- •Мобильные системы радиосвязи
- •Оглавление
- •Введение
- •1. Беспроводные сети связи
- •1.1. Мобильные системы связи
- •1.1.1. Мобильные системы связи первого поколения
- •1.1.2. Мобильные системы связи второго поколения
- •1.1.3. Мобильные системы связи третьего поколения
- •1.2. Общее представление сети связи
- •1.2.1. Модель OSI-7 для открытых сетей связи
- •1.2.2. Уровни модели OSI-7
- •1.2.3. Реализация модели OSI-7 для радиосетей
- •1.3. Функциональная схема сети радиосвязи
- •Заключение
- •2. Цифровые модулирующие сигналы
- •2.1. Представление цифрового сигнала во временной и частотной областях
- •2.2. Виды и параметры цифровых сигналов
- •2.2.1. Виды цифровых сигналов
- •2.2.2. Параметры цифровых сигналов
- •2.2.3. Спектральная плотность мощности цифровых сигналов
- •2.3. Прохождение цифрового сигнала по линейным цепям и межсимвольная интерференция
- •2.3.1. Искажения сигнала в линейных цепях
- •2.3.2. Межсимвольная интерференция
- •2.3.3. Критерий Найквиста
- •2.3.4.Ограничение полосы частот цифрового сигнала
- •Заключение
- •3.Узкополосные модулированные сигналы
- •3.1. Общие свойства модулированных сигналов
- •3.1.1.Определение модулированного сигнала во временной и частотной областях
- •3.1.2. Функциональные схемы модуляторов и демодуляторов
- •3.1.3. Ограничение спектра модулированного колебания
- •3.1.4. Энергия и расстояние между символами модулированного сигнала
- •3.2. Импульсная амплитудная модуляция РАМ
- •3.3. Фазовая модуляция PM
- •3.3.1. Общее представление фазомодулированного сигнала
- •3.3.2. Бинарная фазовая модуляция BPSK
- •3.3.3. Квадратурная фазовая модуляция QPSK
- •3.3.4. Дифференциальная бинарная фазовая модуляция DBPSK
- •3.3.7. Амплитудно-фазовая модуляция QAM
- •3.4. Частотная модуляция FM
- •3.4.2. Частотная модуляция минимального фазового сдвига MSK
- •Заключение
- •4. Модулированные сигналы с расширенным спектром
- •4.1. Сигналы с непосредственным расширением спектра DSSS
- •4.1.1. Основные свойства DSSS сигналов
- •4.1.2. Система связи с DSSS сигналами
- •4.2. Широкополосные сигналы со скачками частоты FHSS
- •4.3. Сверхширокополосные сигналы UWB
- •4.4. Многомерные сигналы
- •4.4.1. Общее описание многомерных сигналов
- •4.4.2. Многомерная ортогональная частотная модуляция OFDM
- •Заключение
- •5. Синтез и преобразование частот
- •5.1. Функциональная схема ФАПЧ и синтезатора частоты
- •5.2. Основное уравнение синтезатора частоты
- •5.3. Параметры синтезатора частоты
- •5.3.1. Полоса удержания (захвата)
- •5.3.2. Ошибка частоты и фазы в установившемся режиме
- •5.3.3. Переходные характеристики и время установления частоты
- •5.3.5. Устойчивость
- •5.4. Частотная модуляция в синтезаторе частоты
- •5.5. Преобразование частоты в петле ФАПЧ
- •Заключение
- •6. Распространение радиоволн в условиях города
- •6.1. Методы анализа распространения радиоволн
- •6.2. Расчет дальности радиосвязи в модели "большого расстояния"
- •6.2.1. Расчет дальности связи по методике МККР
- •6.2.3. Расчет теневых зон радиосвязи
- •6.2.4. Распространение радиоволн внутри здания
- •6.3. Анализ распределения поля в модели "малого расстояния"
- •6.3.1. Энергия принимаемого сигнала в многолучевом радиоканале
- •6.3.2. Параметры многолучевого канала
- •6.3.3. Типы фединга в многолучевом канале
- •Заключение
- •7. Детектирование и прием цифровых сигналов
- •7.1. Критерий максимального правдоподобия
- •7.2. Корреляционный и согласованный прием
- •7.3. Согласованный фильтр
- •7.4. Достоверность приема бинарной цифровой информации в условиях белого гауссовского шума
- •7.7. Когерентное детектирование
- •7.7.1. Когерентное детектирование BPSK сигнала
- •7.7.2. Схема Костаса оптимального детектирования сигналов с угловой модуляцией
- •7.8. Тактовая синхронизация
- •Заключение
- •Прием сигналов в условиях фединга
- •8.1. Разнесенный прием в широкополосных каналах
- •8.1.1. Статистика принимаемых сигналов
- •8.1.2. Достоверность приема информации
- •8.1.3. Методы реализации разнесенного приема
- •8.2.1. Общие принципы работы эквалайзера
- •8.2.2. Линейный и нелинейный эквалайзеры
- •8.3. Интерливинг
- •Заключение
- •9. Стандарты на радиоканал мобильной связи
- •9.1. Требования к параметрам передатчика
- •9.2. Требования к параметрам приемника
- •Заключение
- •Литература
адаптивного цифрового фильтра, удовлетворяющая указанным требованиям линейного эквалайзера, показана на рис.8.5.
Основу структуры эквалайзера составляет нерекурсивный (трансверсальный) фильтр, включающий в себя N элементов задержки на постоянный интервал времени T ,
обозначенных Z −1 , N +1 умножителей, обозначенных wk , и
сумматор. Из функциональной схемы на рис.8.5 следует, что при воздействии на вход фильтра цифровой последовательности {yk} сигнал на выходе сумматора {dk} в произвольный дискретный момент времени k определяется следующей формулой:
k |
|
|
dk = å y(k − j)w( j), |
k ≤ N. |
(8.24) |
j=0
Выражение (8.24) является дискретной формой интеграла свертки, если весовые коэффициенты wk рассматривать как дискретные значения импульсной характеристики фильтра. Изменение весовых коэффициентов wk эквивалентно
изменению импульсной, а следовательно, и частотной характеристики нерекурсивного фильтра. Управление изменением коэффициентов wk нерекурсивного фильтра
осуществляется процессором по величине сигнала ошибки ek . Этот сигнал ошибки вырабатывается устройством
сравнения |
принятой |
{dk } |
и |
тестовой |
{dk0} |
последовательностей.
8.2.2. Линейный и нелинейный эквалайзеры
Линейный эквалайзер, функциональная схема которого показана на рис.8.5, характеризуется формированием
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
выходного сигнала {dk } только на основании входной последовательности {yk } и весовых коэффициентов {wk },
которые являются дискретными значениями импульсной характеристикой цифрового нерекурсивного фильтра. Рассмотрим более подробно работу линейного эквалайзера в радиоканале с различными частотными характеристиками. Предположим, что радиоканал имеет частотную характеристику H (ω) , близкую к идеальной, а именно:
гладкую и с относительно небольшой неравномерностью в полосе частот модулирующего сигнала:
H (w) = H0 exp(-a |
|
w |
|
), |
- B < w < B, |
(8.25) |
|
|
где α - степень неравномерности частотной характеристики радиоканала; B - когерентная полоса частот радиоканала.
В соответствии с условием (8.23) эквалайзер должен иметь частотную характеристику Heq (w) , обратную к частотной
характеристике радиоканала H (ω) . Импульсная характеристика эквалайзера heq (t) определяется через
преобразование Фурье от частотной характеристики эквалайзера Heq (w) :
B |
|
a× |
|
w |
|
sin(Bt) |
|
cos(Bt) -1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
h(t) = ò |
e |
|
|
|
×e j×w×t dw » |
t |
+ a |
t |
2 |
. |
(8.26) |
-B |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Как и следовало ожидать, импульсная характеристика эквалайзера представляет собой сумму двух функций вида sin(x)
x , соответствующих идеальному радиоканалу с
прямоугольной частотной характеристикой, и небольшой добавки, пропорциональной степени неравномерности частотной характеристики α .
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Частотная характеристика вида (8.25) является хорошей аппроксимацией для каналов проводной связи, но достаточно далека от описания реальных радиоканалов. Дело в том, что для радиоканала в городских условиях характерно наличие в частотной характеристике глубоких нестационарных провалов на отдельных частотах. Большое затухание на отдельных частотах определяется в основном двумя причинами: интерференцией в многолучевом канале и внешними помехами. Интерференционная картина электромагнитного поля, вызванная взаимодействием различных копий сигнала, очевидно различна на разных частотах. Поэтому с большой долей вероятности в точке приема на одной из частот может иметь место очень глубокий интерференционный минимум. Кратковременное уменьшение коэффициента передачи радиоканала на отдельных частотах может также вызываться гармониками искрового зажигания автомобилей или коллекторных электродвигателей. В связи с этим следует оценить работу эквалайзера в радиоканале с большой неравномерностью частотной характеристики.
Предположим, что частотная характеристика радиоканала (8.25) имеет провал (маленький коэффициент передачи в узкой полосе частот). Без уменьшения общности рассуждений можно предположить, что этот провал расположен симметрично в области нулевой частоты и имеет прямоугольную форму. Соответственно частотная характеристика эквалайзера в этой области частот будет иметь резкий подъем. Поскольку преобразование Фурье есть линейная операция, то суммарная импульсная характеристика эквалайзера будет равна сумме преобразования Фурье от почти равномерной частотной
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
характеристики (8.25) и преобразования Фурье от прямоугольного импульса большой амплитуды:
h(t) ≈ |
sin(Bt) |
+ α |
cos(Bt) −1 |
+ Ap |
sin(Bpt) |
, |
(8.27) |
|
t |
t2 |
t |
||||||
|
|
|
|
|
где Ap - глубина провала в частотной характеристике радиоканала; Bp - полоса частот, занимаемая помехой. Полоса частот сосредоточенной помехи Bp во много раз
меньше, чем когерентная полоса частот пропускания радиоканала B . Следовательно, на интервале времени N T аппроксимации импульсной характеристики (8.27), равному длительности принимаемого сообщения, функция sin(Bpt)
t
будет почти постоянной и близкой к 1. Одновременно амплитуда помехи Ap во много раз больше, чем единичная
нормированная амплитуда частотной характеристики радиоканала без помехи. В результате импульсная характеристика (8.27) эквалайзера при работе в радиоканале с сосредоточенной узкополосной помехой становится почти постоянной, не зависящей от реальной частотной характеристики радиоканала, и отражает только глубину провала в частотной характеристике:
h(t) ≈ sin(Bt) |
+ α cos(Bt) −1 |
+ Ap Bp , |
(8.28) |
t |
t2 |
|
|
где Ap Bp >>1.
Ясно, что прохождение информационного сигнала через фильтр с почти случайной частотной характеристикой приведет не к уменьшению, а к увеличению межсимвольных искажений. Именно поэтому в реальных радиостанциях находят применение только значительно более сложные нелинейные эквалайзеры, в которых влияние
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
сильной неравномерности частотной характеристики радиоканала может быть существенно уменьшено. Нелинейный эквалайзер характеризуется использованием обратной связи по решению для формирования выходного сигнала, как это показано на рис.8.6.
yk |
Прямой |
|
|
|
Решающее |
{dk} {dk0} |
|
рекурсивный |
|
Сумматор |
|
устройство |
|
|
фильтр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обратный рекурсивный фильтр
|
ek |
|
Процессор |
|
Сумматор |
|
|
|
Рис.8.6. Нелинейный эквалайзер с обратной связью по решению
Прямой и обратный рекурсивные фильтры имеют структуру, показанную на рис.8.5. Использование результата детектирования для формировании выходного
сигнала |
{dk } |
позволяет |
существенно |
улучшить |
характеристики эквалайзера. Работа нелинейного эквалайзера основана на том, что каждый принимаемый символ не только занимает собственный временной интервал TS, но и "расплывается" на соседние временные интервалы. Поэтому если значение принятого символа
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com