2. Порівняльний аналіз сигналів з розширеним спектором

Одним з основних показників безпровідних систем зв'язку являється ймовірність появи бітових помилок P_b, значення якої визначається рівнем відношення сигнал/шум (E_b/N_o) на вході вирішуючого пристрою. Реально в системі на вході приймача наявний сигнал (рис.7.7,а), який характеризується відношенням сигнал/шум (S/N). В реальних системах відношення сигнал/шум на вході приймача та на вході вирішуючого пристрою (рис.7.7,а) одинакове

а)

б)

Рис.7.7. Залежність між відношенням сигнал/шум в приймачі: (а) - для реальної системи; (б) - для вдосконаленої системи

Отримане значення відношення E_b/N_o для реальної системи визначає ймовірність появи бітових помилок (рис.7.7,а). Якби вдалось створити вдосконалену систему в приймачі якої здійснюється підсилення відношення сигнал/шум на вході вирішуючого пристрою, то для такої вдосконаленої отримаємо також покращення (рис.7.7,б) на G дБ залежності для ймовірності появи бітових помилок P_b(E_b/N_o). Як буде показано далі системи з розширеним спектром якраз і являються такою вдосконаленою системою.

Сигнал DSSS утворюється шляхом безпосередньої модуляції інформаційного сигналу цифровою розширюючою послідовністю. В даному випадку тривалість символу Т_с в розширюючій послідовності набагато більша за тривалість символу Т_s в інформаційній послідовності. В результаті формується сигнал з розширеним спектром. В якості розширюючої послідовності використовуються псевдовипадкові бінарні послідовності.

Коефіцієнт розширення спектру сигналу G, або коефіцієнт підсилення, являється однією з найбільш важливих характеристик системи та визначається відношенням символьної швидкості розширюючої послідовності до бітової швидкості інформаційної послідовності

(7.2)

де W – смуга пропускання приймача.

Коефіцієнт підсилення системи також вказує на взаємозв’язок між відношенням сигнал/шум на вході приймача та відношенням енергії одного біту інформації до шуму (E_b/N_o)

або (7.3)

З приведеної залежності видно, що при збільшенні коефіцієнту G все менше амплітуда корисного сигналу необхідна для забезпечення одного і того ж значення (E_b/N_o), а значить і для забезпечення заданої достовірності прийнятої інформації. Збільшення (E_b/N_o) визначається значенням коефіцієнта G та пояснюється збільшенням часу кореляційної обробки сигналу.

Максимальну кількість користувачів в системі зв'язку з сигналами DSSS також можна оцінити з залежності (7.3). При значній кількості користувачів основний вклад в шум на вході приймача вносять сигнали від інших працюючих станцій, причому в даному випадку власним шумом можна нехтувати. Якщо сигнали від всіх станцій близькі між собою, то величина шуму на вході приймача рівна добутку кількості користувачів K на величину прийнятого сигналу (N=KS). Підставивши отримане значення шуму в залежність (7.3) визначимо кількість користувачів

або (7.4)

Отже, при заданому мінімальному відношенні сигнал/шум (E_b/N_o), яке визначає нормальну роботу детектора, кількість користувачів системи пропорційна коефіцієнту підсилення системи. Така залежність пояснюється зменшенням величини сигналу (у вигляді шуму) від кожного окремого користувача при розширенні смуги частот.

Безпосередня залежність величини шуму прийнятого шуму від наявної кількості працюючих абонентів являється серйозною проблемою при створенні систем зв'язку з шумоподібними сигналами. Справа в тому, що малий сигнал від далекої станції може бути подавлений сильними сигналами близьких станцій. Вирішення даної проблеми полягає в управлінні потужністю передавачів всіх абонентських радіостанцій таким чином, щоб величина сигналів від всіх передавачів в місці знаходження приймального центру була приблизно однаковою незалежно від віддалі між передавачем та приймачем. Тому приймач базової станції постійно аналізує рівень прийнятого сигналу від кожної абонентської станції та через канал управління встановлює необхідний рівень випромінюваної потужності кожної з абонентських станцій.

Спектральна густина потужності цифрового модулюючого сигналу з розширеним спектром визначається наступним чином

(7.5)

Варто відмітити, що із зменшенням тривалості імпульсів Т_с в розширяючій послідовності відстань між нулями спектральної щільності потужності і пікове значення спектральної густини потужності (7.5) зменшується прямо пропорційно коефіцієнту підсилення системи G=T_s/T_c. Спектр вихідного інформаційного сигналу з великою амплітудою, який розміщений у вузькій смузі частот, пропорційний тривалості Т_b імпульсів інформаційного сигналу «розмивається» вздовж більш широкої смуги частот, зменшується за величиною та приймає шумоподібний характер. Для перенесення спектру модулюючого сигналу (3.3) на високу частоту використовується, як правило, фазова модуляція типу BPSK або QPSK. Отже для системи зв’язку з сигналами DSSS характерні наступні властивості:

• Відношення сигнал/шум на вході приймача може бути в G разів меншим за необхідне значення, тобто значно меншим за відношення (E_b/N_o)₁ на вході детектора, при якому забезпечується задана ймовірність бітової помилки.

• Кількість абонентів пропорційна підсиленню системи і являється м’яко обмеженою. М’яке обмеження означає, що якість зв’язку плавно погіршується із збільшенням числа абонентів, але не визначається конкретним значенням.

• Стійкість широкосмугових сигналів до багатопроменевого розповсюдження значно вища, порівняно з вузькосмуговими сигналами.

• Кореляційне приймання широкосмугових сигналів дозволяє успішно функціонувати в умовах наявності багатьох копій основного сигналу і використовувати їх для підвищення потужності прийнятого сигналу. Для цього використовують RAKE- приймач, який забезпечує необхідне фазування кожного окремого сигналу з метою отримання їх максимальної суми.

• Стійкість широкосмугових сигналів до федінгу, який обумовлений випадковою зміною параметрів середовища розповсюдження радіохвиль і вузькосмуговими завадами забезпечується тим, що при широкому спектрі передаючого сигналу спотворюється лише його невелика частина, що достатньо для відновлення цифрового інформаційного сигналу.

• Перевагою являється одночасна робота всіх користувачів в одному частотному діапазоні, що спрощує організацію мережі зв’язку.

Сигнал FHSS формується шляхом зміни несучої частоти передавача за псевдовипадковим законом у відповідності з значеннями символів кодової послідовності. При цьому розрізняють швидкі та повільні скачки частоти (відповідно швидке та повільне сканування). Швидке сканування має місце в тому випадку, коли більше одного значення несучої частоти використовується для передавання кожного символу. Отже, при швидкому скануванні швидкість скачків несучої частоти, яка визначається швидкістю розширюючої послідовності рівна або більша символьної швидкості передавання інформації. Повільне сканування характеризується тим, що один або декілька бітів передаються на одній робочій частоті. В даному випадку швидкість сканування менша за символьну швидкість передавання інформації, причому смуга частот, яку займає сигнал на кожній несучій частоті визначається тільки видом модулюючого сигналу та способом модуляції.

В режимі приймання сигналу FHSS основні проблеми пов’язані з фільтрацією побічних каналів приймання, так як широка смуга не допускає використання вузькосмугових вхідних фільтрів для подавлення таких каналів. Розширення спектру скачками частоти передбачає розбиття виділеного частотного діапазону на окремі канали. Кожен канал визначається як область спектру, достатня для передавання більшої частини потужності вузькосмугового модульованого сигналу. Коефіцієнт підсилення G системи зв'язку з скачкоподібною зміною частоти визначається наступним чином

(7.6)

де W_ss – повний діапазон сканування; B- смуга частот вузькосмугового модульованого сигналу.

Варто зауважити, що для систем з сигналами FHSS практично відсутня проблема вирівнювання потужностей різних абонентських станцій, що властиво системам з DSSS. Для систем з сигналами FHSS ймовірність роботи двох передавачів на одній частоті досить велика. Тому для надійної роботи системи кількість доступних каналів зв'язку повинна бути більшою за кількість абонентів. Отже, застосування широкосмугових сигналів з модуляцією FHSS не збільшує кількість каналів в системі зв'язку.

Основна перевага сигналів з модуляцією FHSS полягає в стійкості до вузькосмугових завад та багатопроменевого поширення. Стійкість до вузькосмугових завад являється очевидною з самого принципу модуляції FHSS. Стійкість сигналів FHSS до багатопроменевого поширення хвиль пояснюється тим, що при достатньо швидкому скануванню в момент надходження копії сигналу приймач вже не здійснює приймання на даній частоті, а перестроюється на частоту іншого каналу.

На основі аналізу особливостей сигналів з DSSS та FHSS модуляцією вибирається сфера їх застосування. Наприклад, сигнали з DSSS використовуються в традиційних безпровідних системах в тому числі і системах далекого радіусу дії. Дещо інша ситуація виникає при застосуванні систем з FHSS сигналами. Такі системи знаходять застосування в локальних комп’ютерних мережах. Як правило, такі мережі мають обмежене число користувачів і не передають інформацію в режимі реального часу.