1. Розширення спектра з використанням прямої послідовності

В схемі з прямим розширенням спектра (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum) сигнал даних на передавальній стороні (наприклад, базової чи абонентської станції) скремблюється псевдовипадковою послідовністю імпульсів, яка

призначена певному користувачу, для розширення спектра сигналу із заданою швидкістю чіп-кодування та завадозахищеності.

Розподіл спектра випромінювання (CW, Continuous Wave) сигналу DSSS з часом проілюстрований рис. 1. Уважається, що за результатом застосування такої процедури кожен біт сигналу буде розширений на всю ширину смуги частот радіоканалу.

Рис. 1. Розподіл спектра випромінювання сигналу DSSS з часом

В разі застосування цього методу сигнал представляє собою безперервну модульовану за фазою комбінацію даних і розширювального коду.

В приймачі вихідний сигнал виділяється за допомогою використання такої же розширювальної послідовності. Коефіцієнт повторного використання частот за методом DSSS дорівнює одиниці. Послідовність процесу модуляції сигналу із застосуванням методу DSSS наведена на рис. 2.

Рис. 2. Порядок модуляції сигналу за методом DSSS

На першому етапі кожен біт інформації вихідного потоку даних модулюється розширювальним кодом. Така процедура називається цифровою модуляцією або модуляцією цифрового потоку (яку не треба путати з модуляцією цифрових сигналів). Далі чіпова послідовність двополярних імпульсів кодується із застосуванням одного з видів модуляції, в результаті чого формується комплексний НЧ сигнал зі своєю амплітудою та фазою. На останньому етапі здійснюється ВЧ модуляція комплексного НЧ сигналу із застосуванням методу DSSS, під час якого спектр сигналу переноситься до області ВЧ.

Цифрова модуляція, тобто модуляція розширювальним кодом, здійснюється шляхом додавання за модулем 2 псевдовипадкової бінарної (двійкової) послідовності (PRBS, Pseudo Random Binary Sequence) до бінарного потоку даних. На практиці розширювальна послідовність PRBS може бути представлена послідовністю прямокутних імпульсів або імпульсів іншої форми. При цьому ширина спектра сигналу та чіпова швидкість будуть різними. Рис. 3 ілюструє процес модулювання потоку даних D(t), представленого чотирма бітами інформації, розширювальною послідовністю у вигляді 11-ти позиційного коду Баркера (як це реалізовано в стандарті

IEEE 802.1 lb/g). Вихідний потік даних представляє собою послідовність імпульсів (бітів) тривалістю кожний, які надходять з періодом Т_п =Т _імп.

Обвідна спектра імпульсу з прямокутною формою описується функцією

| sin (x)/x |, ширина спектра (за нульовим рівнем) дорівнює

∆f_D = 2/T_П = 2/Т_імп (1)

Розширювальна послідовність PRBS (яка також називається розширювальним кодом) складається з нефільтрованих „парціальних" прямокутних імпульсів тривалістю τ_чіп, що надходять з чіповою швидкістю (тактовою частотою) яка визначається за формулою

R_чіп = 1/ τ_чіп (2)

Обвідна спектра елементарного сигналу розширювальної послідовності також описується функцією |sin (x)/x |, але в цьому разі ширина його спектра

( за нульовим рівнем) визначається тривалістю (рис. 4, б)

∆f_PRBS = 2/ τ_чіп (3)

Рис. 3. Модуляція цифрового потоку розширювальним кодом

Спектр імпульсу з прямокутною обвідною (рис. 4, а) зображений на рис. 4, б.

Рис. 4. Спектри відеоімпульсів DSSS

Таким чином, загальна потужність сигналу, що випромінюється, не зменшується, проте в Т_імп /τ_чіп разів зменшується щільність потужності випромінювання на кожній частоті та в стільки ж разів збільшується ширина спектра сигналу, що випромінюється, тобто потужність рівномірно розподіляється у смузі .

Відношення називається коефіцієнтом розширення спектра. Обвідна спектра результуючого сигналу U_M (t) описується функцією sin²(x)/x², що забезпечує зниження рівня бічних пелюсток (зокрема, рівень першої бічної пелюстки зменшується від мінус 7 дБ до мінус 13,5 дБ).

Для звуження спектра сигналу форма парціального імпульсу розширювального коду PRBS згладжується, наприклад, за рахунок використання імпульсів, обвідна яких описується законом кореня другого ступеня з „косинуса на підставці" або гаусівського імпульсу (загальновідомо, що форма спектра сигналу визначається формою його обвідної, тому часто для зниження рівня позасмугових випромінювань (рівня бічних пелюсток спектра сигналу) обвідну сигналу згладжують). Форми обвідних спектрів деяких найпоширеніших сигналів наведені в Додатку Д.

В разі використання імпульсів, форма яких згладжена, тактова частота не змінюється, проте зменшується ширина спектра сигналу.

Сигнал, модульований такою послідовністю має найоптимальніший (з точки зору ефективності використання) спектр сигналу, оскільки в ньому практично відсутні бічні пелюстки. При цьому ширина спектра модульованого сигналу незначно перевищує чіпову швидкість що дорівнює половині ширини спектра, яка потрібна в разі використання прямокутної послідовності імпульсів.

Після цифрової модуляції результуюча послідовність двополярних імпульсів групується на двійки, трійки або четвірки чіпів, які використовуються для формування комплексного НЧ сигналу. Для модуляції несучої частоти комплексного НЧ сигналу як різновид може застосовуватися схема, в якій дані (комплексний НЧ сигнал) модулює ВЧ коливання в одному модуляторі, а розширювальна послідовність PRBS - у другому.

На практиці застосовуються такі форми модуляції:

• бінарна фазова маніпуляція (BPSK, Binary Phase Shift Keying);

• квадратурна фазова маніпуляція (QPSK, Quadrature Phase Shift Keying);

• квадратурна амплітудна модуляція (QAM, Quadrature Amplitude Modulation);

• різновиди відносної квадратурної фазової маніпуляції (DQPSK. Differential Quadrature Phase Shift Keying; л/4-shift DQPSK, 7t/4-Differential Quadrature Phase Shift Keying);

• модуляція комплементарним кодом (ССК, Complementary Code Keying).

Процедура формування комплексного НЧ сигналу розглядається нижче.

Властивості сигналу DSSS можуть бути описані такими його параметрами й характеристиками:

• несуча частота f_c;

• чіпова швидкість R_ЧІП

• ширина спектра частот сигналу, що передається ∆f,

• кількість користувачів у смузі частот;

• тип модуляції;

• миттєва потужність сигналу, що приймається;

• кут надходження сигналу (пеленг).

Перші два параметри (несуча частота f_c і чіпова швидкість R_ЧІП) є основними (ширина спектра сигналу ∆f = 2 R_ЧІП ). Несуча частота подавляється у процесі розширення спектра, але для сигналу з модуляцію BPSK може бути відтворена шляхом оброблення прийнятого сигналу за квадратичним законом U²_M(t), шо призводить до появи вираженого спектрального складника сигналу U_M(t) на частоті, значення якої дорівнює подвоєному значенню несучої частоти. Для сигналу з модуляцією QPSK несуча частота може бути отримана зі спектра сигналу U⁴_M(t) як частота, учетверо більша, ніж несуча частота вихідного сигналу.

Чіпова швидкість R_ЧІП може бути оцінена, виходячи зі значення ширини смуги частот ∆f сигналу U_M(t), яка приблизно дорівнює половині ширини спектра ∆f₀ між двома найближчими нулями спектра а саме

R_ЧІП = ∆f₀ /2 (4)