2.3.5. Технология широкополосного сигнала
Техника расширенного спектра разработана специально для беспроводной передачи и позволяет улучшить помехоустойчивость кода для сигналов малой мощности, что очень важно для мобильных применений. Кроме нее применяются два вида дискретной модуляции:
частотная манипуляция (Frequency Shift Keying, FSK);
фазовая манипуляция (Phase Shift Keying, PSK) [6].
Широкая полоса пропускания позволяет также применять модуляцию с несколькими несущими, когда полоса делится на несколько подканалов, каждый со своей несущей. Соответственно, битовый поток делится на несколько подпотоков более низкой скорости. Затем каждый подпоток модулируется с помощью определенной несущей частоты, кратной основной несущей (f0, 2f0, 3f0 и т.д.). Модуляция выполняется с помощью обычных методов FSK и PSK. Такая техника называется ортогональным частотным мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) [6].
Перед передачей все несущие сворачиваются в общий сигнал с помощью быстрого преобразования Фурье. Спектр такого сигнала примерно равен спектру сигнала, кодируемого одной несущей. А после передачи из общего сигнала путем обратного преобразования Фурье выделяются несущие подканалы, затем из каждого выделяется битовый поток. Выигрыш от всего этого проявляется в том, что увеличивается интервал между отдельными символами кода. Это означает, что снижается эффект межсимвольной интерференции, появляющийся из-за многолучевого распространения электромагнитных волн.
Используются следующие два метода расширения спектра сигнала.
Расширение спектра скачкообразной перестройкой частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Его идея возникла еще в годы Второй мировой войны, когда радио широко использовалось для секретных переговоров и управления военными объектами (торпедами). Чтобы радиообмен нельзя было перехватить или подавить узкополосным шумом, было предложено вести передачу с постоянной сменой несущей в пределах широкого диапазона частот. В результате мощность сигнала распределялась по всему диапазону, и прослушивание какой-то определенной частоты давало только небольшой шум. Последовательность несущих частот выбиралась псевдослучайной, известной только передатчику и приемнику. Например, на рис.1.10 последовательность перестройки частот: F9–F6–F10–F3–F7–F1–F4–F8–F2–F5. Попытка подавления сигнала в каком-то узком диапазоне также не слишком ухудшала сигнал, так как подавлялась лишь небольшая часть информации [6].
Рис.1.10. Скачкообразная перестройка частоты
В течение определенного фиксированного интервала времени передача ведется на неизменной несущей частоте.
На каждой несущей частоте для передачи дискретной информации применяются стандартные методы модуляции (например, FSK, PSK). Чтобы приемник синхронизировался с передатчиком, для обозначения начала каждого периода передачи в течение некоторого времени передаются синхробиты, уменьшая полезную скорость передачи.
Несущая частота меняется по номерам частотных подканалов, вырабатываемых алгоритмом генерации псевдослучайных чисел. Псевдослучайная последовательность зависит от параметра, называемого начальным числом. Если передатчику и приемнику известны алгоритм и начальное число, они будут менять частоты в одинаковой последовательности псевдослучайной перестройки частоты.
Если частота смены подканалов ниже скорости передачи данных, то такой режим называется медленным расширением спектра, в противном случае – быстрым. Второй режим более устойчив к помехам, поскольку каждый бит повторяется в различных подканалах.
В методах кодирования FHSS вместо экономного расходования узкой полосы делается попытка занять весь доступный диапазон. На первый взгляд это кажется не эффективным – ведь в каждый момент времени работает только один подканал. Но методы FHSS позволяют организовать и мультиплексирование нескольких каналов в широком диапазоне путем выбора для каждого канала таких псевдослучайных последовательностей, чтобы в каждый момент времени каждый канал работал на своей неповторяющейся частоте.
Прямое последовательное расширение спектра (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS). В этом методе также используется весь частотный диапазон, выделенный для беспроводной линии связи. Но в отличие от метода FHSS, где весь частотный диапазон заполняется за счет постоянных переключений частоты, в методе DSSS каждый бит информации заменяется N битами так, что тактовая скорость увеличивается в N раз, а спектр сигнала также расширяется в N раз. Достаточно правильно выбрать скорость передачи и значение N, чтобы спектр сигнала заполнил весь диапазон [6].
Цель кодирования DSSS (как и FHSS) – повышение устойчивости к помехам. Узкополосная помеха будет искажать только определенные частоты спектра сигнала, поэтому приемник с большой долей вероятности сможет правильно распознать переданную информацию.
N-битный код, которым заменяется каждая двоичная единица исходной информации, называется расширяющей последовательностью, а каждый ее бит – чипом. Соответственно, скорость передачи результирующего кода (чипов) называют чиповой скоростью. Каждый двоичный нуль кодируется инверсным значением расширяющей последовательности. Для кодирования результирующего кода может использоваться любой вид модуляции. Приемники должны знать вид расширяющей последовательности, использованной передатчиком, чтобы понять передаваемую информацию.
Число битов N расширяющей последовательности определяет коэффициент расширения исходного кода. Чем больше коэффициент расширения, тем шире спектр результирующего сигнала и тем больше степень подавления помех. Но при этом растет и занимаемый каналом диапазон спектра. Обычно коэффициент расширения составляет от 10 до 100. Примером является известная расширяющая последовательность Баркера, которая состоит из 11 битов: 10110111000. Передача трех битов 110 ведет к передаче следующих битов:
10110111000 10110111000 01001000111.
Последовательность Баркера позволяет приемнику быстро синхронизироваться с передатчиком, надежно выявляя начало последовательности. Приемник определяет такое событие, последовательно сравнивая получаемые биты с образцом последовательности. Действительно, если сравнить последовательность Баркера с такой же последовательностью, но сдвинутой на один бит влево или вправо, то мы получим меньше половины совпадений значений битов. Значит, даже при искажении нескольких битов с большой долей вероятности приемник правильно определит начало последовательности, после чего сможет правильно интерпретировать полученную информацию.
Метод DSSS в меньшей степени защищен от помех, чем метод быстрого расширения спектра, поскольку мощная узкополосная помеха влияет на часть спектра, а значит, и на результат распознавания единиц или нулей.
Множественный доступ с кодовым разделением. Как и FHSS кодирование методом DSSS позволяет мультиплексировать несколько каналов в одном диапазоне. Техника такого мультиплексирования называется множественным доступом с кодовым разделением (Code Division Multiple Access, CDMA). Она широко используется в сотовых сетях [6].
Техника CDMA может использоваться совместно с кодированием методом FHSS, но на практике она чаще применяется в беспроводной сети с методом DSSS. Каждый узел сети, работающей по методу CDMA, посылает данные в разделяемую среду, когда ему это нужно, то есть синхронизация между узлами отсутствует. Идея CDMA заключается в том, что каждый узел сети использует свое значение расширяющей последовательности. Эти значения выбираются так, чтобы каждый принимающий узел, знающий значение расширяющей последовательности своего отправителя, мог выделить (демультиплексировать) данные своего отправителя из суммарного сигнала, образующегося в результате одновременной передачи информации несколькими узлами.