Системы на базе FH-CDMA и DS-CDMA
Сложными называютсигналы, произведение длительности которых на ширину спектра {база) существенно больше единицы:
B = T * ΔF, B>>1.
где В, Т иΔ F-база, длительность и ширина спектра сигнала соответственно.
Основная идея технологии сложных сигналов базируется на преобразовании узкополосных сигналов с шириной спектра Δf в широкополосные сигналы с шириной спектра AF при постоянстве энергиисигналов Е, как показано на рисунке 20.
Рис.20 Преобразование ширины спектра сигналов.
Пусть требуется передать сообщение, спектр которого имеет ширину Δf, а спектральная плотность энергии может быть оценена отношением Е/Δf. При использовании широкополосной передачи в эфир излучают сигнал с преднамеренно расширенной полосой ΔF, так что. спектральная плотность энергии исходного сигнала уменьшается в ΔF/ Δf / раз и составляет
E/ΔF.
База же сигнала, равная произведению ширины спектра на длительность, возрастает при этом в ∆F/∆f раз
Известно несколько способов организации систем со сложными сигналами, но в каждом случае должен быть выполнен ряд условий:
• расширение базы сигнала посредством кода;
• кодовая синхронизация передающей и приемной сторон;
• уровень взаимных помех в системе не выше порогового;
• применение оптимальных кодовых последовательностей с целью
улучшения характеристик системы.
Существует два основных способа расширения базы сигналов:
• FH-CDMA – технология скачков по частоте (frequency hopping);
• DS-CDMA - прямое расширение спектра частот (direct sequence spreading).
При скачкообразном изменении несущей частоты каждый символ сообщения передают с помощью набора дискретных частот. Характер изменения часто соответствует заранее определённой последовательности, т. е. коду. В зависимости от относительной скорости перестройки частоты различают системы с быстрыми скачками изменения несущей частоты (fast frequency hopping) и медленными (slow frequency hopping). В системах fast frequency hopping несущая частота меняется несколько раз за время передачи одного бита. Если же скорость изменения частоты гораздо меньше, чем скорость передачи символов, говорят о медленных скачках по частоте. Данный метод имеет несколько достоинств:
1) Рациональное использование частотного ресурса. При высокой плотности трафика можно установить несколько базовых станций, «скачущих» по разным частотам в одной и той же полосе частот.
2) Метод менее подвержен эффекту «близкого передатчика», чем DS-CDMA.
Недостаток – наличие сложного высокоскоростного синтезатора частот.
При использовании второго способа расширения базы- DS-CDMA, исходный узкополосный сигнал умножают на псевдослучайную последовательность (ПСП), состоящую из N элементов (чипов) длительностью А каждый и имеющую период повторения T=NxΔ . В этом случае база сигнала В численно равна количеству N элементов на периоде ПСП. Алгоритмы генерирования ПСП известны и табулированы. На практике часто используют бинарные ПСП, т. е. последовательности на основе двоичного алфавита, состоящие из элементов, которые условно можно обозначить "+1" и "-1". Такие последовательности обладают рядом важных свойств:
• в ПСП количество элементов "+1" и "-1" приблизительно одинаково;
• отрезок ПСП длины г, состоящий только из элементов "+1" или "-1, встречается в среднем 2¯r N раз в последовательности с периодом повторения N;
• автокорреляционные функции (АКФ) и взаимные корреляционные функции (ВКФ) таких последовательностей обеспечивают оптимальную корреляционную обработку при приеме.
Рис. 21 Метод прямого расширения частот
 |
а - кодовый модулятор;
б - информационный сигнал;
в - кодовая последовательность;
г - информационный сигнал, манипулированный кодом;
д - фазоманипулированный сложный сигнал;
е - комплексная огибающая фазоманипулированного сигнала.
В стандарте CDMA для кодового разделения каналов используются ортогональные коды Уолша.
Системы LMDS/MVDS
В середине 90-х годов появились системы MMDS (Multichannel (или Microwave) Multipoint Distribution Service) — многоканальные (микроволновые) многоточечные распределительные системы. Они позволяли работать в диапазоне 2,5—2,7 ГГц в зоне радиусом до 50—60 км — фактически зоне прямой видимости. При этом мощность передатчика базовой станции, как правило, не превышала 100 Вт (до 1 кВт). В оборудовании MMDS используется квадратурная амплитудная модуляция - от четырехпозиционной QPSK (2 бита на модуляционный символ) до 256-позиционной QAM (256-QAM, 8 бит на символ). Поэтому скорости передачи данных в MMDS могут достигать очень больших значений при соответствующей ширине канала. Так, в стандартном 8-МГц телевизионном канале возможна скорость до 64Мбит/с. Сети MMDS не стали массовыми по причине высокой стоимости оборудования.
Следующим шагом в области систем широкополосного доступа стало появление концепции Local Multipoint Distribution Service (LMDS) - локальной многоточечной распределительной системы, работающей в диапазоне 27,5—29,5 ГГц. Вскоре появилась аналогичная система MVDS (Multipoint Video Distribution Systems), ориентированная на диапазон 40,5—42,5 ГГц (диапазон, выделенный в Европе для аналогового ТВ-вещания).
Системы LMDS/MVDS называют сотовым телевидением, поскольку радиус действия каждого ретранслятора невелик — порядка 3—8 км. В системах используют относительно маломощные передатчики — не более десятков ватт в групповых передатчиках (до 100—300 мВт на канал).
В миллиметровом диапазоне затухание радиоволн весьма велико. Но, с другой стороны, волны этого диапазона отражаются от препятствий с весьма малыми потерями, что можно эффективно использовать в условиях городской застройки, работая на переотраженных сигналах.
Системы LMDS/MVDS используют те же методы модуляции (QPSK, QAM) и частотные планы (19,5—39 МГц), что и системы спутникового ТВ-вещания. Диапазон их работы определяется наличием свободного частотного ресурса и может быть, например, 10, 24, 31, 38 ГГц. При общей ширине полосы 2 ГГц эти системы позволяют передавать от 96 до 128 аналоговых ТВ-каналов. Сотовая структура сетей LMDS/MVDS открывает широкие возможности для частотного планирования, включая такие механизмы, как различная поляризация сигналов, применение направленных (секторных) антенн, использование одних и тех же каналов в разных сотах и т.д.
С 2000 годы системы LMDS стали двунаправленными, что открыло перед ними широчайшие возможности для миграции из обильной конкурентами области ТВ-вещания (прежде всего - со стороны кабельного и спутникового ТВ) в зону интерактивных приложений, важнейшее из которых — Интернет (а также Video on Demand — интерактивное ТВ).
Вопросы самоконтроля
1. Перечислите оборудование, входящее в категорию оборудования радиодоступа.
2. Суть технологии расширения спектра прямой последовательностью DS-CDMA;
3. Суть технологии FH-CDMA скачков по частоте;
4. Достоинства и недостатки, присущие технологиям DS-CDMA и FH-CDMA;
5. Назовите назначение систем LMDS/MVDS.