧ ПД).

Дешифрація прийнятих ШСС здійснюється за допомогою ЛЗ (погодженого фільтра), схем збігу й тригера. Налагодивши дешифратор на виділення «своїх» кодових комбінацій (послідовностей імпульсів), якими закодовані інформаційні «1» й «0», можна забезпечити прийом сигналів, адресованих даному абонентові.

Зазвичай база ШСС сягає значень декількох сотень або навіть тисяч.

У розглянутій схемі інформаційні символи «1» й «0» кодуються кодовими комбінаціями різної структури, якими модулюється генератор ВЧ.

Іншим варіантом передачі сигналів є варіант, при якому адреси абонентів кодуються різними послідовностями імпульсів, а зміст переданих одиничних елементів «1» або «0» укладено у фазі сигналу.

Очевидно, що завадостійкість системи зв’язку з кодовим поділом сигналів стосовно взаємних перешкод тим вище, чим менше взаємний зв’язок між сигналами (адресами) абонентів, тобто чим менше їх взаємно кореляційна функція (ВКФ). Тому при побудові таких систем необхідно розв’язувати завдання побудови систем складних сигналів, що забезпечують у приймачах абонентів найменший рівень структурних завад.

Кодове ущільнення (поділ) сигналів широко використовується в різних радіосистемах, особливо в системах рухомого радіозв’язку.

Можливість кодового ущільнення (ущільнення сигналів за формою) засновано на кореляційних властивостях широкосмугових сигналів. Взаємнокореляційною функцією (ВКФ) R12(τ) сигналів S1(t) і S2(t) що мають кінцеві енергії, є функція, що визначається співвідношенням:

де t — час; τ — величина зсуву в часі другого сигналу стосовно першого.

Фізичним змістом ВКФ є ступінь схожості двох сигналів. Окремим випадком ВКФ є автокореляційна функція (АКФ), коли S1(t) = S2(t). Чим більше схожі сигнали один на одного, тим більше додатне значення має ВКФ. Якщо значення функції R12(τ) має найбільше абсолютне значення й від’ємний знак, то це вказує на те, що сигнали S1(t) і S2(t) протилежні, тобто S1(t) = – S2(t). Для кодового поділу каналів, застосовуваного в стандартах CDMA, важливий випадок, коли R12(τ) = 0 у точці, або R12(τ) ≈ 0 на всьому відрізку визначення зсуву τ. Сигнали, що задовольняють першій рівності, називаються ортогональними «в точці», сигнали, що задовольняють другій приблизній рівності — квазіортогональними. Сигнали, для яких ВКФ строго дорівнює нулю при всіх часових зсувах, не існують, тому, говорячи про ортогональні коди, мається на увазі ортогональність «у точці». У зв’язку із зазначеними випадками розглядають два типи адресних систем з кодовим ущільненням сигналів: синхронні й асинхронні. Прикладом систем із кодовим ущільненням сигналів є синхронні адресні системи, які використовуються у системі стандарту IS-95.

Сутність кодового ущільнення сигналів від базової станції (БС) до абонентської (АС) полягає в такому:

  • N інформаційним потокам, призначеним для N абонентів, присвоюється власна кодова псевдовипадкова послідовність (ПВП);
  • кодові послідовності некорельовані між собою;
  • бінарні інформаційні потоки модулюються власними ПВП;
  • канальні широкосмугові сигнали складаються в підсумовуючому пристрої;
  • модуляція носійної результуючої складним широкосмуговим сигналом і випромінювання радіосигналу в простір.

Схему формування групового сигналу, що реалізує викладені принципи, зображено на рис. 5.7.2.

Рис. 5.7.2. Схема формування групового сигналу

На приймальній стороні в абонентській станції:

  • відома «власна» кодова послідовність;
  • здійснюється перенесення сигналу з радіочастоти в область низьких частот;
  • низькочастотний імпульсний сигнал надходить на вхід корелятора, на другий вхід якого синхронно надходить кодуюча ПВП;
  • корелятор, що складається з перемножника й інтегратора, обчислює взаємнокореляційну функцію двох сигналів;
  • відгук на виході корелятора відбувається тільки тоді, коли в ущільненому складному сигналі присутня «власна» ПВП, в іншому випадку на виході спостерігається тільки шум.

На сьогодні відомо чимало методів формування ансамблів ортогональних і квазіортогональних послідовностей. Серед ортогональних систем сигналів у ряді систем зв’язку для кодового поділу застосовуються сигнали, що є рядками матриці Адамара розміром 64 × 64. Матриця Адамара розміром 2n × 2n формується з матриці розміром n × n у такий спосіб:

Початковою матрицею в цьому рекурентному обчисленні виступає матриця розміром 1 × 1: H1 = [1]. Таким чином, матриця Адамара розміром 2 × 2

За аналогією матриця 8 × 8 має вигляд:

Можна переконатися, що якщо попарно перемножити елементи двох різних рядків матриці, а потім скласти результати, то вийде нуль. Це означає, що будь-яка пара рядків у матриці Адамара є ортогональною (зрозуміло, якщо немає взаємного зсуву). З іншого боку, кореляція рядка самого собою дає число 8, що очевидно. Якщо ж скорелювати рядок з його інверсним поданням, то результат дорівнюватиме 8. Таким чином, інформаційний «0» першого каналу можна передавати першим рядком матриці Адамара, а інформаційну «1» — першим рядком, але з інверсією; бінарному потоку другого каналу можна присвоїти другий рядок тощо. Оскільки рядки матриці ортогональні, то сигнали різних каналів можна розділити на приймальній стороні. Рядки матриці Адамара частіше називаються функціями Уолша.

Системи зв’язку, що базуються на кодовому поділі каналів порівняно з іншими системами цифрового зв’язку, мають суттєві переваги:

  • мають виняткову складність результуючих сигналів, у такий спосіб підвищуючи конфіденційність передачі;
  • мають малу спектральну щільність результуючого сигналу, що підвищує прихованість системи;
  • ефективно передають інформацію при багатопроменевому поширенні радіохвиль;
  • стійкі до впливу як імпульсних, так і зосереджених за частотою перешкод;
  • здійснюють близьку до когерентної обробки сигналів, таким чином доводячи завадостійкість до граничних значень;
  • мають низький рівень споживаної потужності абонентської станції, що забезпечує її тривалу роботу без підзарядки;
  • полегшують або повністю виключають необхідність частотного планування;
  • гнучкі в розгортанні, легко адаптуються до вимог по надаваних послугах у конкретній мережі користування.

Висока ефективність використання частотного ресурсу, висока завадозахищеність, прихованість і конфіденційність привели до того, що сучасні системи зокрема, стільникового зв’язку, орієнтовані на ті чи інші варіанти CDMA.