Формирование и передача сигнала_lekc

согласования с радиоимпульсом на выходе сумматора. Пиковое значение сигнала на выходе фильтра равно энергии радиоимпульса.

6.3. Синхронизация в системах с расширением спектра

В любой цифровой системе необходима синхронизация несущей и тактовой частот. Частоты генераторов (синтезаторов частот) приемника и передатчика могут изначально не совпадать. При связи с подвижным объектом несущая частота меняется из-за эффекта Доплера и это изменение во многих случаях существенно. Частота приемника должна непрерывно и автоматически подстраиваться под частоту передатчика. В системах с когерентной демодуляцией необходима фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ): синхронизация несущей не только по частоте, но и по фазе. Устройство тактовой синхронизации определяет временные границы символов и обеспечивает опрос сигнала, соответствующего текущему символу, в момент максимума сигнала.

Система с расширением спектра содержит, кроме того, устройство автоматической подстройки времени (АПВ), определяющее начало ПСП. Подстройка выполняется в два этапа. При грубой АПВ ПСП сдвигается на 1, 2, … периодов следования элементарных символов до момента превышения сигналом на выходе коррелятора заданного порога. Точность определения начала ПСП при грубой синхронизации порядка длительности элементарного символа Тэс .

На втором этапе синхронизация осуществляется с точностью десятых долей Тэс. Один из способов точной синхронизации поясняет рис. 43. Приемник формирует две ПСП, сдвинутых по времени относительно друг

друга на Тэс, и вычисляет функции корреляции R1 и R2 этих ПСП с принятой ПСП.

Вариант а) расположения сдвинутых импульсов ПСП1 и ПСП2 приемника относительно импульса принятой ПСП соответствует точной синхронизации, вариант б) – не точной. Обе ПСП приемника одновременно сдвигаются в пределах интервала Тs до тех пор, пока среднее значение сигнала R1-R2 не станет равным 0.

6.4.Расширение спектра в системе Navstar

Внавигационной спутниковой системе Navstar потребитель принимает, как минимум, сигналы от четырех искусственных спутников Земли (ИСЗ), содержащие данные о координатах спутников, и определяет моменты прихода сигналов от ИСЗ. По этим моментам и координатам спутников потребитель вычисляет собственные координаты. Сигналы ИСЗ имеют две составляющие: дальномерный код G(t) и код данных D(t) о координатах ИСЗ. Сигнал передается на двух частотах: на частоте 1575,42 мГц - сигнал высокой (ВТ) и пониженной (ПТ) точности, на частоте 1227,6 мГц - только сигнал ПТ. Сигнал ПТ выдается в виде непрерывно повторяющихся псевдослучайных последовательностей Голда с 1023 символами в периоде. Длительность элементарного символа ПСП около 1 мкс. Элементарные символы ПСП передаются сигналами 2ФМ, в одном символе содержится около 1500 периодов несущей частоты. Код данных - это двоичный код с частотой следования битов 50 Гц, модулирующий ПСП. В одном бите данных содержится 20 периодов ПСП (рис.44). Модуляция данными не мешает поиску начала ПСП: в зависимости от данных при синхронизации будет принят либо большой отрицательный сигнал, либо большой положительный. ПСП является дальномерным кодом: грубая синхронизация ПСП с точностью до одного символа позволяет определить дальность с погрешностью около 300м. При синхронизации с точностью порядка 0,1 символа погрешность измерения расстояния около 30м.

Доплеровский сдвиг несущей частоты равен fd = vf0 / c, f0 - несущая частота, с -скорость распространения радиоволн. Скорость ИСЗ по орбите v ≈ 4000 м/с, если принять радиальную скорость равной 1000 м / с, fd ≈ (1000*1,5*109) / 3*108 ≈ 5 кГц. Полоса захвата частоты системы АПЧ около 500 Гц, системы ФАПЧ около 50 Гц, так что может потребоваться поиск сигнала каждого ИСЗ на десяти разных частотах, а на каждой частоте производить 1023 сдвига ПСП, тратя на один отсчет сигнала на выходе корреляционного приемника около 1 мс. В результате время поиска порядка 4*1023*10*0,001≈ 40с (на практике от единиц до десятков минут).

20 ПСП

12 ………. ………………. 20

1023 символа ПСП

1 0 1 1 0 …………… 0 ………….. 0 один символ ПСП

≈ 1500 периодов несущей Рис.44

Рефракция радиолуча в атмосфере вносит погрешность, которую можно оценить, сравнивая сигналы разных частот, Для этой цели и используются две частоты. Сигнал ВТ, передаваемый на той же частоте, что и сигнал НТ, принимается независимо благодаря сдвигу на ± 90° относительно сигнала ПТ.

7. Формирование сигналов в многоканальных системах связи

Задача многоканальной связи - обеспечить одновременную передачу сообщений от разных источников по одному физическому каналу: проводу (кабелю), оптоволокну, эфиру. Эту задачу, называемую также разделением каналов, или мультиплексированием, решают методами частотного, временного и кодового разделения каналов.

7.1. Частотное разделение каналов

Первым методом, примененным для разделения каналов в аналоговых проводных, спутниковых и радиорелейных системах связи, был частотный метод. Каждому каналу отводится своя полоса частот. Для ее экономии используется амплитудная модуляция с одной боковой полосой и

подавлением несущей. Упрощенная блок-схема системы многоканальной телефонной связи показана на рис. 45. Сигнал источника si , ограниченный по амплитуде (чтобы не допустить перегрузки группового сигнала) и по частоте в полосе 0,3 - 3,4 кГц, модулирует свою несущую частоту fi ,

S1 ПФ М ПФ

Ff1

Σ

Sn ПФ М ПФ

f1

У

Sn

ПФ Д ФНЧ

fn

Рис.45

после чего проходит полосовой фильтр, пропускающий только одну боковую полосу спектра модулированного сигнала. Групповой сигнал формируется суммированием сигналов от нескольких источников и подается в канал связи. В приемнике сигналы отдельных источников выделяются из группового сигнала полосовыми фильтрами и демодулируются. В демодулятор вводятся несущие частоты fi , отсутствующие в сигналах с одной боковой полосой и подавлением несущей.

Кстабильности несущих частот предъявляются высокие требования,

аполосовые фильтры должны иметь крутой спад частотной характеристи-

ки. Сложность фильтра резко растет с уменьшением отношения f / fi , где f - полоса пропускания фильтра. Чтобы упростить фильтры, применяют многократное преобразование частоты. Пример приведен на рис. 46.

Сигнал одного источника занимает полосу 3,4 кГц. Шесть несущих частот от 64 до 104 кГц отведены для 12-ти источников. Из сигналов от двух источников с одной несущей частотой выделяется нижняя боковая полоса у одного источника и верхняя у другого. В результате суммирования однополосных сигналов 12-ти источников (рис 46а) формируется первичная группа каналов. Из пяти первичных групп формируют вторичную группу каналов (рис.46б). Аналогичным образом из пяти вторичных групп формируют третичную группу, из пяти третичных групп - четвертичную группу. Дальнейшее усложнение этой аналоговой системы менее выгодно, чем применение цифровых методов формирования сигналов.

Принцип работы системы с временным разделением каналов поясним на примере цифровой системы телефонной связи (рис.47). Аналоговые сигналы n источников сообщений ограничиваются по частоте в полосе 3,4 кГц, дискретизируются по времени с частотой 8 кГц и преобразуются в 8- разрядный двоичный код. Подключение источников сигналов к аналогоцифровому преобразователю производится по очереди, на выходе АЦП

образуется групповой сигнал, передаваемый в линию связи. Интервал времени, необходимый для опроса всех источников по одному разу, составляет цикл передачи. Интервал времени между ближайшими опросами разных источников - это канальный интервал, или слот. Коммутатор приемника, работающий синхронно с коммутатором передатчика, разделяет групповой сигнал по отдельным каналам. Коммутаторы передатчика и приемника синхронизуются по тактам и по циклам. Импульсы тактовой синхронизации выделяются из принимаемого сигнала. Для цикловой синхронизации (определения момента начала цикла) используется специально выделенный канальный интервал, в котором передается кодовая комбинация, не встречающаяся в информационных посылках. Один канал отведен для передачи служебных сообщений. Начало этих сообщений, размещенных в разных циклах, определяется с помощью кодов сверхцикловой синхронизации.

При n = 32 (этот параметр принят в ряде систем) битовая скорость группового сигнала составляет 32х 8х 8 х103 = 2,048 Мбит/c. Объединением групповых потоков с битовой скоростью 2 Мбит/c (в несколько этапов по 4 потока) получают потоки со скоростями 8, 34, 68 и 140 Мбит/c. Возможно получение потока со скоростью 565 Мбит/c для передачи по оптоволокну.

Потоки объединяются способом разделения по времени: 4 потока последовательно опрашиваются за один битовый интервал, в результате формируется битовая последовательность с увеличенной в 4 раза скоростью передачи. Оборудование, объединяющее и разделяющее (на приемном конце) потоки, называется мульдекс (мультиплексор - демультиплексор).

Мульдекс выполняет следующие функции. Производит перекодировку сигналов из кода канала в однополярный двоичный код и обратно до и после операций объединения потоков. Вводит коды цикловой синхронизации и передает сигналы об отказах в системе. Синхронизуется с четырьмя "плезиохронными" входными потоками, имеющими не совсем одинаковые скорости, путем "буферного" запоминания и последующего считывания с повышенной скоростью.

7.3. Доступ к каналу в режиме соперничества

Каналы связи могут быть постоянно закреплены за определенными абонентами или предоставляться по запросу абонента с учетом состояния сети связи. Эффективность системы множественного доступа (МД), в которой один канал используется разными абонентами, зависит от алгоритма предоставления канала пользователю. Существуют системы с фиксированным распределением, когда абонент периодически получает доступ к каналу независимо от потребности, и системы с предоставлением каналов по запросу. При отсутствии специального устройства, определяющего порядок обслуживания заявок на использование канала связи, пользователи занимают канал в режиме соперничества. В первой подобной системе ALOHA (спутниковой связи с Гавайскими островами) абонент занимает канал в любой момент времени. В случае ошибки из-за наложения передач нескольких абонентов передача повторяется.

Эффективность системы ALOHA оценивают в предположении, что сообщения передаются пакетами длительности Р. Если G - число попыток передач за время Р и S - число успешных передач за это время, то интенсивность заявок λ = G / P , а вероятность успешной передачи S / G. Значение S является показателем эффективности работы системы. S=1, если пакеты сообщений успешно передаются один за другим без перерывов. Пакет искажается, если другой абонент занял канал во время передачи данного или предыдущего пакетов, т.е. в течение интервала времени 2Р. Вероятность успешной передачи - это вероятность отсутствия других заявок на интервале 2Р.Предполагая, что вероятность подачи заявок распределена по Пуассону, получим

Максимально возможное число успешных передач повышается до 0,37 (при G=1) в синхронной системе множественного доступа, подающей синхросигналы через определенные интервалы времени. Начинать передачу можно не в любой момент, а только сразу после синхросигнала. В синхронной системе с контролем несущей, когда абонент начинает передачу при условии незанятого эфира, максимально возможное число успешных передач повышается до 0,53. Еще выше (до 0,8) это число в "ненастойчивой" и "р-настойчивой" системах с контролем несущей. В первом случае передача, при свободном эфире, откладывается на случайное время, во втором - осуществляется с вероятностью р. Эффект достигается благодаря боле равномерному распределению заявок по времени. Следует заметить, что максимум производительности системы, близкий к теоретическому пределу, достигается при загрузке G > 1, когда очередь на обслуживание неограниченно растет несмотря на то, что канал работает почти без потерь времени. Если нагрузка G < 1, показатель S меньше вышеуказанных значений (рис.48).

При любой, даже достаточно малой нагрузке системы, есть вероятность "всплеска" количества запросов на обслуживание, появления "задолженности" и самоблокировки системы. Доказано, что в управляемой системе с двумя уровнями "настойчивости", устанавливаемыми в соответствии с загрузкой системы (высокий уровень при малой загрузке и низкий при большой), задолженность устраняется и система работает устойчиво. Эффективность системы слабо зависит от выбора уровней настойчивости.

8. Модели и характеристики канала связи

Каналом связи называют среду распространения сигнала, соединяющую передатчик и приемник. Канал может состоять из проводников, коаксиальных и оптоволоконных кабелей, волноводов, атмосферы, открытого пространства. Основная часть наземных каналов радиосвязи проходит через атмосферу, спутниковых каналов - через открытое пространство. В канале связи сигнал ослабляется и искажается под влиянием ряда факторов. Среди мешающих влияний выделяют:

а) шумы (тепловой шум приемника, флюктуации частоты и амплитуды несущей и т.д.); б) помехи (от искрения коллекторных двигателей, зажигания автомобиля,

грозовых разрядов, высоковольтных линий, параллельных цепей и каналов, соседних по частоте радио- и радиолокационных станций и т.д.);

в) искажения - линейные (из-за неравномерности АЧХ) и нелинейные (появление гармоник и комбинационных частот); г) замирания (из-за многолучевого распространения).

В дискретном канале мешающие влияния проявляются в виде ошибок - перехода истинного значения символа в ложное или не используемое (стирание).

Теоретический анализ канала связи проводят на его модели, полученной в результате ряда упрощающих предположений. Моделью непрерывного канала обычно является "гауссов" канал, у которого основные физические параметры - постоянные величины, полоса пропускания ограничена, помеха является аддитивным гауссовым белым шумом, статистические связи между сигналом и шумом отсутствуют. Среди дискретных каналов различают каналы без памяти и с памятью. В каналах без памяти шум влияет на каждый символ независимо от других символов. Частным случаем дискретного канала без памяти является двоичный симметричный канал, в котором символы 1 и 0 передаются с вероятностью р без ошибки и с вероятностью 1 - р с ошибкой. В несимметричном канале ложные значения символов обладают разной вероятностью. Понятие гауссова канала применимо и к дискретному каналу, в котором, в результате добавления шума к каждому символу дискретного алфавита, получается непрерывная случайная величина на выходе канала.

В канале с памятью искажение символа статистически зависит от других символов. Это происходит при пакетных ошибках и замираниях. В спутниковых линиях связи замирания с периодом от сотен миллисекунд до секунд появляются в результате интерференции нескольких лучей, отражающихся от ионосферы. В системах связи с наземными подвижными объектами замирания длительностью до нескольких микросекунд создаются интерференцией лучей, отраженных от местных предметов.

Кроме отражений, на распространение сигнала существенное влияние оказывают дифракция (огибание волной тел, размеры которых превышают длину волны) и рассеяние на предметах с размерами порядка длины волны и менее. Замирания, возникающие вследствие многолучевого распространения и рассеяния радиоволн, разделяют на крупномасштабные и мелкомасштабные, быстрые и медленные, частотно-селективные и амплитудные.

Крупномасштабное замирание характеризует среднее ослабление сигнала вследствие распространения на большое расстояние. По мере удаления от источника мощность сигнала, приходящаяся на единицу площади приемной антенны, уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Вследствие затенения приемника крупными препятствиями (холмы, лес, группы строений) мощность сигнала падает быстрее. Опыт показывает, что потери в тракте систем сотовой связи пропорциональны величине

(d/d0)n, где d - расстояние от приемника до передатчика, d0 - некоторое эталонное расстояние, зависящее от размеров сота (от 1 м до 1 км), n = 1…5.

Мелкомасштабное замирание - это существенное изменение амплитуды сигнала при незначительном перемещении подвижного абонента: на расстояние порядка половины длины волны несущей. При движении подвижного объекта происходит периодическое изменение уровня сигнала. Эффект можно объяснить возникновением стоячей волны вследствие интерференции прямого и отраженного лучей (рис.49а). Характер зависимости мощности сигнала от расстояния до источника d в результате влияния крупномасштабных и мелкомасштабных замираний иллюстрирует рис. 49б.

Замирания влияют на форму импульса и частотную характеристику канала. При передаче сигнала в виде короткого импульса принятый сигнал может состоять из нескольких импульсов ("пальцев") – пришедших разными путями отраженных от местных предметов сигналов (рис.49в). Соответствующую осциллограмму называют профилем интенсивности многолучевого распространения, а ее длительность Тm - максимальной избыточной задержкой распространения.

Частотные составляющие сигналов, приходящих в одну и туже точку разными путями, суммируются с различными фазами. Фазовые сдвиги,

следовательно и коэффициент передачи канала H(f), зависят от частоты. Эта зависимость имеет периодический характер (рис.49г). Период можно грубо оценить следующим образом. Ближайшие частоты f1 = 1/T1 и f2 = 1/T2 двух сигналов, приходящих в одну точку с максимальной разницей путей по времени Tm , суммируются с одинаковой разностью фаз при условии nT1 = (n+1) T2 = Tm , где n - целое число. Отсюда f1= n/Tm , f2 = (n+1) / Tm и f0 = f1 - f2 = 1/Tm. Параметр f0 - полоса когерентности. Амплитуды частотных составляющих в пределах этой полосы достаточно сильно коррелируют друг с другом, канал влияет на эти частоты приблизительно одинаково.

Характер искажений сигнала в многолучевом канале зависит от соотношения длительности символа Ts и максимальной избыточной задержки Tm . Если Ts < Tm , полоса сигнала 1/Ts шире полосы когерентности 1/Tm (рис.49д) и разные частоты усиливаются по-разному. В результате сигнал искажается. Характер искажений можно оценить, рассматривая сигнал во временной области. Из-за задержек, превышающих длительность сигнала, он растягивается по времени. Появляются межсимвольные искажения, изменяется форма и, возможно, амплитуда импульса. Такое замирание называют частотно-селективным.

Если Ts > Tm , то сложение сигналов, приходящих разными путями, влияет в основном на амплитуду сигнала, а не на форму. В полосе сигнала АЧХ канала меняется незначительно (рис.49е). Такое замирание называют амплитудным, или частотно-неселективным.

При движении абонента уровень принимаемого сигнала периодически меняется из-за мелкомасштабных замираний. Пространственный пе-

время характеристики сигнала меняются незначительно. При быстрых замираниях (T0 < Ts ) величина сигнала существенно меняется за время передачи одного символа. При медленном замирании (T0 > Ts ) величина сигнала мало меняется за время передачи символа. Но сам сигнал может быть малым. Желательно выполнение условия Tm < Ts < T0 .

Во время движения абонента профиль мощности сигнала (рис.49б) может заметно изменять свою форму. Меняются и сами частоты спектра сигнала из-за доплеровского сдвига частоты, равного fd = ± v fs / c, где c - скорость света, fs - частота сигнала при v = 0.

Замирания существенно влияют на показатели эффективности разных способов модуляции и требуют применения специальных способов коррекции сигнала. Основными методами улучшения принятого сигнала являются:

а) помехоустойчивое кодирование с чередованием, б) расширение спектра сигнала,

в) разнесение по времени, по частоте, пространственное разнесение (прием на разные антенны), поляризационное разнесение, г) когерентное объединение многолучевых компонент,

д) применение адаптивных фильтров (эквалайзеров), выравнивающих характеристики канала в результате анализа не отдельных сигналов, а их длинных последовательностей.

9.Формирование сигналов

всотовых системах связи

Всотовых системах связи вся территория разделена на ячейки (соты), обслуживаемые сетью базовых станций (БС), связанных между собой проводными линиями через коммутационные станции и узлы связи. Размер ячейки зависит от мощности передатчика и высоты антенны. Каждой ячейке отведен определенный набор частот. Эти наборы, разные в соседних сотах, повторяются в удаленных друг от друга сотах. Число абонентов (мобильных станций МС), обслуживаемых в одной ячейке, ограничено. Если нагрузка в какой-либо ячейке становится недопустимо большой, эта ячейка может быть разделена на более мелкие с соответствующим снижением уровня сигналов. Уровень мощности автоматически регулируется таким образом, чтобы обеспечить необходимое качество связи по данному каналу и не создавать сильных помех соседним каналам. При переходе МС из одной ячейки в другую сеанс связи не прерывается, обслуживание абонента автоматически передается другой базовой станции.

Базовые передающие станции, коммутационные станции и узлы связи образуют единую систему, построенную с учетом стандартов взаимодействия открытых систем, систем сигнализации, интеллектуальных сетей. Благодаря этому обеспечивается гибкость системы: возможность подключения разнообразного оборудования, добавления новых услуг. Передается информация двух типов: траффик (звуковые сообщения от МС и телефонной сети общего пользования, интернет - телефония и данные) и сигнализация (обеспечение маршрутизации, установки и настройки, безопасности). В системе есть каналы связи общего пользования (common) и "закрепленные" (dedicated). Каналы связи и каналы поиска, синхронизации

иконтроля разделены.

9.1. Система стандарта GSM

Стандарт GSM (global system for mobile radio) предполагает частотное и временное разделение каналов. Разделение каналов по частоте в одной

из модификаций системы поясняет рис. 50а. В системе используется частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом и гауссовой фильтрацией, на каждый частотный канал отведена полоса 200 кГц, длительность одного бита Tb около 10-5/3 c. Минимальный период следования двоичных символов Т=2Tb , так что основная энергия модулированного сигнала сосредоточена в полосе fb = 1/ Tb ≈ 150 кГц. При минимальном частотном сдвиге индекс модуляции m=0,5, полоса сигнала с частотной модуляцией 2fb (m + 1) ≈ 2fd ≈ 300 кГц. Благодаря гауссовой фильтрации, преобразующей прямоугольный импульс в колоколообразный, спектр сигнала сужается и отведенная полоса оказывается достаточной. Чтобы уменьшить помехи, соседние частоты не используются в соседних сотах. Аппаратурно частотная манипуляция реализована как квадратурная.

а

б

Рис.50 Абоненту назначается частота и номер канального интервала. Всего

есть 8 канальных интервалов (рис.50б), в одном из них передается управляющий сигнал базовой станции.

Длительность одного канального интервала 577 мкс, так что за 1 с данные одного абонента передаются, отдельными порциями - пакетами, 106/ (8x577) раз. В одном пакете передается 114 бит информации, так что средняя скорость передачи данных одного абонента около 114х217 = 25 кбит/c. Стандартная скорость передачи звукового сигнала в цифровой системе 64 кбит/c. Благодаря применению кодека с предсказанием высокое качество речи обеспечивается при скорости 13 кбит/c, так что предоставленный пользователю ресурс достаточен.

В каждом канальном интервале, кроме информационных бит, передается настроечная (зондирующая) 26-битовая посылка. По 28 мкс в начале и конце слота отведено на переходные процессы, возникающие при изменении частоты и уровня сигнала. Введение этих интервалов допускает

задержку сигнала относительно начала слота. Настроечная последовательность используется для оценки импульсной характеристики канала. Вследствие многолучевого распространения возникают искажения сигнала и растягивание по времени с разбросом задержки в 15 - 20 мкс, т.е. в 4 - 6 битовых интервала. Вероятность ошибки декодирования можно уменьшить, если декодировать не отдельные биты, а группу из к = 4 - 6 бит. Сравнивая принятую и эталонную настроечные последовательности, декодер идентифицирует импульсную характеристику канала на данный момент и создает фильтр с такой характеристикой. Через этот фильтр пропускают все 2к возможных к - разрядных кодовых комбинаций. Из них выбирается та, у которой корреляция с принятым сигналом максимальна. Соответствующее устройство называется эквалайзер (выравниватель) Витерби.

9.2. Система с кодовым разделением каналов

Существует несколько стандартов систем многостанционного доступа на основе кодового разделения каналов (МДКРК) - code division multiple access (CDMA). Ниже рассматриваются основные особенности формирования сигналов в системах стандарта IS-95 и одной из его модификаций IS-2000. Сигналы от базовой станции к абоненту передаются по общим и закрепленным каналам 4-х типов: поискового, синхронизационного, контрольного и передачи данных со скоростью от 1,2 кбит/c до 2,07 мбит/c. Сигналы от абонента передаются по каналам доступа и передачи данных. Все сигналы передачи данных (прямые, обратные, общие, закрепленные) построены аналогично и отличаются только численными значениями параметров.

Процессы кодирования источника и канала состоят из следующих этапов. Информационная последовательность разделяется на кадры, содержащие от 16 до 50000 бит длительностью от 5 до 20 мс. Каждый кадр, после дополнения кодом циклической проверки и битами для очистки регистров кодера, проходит сверточный или турбо кодер, а затем подвергается перемешиванию. В зависимости от режима работы системы битовые скорости входных данных могут быть разные. При передаче голоса сигнал оцифровывается, с применением предсказателя, со скоростью 8 кбит/с. Битовые скорости выходных данных кодера одинаковы во всех режимах за счет повтора или удаления бит.

Следующие этапы формирования сигнала в прямом канале поясняет рис. 51. Битовая последовательность с выхода кодера скремблируется: суммируется по модулю 2 с индивидуальным псевдослучайным "длинным" кодом того абонента, кому предназначается сообщение. В системе

используется псевдослучайная последовательность, формируемая 42разрядным регистром, с частотой следования элементарных символов

Рис.51

1,2288 Мэс/c. Код повторяется с периодом около 41 дня. Каждому абоненту отведена своя модификация этого кода, отличающаяся от других сдвигом по времени. В прямом канале из длинного кода выбирается каждый 64-й символ, в результате частота следования элементарных символов становится равной частоте следования информационных битов. Мультиплексор разделяет последовательность битов на синфазную (I) и квадратурную (Q) последовательности.

Код Уолша определяет номер канала базовой станции, по которому будет передано сообщение, и расширяет спектр сигнала. Базовая станция использует 64 канала, из них 61 для передачи данных абонента. Один из 64 кодов Уолша суммируется по модулю 2 с последовательностями I и Q. Частота следования элементарных символов кода Уолша 1,2288 Мсв/с, так что на один символ входной последовательности приходится 64 элементарных символов Уолша. Код Уолша формируется с использованием матриц Адамара Нк. Кодовое слово является строкой матрицы Адамара, получаемой следующим образом:

где Н*к - матрица, в которой все элементы - обратные к элементам матрицы Нк. Каждая пара строк матрицы содержит одинаковое количество совпадающих и несовпадающих разрядов, поэтому соответствующий код является ортогональным.

Все базовые станции используют один и тот же набор кодов Уолша. Разделение сигналов от базовых станций производится с помощью "короткого" псевдослучайного кода, формируемого 15-разрядным регистром с периодом 2/75 с (32767 элементарных символов в периоде с частотой следования 1,2288 Мс/с). Базовая станция с условным номером m имеет, в

качестве своего адреса, модификацию короткого кода, сдвинутую на 64 m элементарных символа и начинает передачу со сдвигом от начала двухсекундного интервала времени (рис.52). Удаленные друг от друга станции могут использовать одинаковые адреса, так что 512 адресов вполне достаточно.

Последним этапом формирования сигнала является квадратурная модуляция несущей частоты. Передача данных со скоростями до 2 Мбит/с возможна в системе с несколькими несущими. Цифровой поток от одного источника после канального кодирования разделяется на N потоков, поступающих на N однотипных каналов с разными несущими (N<12). Канал одной несущей построен согласно рис. 51.

Рис.52

Рис.53 В обратном канале (рис.53) код Уолша используется только для рас-

ширения спектра, благодаря чему уменьшаются требования к мощности сигнала. Входная битовая последовательность с частотой 28,8 кбит/с (звуковой сигнал представлен последовательностью 9,6 кбит/с, сверточный кодер с кодовой скоростью 1/3 дает последовательность 28,8 кбит/с) раз-

деляется на 6-битовые кодовые комбинации. Каждая комбинация кодируется 64-элементным кодом Уолша, повторяющимся 4 раза. В результате получается последовательность с частотой элементарных символов 28,8/6 кбит/с х 64 х 4 = 1,2288х106 символов/с. Индивидуальный код абонента с частотой 1,2288х106 символов/с используется, в отличие от прямого канала, без прореживания. Модуляция в обратном канале квадратурная с относительным кодированием (OQPSK). В прямом канале относительное кодирование не применяется, т.к. там передается уплотненный сигнал от 64 каналов.

Стандартами предусмотрены различные способы регулирования мощности сигнала. Один из способов: добавление в кадр битов регулирования мощности. Мощность сигнала мобильной станции может устанавливаться в соответствии с мощностью сигнала базовой станции. Возможен вариант периодического снижения мощности сигнала БС до тех пор, пока МС не сообщит об увеличении числа ошибок.

Вход в систему осуществляется следующим образом. Базовая станция постоянно передает для всех абонентов поисковый ("пилотный") сигнал. Этот сигнал, содержащий нули, модулируется кодом "0" Уолша и передается I - составляющей. После включения мобильная станция генерирует короткий код и, сдвигая его, находит базовую станцию с наиболее сильным сигналом. Производится настройка RAKE - приемника многолучевого сигнала. Приемник содержит 3 корреляционных приемника, которые настраиваются на 3 наиболее сильных сигнала, приходящих разными путями, т.е. с разными задержками. Выходные сигналы приемников суммируются. Настроив приемник, мобильная станция принимает синхросигнал, передаваемый БС для всех абонентов. В синхросигнале содержатся данные о параметрах системы, необходимые для настройки МС, в том числе о модификации короткого кода базовой станции, системном времени и состоянии длинного кода. После настройки мобильная станция готова к приему сигнала БС. В процессе работы МС продолжает анализировать пилот-сигнал и, в случае приема более мощного пилот-сигнала, сообщает об этом базовой станции, а та - центру, управляющему переходом на другую базовую станцию.

При обращении МС к БС используется протокол случайного множественного доступа (ALOHA), синхронный. МС делает периодически повторяющиеся попытки доступа и ждет от БС подтверждения приема запроса. Каждая попытка начинается в начале слота. Временной интервал между попытками является суммой интервала, указанного БС, и случайного интервала. БС, приняв сигнал доступа от МС, передает ей код Уолша - номер канала для связи.

10. Генерирование колебаний

Незатухающие колебания, возникающие без внешних периодических воздействий, называются автоколебаниями. Генератор колебаний (автогенератор) содержит усилитель (с нелинейной характеристикой) и цепь положительной обратной связи. Влияние обратной связи на характеристику усилителя постоянного тока поясняет рис. 54. Отрицательная обратная связь уменьшает наклон и увеличивает зону линейности статической характеристики усилителя (1), положительная обратная связь увеличивает крутизну характеристики (2). При "глубокой" положительной обратной связи характеристика может стать неоднозначной (рис.54б). Одному и тому же значению входного сигнала соответствуют 3 разных значения выходного сигнала: два устойчивых и одно неустойчивое (на "падающем" участке характеристики с отрицательным наклоном). Одно из устойчивых состояний требует поддержки соответствующим входным сигналом. Триггер (рис.54г), полученный последовательным соединением двух инвертирующих усилителей (один из усилителей можно считать цепью обратной связи), находится в любом из двух состояний при отсутствии внешнего сигнала.

Рис.54

Вводя в усилитель с положительной обратной связью реактивные элементы, можно получить генератор релаксационных (не гармонических) колебаний. Примеры генераторов, построенных на логических элементах типа "инвертор", приведены на рис. 55. Подобные генераторы широко применяются в системах автоматики. Схема рис. 55а содержит цепи положительной (через конденсатор) и отрицательной (через резистор) обратных связей. Пока U2 = 0, происходит заряд конденсатора и напряжение U1 растет. Как только оно достигнет значения Uп - порога срабатывания инвертора, сигналы U2 и U3 инвертируются, перепад напряжения U2 про-

ходит через конденсатор на вход VD1, изменяя скачком напряжение U1 . Начинается разряд конденсатора до тех пор, пока напряжение U1 не достигнет порога Uп, когда произойдет инвертирование сигналов U2 и U3 (рис.55в).

В схеме рис.55б контур положительной обратной связи образован элементами VD1, C, VD3. Конденсатор заряжается от VD2 при U2 = 0 до тех пор, пока напряжение U3 не достигнет значения Uп , после чего напряжения U1 и U2 инвертируются и начинается разряд конденсатора.

Поясним механизм возникновения гармонических колебаний в автогенераторе. Усилитель и цепь обратной связи образуют замкнутый контур. Если в генераторе наблюдаются незатухающие гармонические колебания с частотой ω , то это означает, что коэффициент усиления контура на этой частоте Ку(ω,А)Кос(ω,А)=1, а сдвиг фазы колебаний при прохождении по контуру равен 0 ("баланс амплитуд и фаз"). Иначе колебания должны либо затухать, либо неограниченно возрастать. Коэффициенты передачи усилителя Ку и цепи обратной связи Кос зависят и от частоты, и от амплитуды

(А) колебаний. Колебания возникают при условии КуКос>1 и нарастают до тех пор, пока усилитель не начнет насыщаться и его коэффициент не уменьшится до значения, при котором КуКос=1.

В автогенераторе без резонансной системы в цепи обратной связи устанавливается RCфильтр таким образом, чтобы баланс амплитуд и фаз выполнялся только в узкой полосе частот. Достоинство таких генераторов - конструктивная простота (нет индуктивности). Недостаток - нестабильность частоты и не строгая синусоидальность колебаний из-за широкой

полосы пропускания RC - фильтра. По этим показателям лучше автогенератор с резонансной системой - колебательным контуром.

10.1. Автогенератор с колебательным контуром

Основными параметрами колебательного контура являются собст-

венная (резонансная) частота, которая без учета потерь равна ω0 = (LC)-1/2, и добротность Q = R-1(L / C)1/2 = ω0L / R = ρ / R, где R - омическое,

ρ =(L / C)1/2 - характеристическое сопротивление контура. На собственной частоте реактивные сопротивления конденсатора и индуктивности равны по модулю (и противоположны по знаку). Эквивалентное сопротивление последовательного контура принимает минимальное значение (R), а параллельного контура - максимальное значение (ρQ). Эквивалентное сопротивление последовательного контура емкостное на частотах, меньших резонансной, и индуктивное на частотах, больших резонансной. Эквивалентное сопротивление параллельного контура, наоборот, индуктивное до и емкостное после резонанса. Т.к. активный элемент усилителя, имея достаточно большое внутреннее сопротивление, работает как источник тока, нагрузкой активного элемента в усилителях и генераторах обычно является параллельный контур.

L C

Пример транзисторного автогенератора с трансформаторной обратной связью приведен на рис.56а. Режим возбуждения колебаний - мягкий или жесткий - определяется видом колебательной характеристики Um вых(Um вх) - зависимости амплитуды первой гармоники выходного сигнала схемы (напряжения на колебательном контуре) от амплитуды входного сигнала (напряжения на базе транзистора). В варианте рис.56б режим возбуждения "мягкий" - амплитуда колебаний нарастает, начиная с нулевого значения. В "жестком" режиме (рис.56в) для возбуждения колебаний необходим начальный толчок, превышающий значение Uп , либо введение на некоторое время очень глубокой обратной связи. Соответствующая линия обратной связи показана пунктиром.