крайней мере, двух абонентов определяется следующей формулой:

где M - число частотных каналов; K - число пользователей; Lb - длина сообщения.

Как следует из (4.10), вероятность конфликта (одновременной работы на одной частоте двух передатчиков) достаточно высока. Во всяком случае, для надежной работы системы связи число доступных частотных каналов должно быть больше числа абонентов. Реально системы связи с FHSS сигналами находят применение для локальных компьютерных сетей, имеющих очень ограниченное число пользователей и возможность повторной передачи данных, правильность приема которых не подтверждена приемником. Некоторое применение эти системы находят также в военной области и в области спецсвязи, в которых важно скрыть сам факт выхода радиостанции в эфир.

4.3. Сверхширокополосные сигналы UWB

Применение широкополосных сигналов позволяет решить многие проблемы мобильной связи, а именно: повысить емкость сети связи, уменьшить влияние фединга и многолучевого распространения радиоволн, повысить скорость передачи информации. Коэффициент улучшения параметров системы связи при использовании широкополосных сигналов пропорционален отношению полосы частот расширенного сигнала к полосе частот исходного информационного сигнала. В современных системах связи этот коэффициент составляет 5 - 50.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Например, для стандарта широкополосной системы связи W-CDMA занимаемая полоса частот равна 20 МГц при скорости передачи информации 1 МГц. Естественно было бы построить систему связи с еще более высоким коэффициентом усиления. Ясно, что прямое увеличение тактовой частоты расширяющей последовательности не приведет к успеху. Для систем с FHSS сигналами повышение тактовой частоты ограничено скоростью перестройки синтезаторов частоты. Для систем с DSSS сигналами возникают большие проблемы с высокоскоростной тактовой синхронизацией в приемнике.

Один из возможных вариантов построения системы связи со сверхширокополосными сигналами основан на технологии UWB сигналов (Ultra Wide Band). Предполагается, что передаваемый сигнал представляет собой последовательность симметричных одиночных импульсов типа "Манчестер" очень короткой длительности. Типовая длительность импульсов составляет порядка нескольких наносекунд, скважность - от 50 до 5000. При столь большой скважности спектр периодической последовательности импульсов будет близок к спектральной плотности мощности одиночного импульса. Эта спектральная плотность мощности определяется формулой (2.30) (см. также рис.2.7):

При длительности импульса 0,5 нс центральная частота равна 2 ГГц, а полоса пропускания по уровню 3 дБ - примерно

±0,7 ГГц. Практически сигнал занимает весь радиочастотный спектр, и трудно говорить о какой-то несущей частоте или занимаемой полосе частот.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Ясно, что периодическая последовательность таких импульсов не несет никакой информации. Для передачи информации используется метод временной задержки (Time Hopping), согласно которому бинарная единица передается с задержкой импульса относительно "нормального" положения, а бинарный ноль передается с опережением прихода импульса относительно "нормального" положения. Типовое время задержки составляет не более четверти длительности импульса. Для повышения достоверности передачи информации каждый информационный бит передается несколькими (порядка 10) последовательными импульсами.

Для разделения каналов пользователей время сдвига каждого импульса относительно "нормального" положения определяется псевдослучайной последовательностью, уникальной для каждого пользователя. Теоретически в такой системе связи можно организовать до 1000 дуплексных каналов на одну базовую станцию со скоростью до 64 кбит/с без применения каких-либо специальных

алгоритмов. Подобные параметры недостижимы для существующих и проектируемых CDMA систем связи. Передатчик UWB сигналов представляет собой генератор импульсов с регулируемой временной задержкой, приемник UWB сигналов - приемник прямого преобразования и коррелятор. По записанной в приемнике пользователя программе генерируется последовательность импульсов, задающих "нормальное" временное положение. На выходе перемножителя появляются импульсы положительной или отрицательной полярности в зависимости от передаваемого символа. Коррелятор накапливает выходные импульсы в течение времени передачи информационного символа.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Таким образом, повышается соотношение сигнал/шум и отфильтровываются сосредоточенные помехи и сигналы других пользователей.

Эффективность системы связи с UWB сигналами, как и CDMA, оценивается коэффициентом усиления системы. Так, например, для системы CDMA-2000 с шириной полосы частот информационного сигнала 10 кГц и полосой частот расширенного сигнала 5 МГц коэффициент усиления равен 500 (27 дБ). Для UWB системы связи с информационным сигналом в той же самой полосе частот, рабочей полосе частот 2 ГГц и 10-кратным повторением передаваемого символа

коэффициент усиления будет 20000 (43 дБ ).

Основные технические проблемы реализации системы связи с использованием UWB сигналов связаны с синхронизацией работы приемника и передатчика. Не менее существенна и проблема лицензирования, поскольку необходимо доказать, что работа такой системы во всем радиочастотном диапазоне не будет мешать всем прочим радиосистемам (включая телевидение, радиолокацию и т.п.).

4.4. Многомерные сигналы

Модуляция с несколькими несущими, использующая многомерные сигналы, относится к классу линейной модуляции с памятью.

4.4.1. Общее описание многомерных сигналов

Рассмотренные в главе 3 узкополосные амплитудные, фазовые или частотные модулированные сигналы могут рассматриваться как одномерные. Под одномерностью

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

сигнала подразумевается изменение одного или нескольких параметров одной единственной несущей частоты. При этом понятие спектральной эффективности метода модуляции относится именно к величине отклонения несущей частоты от центрального значения при воздействии модулирующего сигнала. Спектр несущей частоты при модуляции "расплывается", занимая конечную, строго определенную полосу частот. С другой стороны, существуют сигналы с расширенным спектром, имеющие шумоподобный характер. Для таких сигналов обычно говорят не о несущей частоте сигнала, а о центральной частоте используемой полосы частот. Хотя формально и производится модуляция исходной несущей частоты высокоскоростным baseband сигналом, само понятие о существовании или несуществовании в спектре модулированного сигнала несущей частоты не имеет смысла. Точно так же обычно не говорят и о законе распределения мощности (спектральной плотности мощности) в сигналах с расширенным спектром. За счет очень высокой скорости модулирующего сигнала спектр модулированного сигнала является "почти" равномерным, "почти" шумовым. С хорошей степенью точности сигнал с расширенным спектром можно характеризовать как белый шум с постоянной спектральной плотностью мощности в некоторой полосе частот.

Два упомянутых выше класса сигналов можно рассматривать как два полярных случая:

∙

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

∙шумоподобный сигнал в очень широкой полосе

частот, характеризующийся как белый шум с постоянной плотностью мощности в занимаемой полосе частот.

Кроме упомянутых выше типов сигналов существуют так называемые многомерные сигналы, которые являются некоторым "средним" между узкополосной и широкополосной модуляциями.

Главное отличительное свойство многомерного сигнала - одновременная передача информации сразу на нескольких поднесущих частотах, количество которых строго ограниченно. Общий частотный диапазон F, выделенный для передачи информации, делится на независимые каналы (поднесущие частоты), каждый шириной f. Каждая поднесущая частота генерируется независимым генератором, модулируется и проходит узкополосный фильтр для исключения взаимного перекрытия частотных поддиапазонов. При многомерной модуляции в общем случае к качеству фильтров предъявляются очень высокие требования, так как наложение спектров соседних поднесущих частот приводит к появлению межсимвольной интерференции. Для модуляции поднесущей частоты может использоваться любой вид модуляции: амплитудная, фазовая, частотная. Очевидно, что при использовании N поднесущих частот скорость передачи информации в каждом частотном поддиапазоне в N раз меньше, чем в исходном модулирующем сигнале. Соответственно длительность каждого передаваемого символа на поднесущей частоте велика, а каждая поднесущая частота занимает очень малую часть выделенного частотного диапазона. Типичное распределение спектра в канале при многомерной модуляции общего вида показано на рис.4.8.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

А

1

2

f

f

F

Рис.4.8. Распределение спектра при многомерной модуляции: 1 - общий частотный канал; 2 - модулированная поднесущая

частота

Из этого рисунка следует, что при многомерной модуляции формально никакого общего сужения общего спектра не происходит, так как использование в N раз более узкого спектра для каждой поднесущей частоты требует применения N поднесущих частот. Кроме того, необходимость жесткого ограничения спектра каждой поднесущей частоты в передатчике и реализации гребенчатого фильтра в приемнике для выделения поднесущих частот существенно усложняет построение аппаратуры.

Однако многомерные сигналы обладают рядом важных преимуществ, прежде всего устойчивостью к федингу при многолучевом распространении радиоволн в городских условиях. Среднее время запаздывания копий одного и того же сигнала на входе приемника при многолучевом распространении составляет порядка нескольких микросекунд. Следовательно, при высокоскоростной передаче информации с длительностью символов,

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com