1 Решение проблем, возникающих при передаче сигнала

При цифровой передаче данных качество переданного сигнала выражается в терминах «сколько некорректных битов информации было принято». Названием термина, характеризующего качество принятой информации, является частота ошибок по битам (BER – Bit Error Ratio). Bit Error Ratio определяет процентное отношение количества неправильно принятых битов к общему количеству переданных битов информации.

Рисунок 1 Процесс интерливинга

Данное отношение должно быть как можно ниже. В общем случае, данное отношение невозможно свести к нулю, это связанно с тем, что путь распространения радиоволн постоянно меняется. Это особенно важно в течение передачи данных по сравнению с передачей речи, для которой приемлемо более высокое количество BER, чем для данных.

Канальное же кодирование используется для обнаружения и коррекции ошибок в принимаемом потоке битов. Данное кодирование добавляет биты к сообщению, осуществляя избыточность сообщения, позволяя не только обнаруживать неправильные биты, но и исправлять.

1.1 Перемежение (Interleaving)

Чаще всего на практике битовые ошибки появляются последовательно друг за другом. Это связанно с тем, что долговременные глубокие замирания воздействуют сразу же на несколько последовательных битов информации. Канальное кодирование эффективно используется в случаях появления одиночных ошибок и последовательностях короткой длины. В связи с этим, применение только канального кодирования не применимо в условиях появления длинных последовательностей ошибок.

Поэтому для избегания ошибочного приема битов вводится процесс Interleaving – интерливинга или перемежения. Этот процесс позволяет разбить последовательные биты сообщений так, чтобы эти биты не передавались последовательно друг за другом.

Рассмотрим в качестве примера блок сообщения, который может состоять из четырёх битов (1234). Если четыре таких последовательных блока передаются и один теряется, причём интерливинг отсутствует, то количество ошибок BER для всего сообщения составит 25%, а для потерянного сообщения 100%. И в этом случае восстановить его становится практически невозможным.

Если используется интерливинг, как показано на рисунке 2, то бит каждого блока может быть передан не последовательным способом. Если при передаче информации теряется один блок, то общее количество ошибок также составляет 25%. Однако такая потеря информации приводит к потере информации в каждом блоке, причём количество BER для каждого блока составляет 25%. Данная ситуация считается более приемлемой, чем ранее, так как вероятность определения и восстановления канальным кодером становится больше.

Рисунок 2 Процесс интерливинга

Рисунок 3 Принятые блоки с учётом интерливинга

1.2 Разнесенный прием

Замирание - одно из самых существенных искажений, вносимых радиоканалом. Напомним, что замирание может быть охарактеризовано не только в частотной (гладкое и селективные замирание), но и во временной области (медленное и быстрое замирание). Существует несколько способов минимизации влияния замираний на производительность системы. В общих чертах: если существует возможность приема нескольких реплик переданного сигнала по разным каналам, то высока вероятность того, что хотя бы один из каналов обеспечит требуемое качество сигнала в приемнике. Прием сигналов по разным каналам и надлежащее их суммирование называется разнесенным приемом. Разнесение бывает явное и неявное.

Первый случай - применение явного разнесения. Используется избыточная передача сигнала. Пример - передача одного и того же сигнала на двух различных соответствующим образом разнесенных несущих частотах. Это позволяет приемнику детектировать два отдельных сигнала, а затем их суммировать.

Во втором случае - неявного разнесения - сигнал передается только один раз, но благодаря естественным свойствам среды распространения и специальным методикам приема становится возможным создать несколько каналов. Пример использования неявного разнесения - RAKE-приемник, который выделяет сигналы, пришедшие различными путями по каналу с многолучевым распространением, и суммирует их оптимальным способом.

Существует несколько типов разнесенного приема, используемых в некоторых системах радиосвязи:

- пространственное разнесение;

- частотное разнесение;

- временное разнесение;

- многолучевое разнесение;

- поляризационное разнесение.

В подвижной связи разнесение может применяться как в передатчике, так и в приемнике. Поэтому вводятся термины разнесение при передаче и разнесение на приеме. Важно, чтобы расстояние должно быть не меньше, чем половина длины волны. Сложение сигналов ветвей разнесения должно производиться на векторной основе. Здесь возможно несколько технических решений. Управляющий блок проверяет отношение сигнал/шум в каждой ветви разнесенного приема и направляет на выход сигнал того канала отношение сигнал-шум которого наибольшее. При оптимальном весовом суммирования сигналы различных ветвей выравниваются по фазе, "взвешиваются" и усиливаются пропорционально их уровню. Таким образом, на выход сумматора подается сигнал с максимальным отношением сигнал/шум. Этот метод требует оценки амплитуды сигнала, принятого каждой из ветвей. Для упрощения реализации сигналы ветвей после выравнивания фаз могут суммироваться с равными весовыми коэффициентами. Этот метод называется равновесным суммированием.

Пространственное разнесение позволяет существенно повысить производительность систем подвижной связи ценой усложнения аппаратного обеспечения - по крайней мере, часть приемной цепи придется продублировать. Поэтому пространственное разнесение используется, как правило, в базовых станциях. Предварительное фазирование приводит к когерентному сложению, максимизирующему отношение сигнал/шум как при оптимальном весовом, так и при равновесном суммировании.

В основе частотного разнесения лежит передача одного и того же сигнала на двух достаточно далеко разнесенных частотах. Разнесение частот должно быть достаточным для того, чтобы процессы замирания в обоих каналах не коррелировали друг с другом. Такая схема разнесения требует привлечения дополнительных спектральных и аппаратных ресурсов.

Временное разнесение используется в каналах с относительно быстрым замиранием. Если посылать один и тот же сигнал несколько раз через достаточные промежутки времени, то замирания в каждом временном интервале не будут коррелировать друг с другом. При этом повторяемые сигналы можно будет соответствующим образом суммировать в приемнике при условии, что не все из них подверглись замираниям. Передачу одних и тех же символов несколько раз можно рассматривать как простейший код с повторением. Как нам известно, существуют намного более эффективные коды. По сравнению с простым повторением коррекция ошибок с достаточно глубоким перемещением дает лучшие результаты. Тем не менее, для успешной работы приемника с временным разнесением необходимо, чтобы период перемещения превышал длительность замирания. Если замирание медленное, то придется применять очень глубокое перемещение, что приведет к появлению неприемлемой задержки передачи данных. В качестве разновидности временного разнесения можно также рассматривать технологию ARQ. Разнесенный прием в ней реализуется в виде повтора блоков, запрашиваемого приемником при помощи сообщения NAK. Временным разнесением также можно считать прием сигналов, искаженных межсимвольной интерференцией, при котором приемник принимает решения о каждом информационном символе по фрагментам сигнала, собранным за достаточно большой промежуток времени.

Многолучевое разнесение используется в широкополосных системах, если приемник может различить компоненты принимаемого сигнала, прибывающие различными путями. Это возможно в случае, когда вносимые различными путями относительные задержки не превышают длительности чипа расширяющей последовательности, и расширяющая последовательность - "белая". Сигналы различных лучей выделяются при помощи корреляционной обработки, с должным образом синхронизированной расширяющей последовательностью, затем базируются, умножаются на весовые коэффициенты и складываются. Последняя операция фактически представляет собой оптимальное весовое суммирование. Такой приемник называется RAKE.

Поляризационное разнесение является видом явного разнесения. Обычно используется в радиосистемах передачи информации по линии прямой видимости - сигнал передается и принимается в двух взаимно ортогональных поляризациях. Этот способ не представляет большой ценности для систем подвижной связи. Вместо этого в базовых станциях может применяться неявное поляризационное разнесение. Пользователь может ориентировать переносной терминал практически как угодно. Поэтому подвижная станция может передавать сигнал с изменяющимся углом поляризации. Как следствие, использование в базовых станциях антенн с ортогональной поляризацией позволяет существенно улучшить прием сигнала.

Описанные технологии в основном относятся к разнесенному приему сигнала. Только частотное разнесение требует дублирования некоторых блоков передатчика и одновременно требует разнесения и приема и передачи. Существует также другой способ реализации разнесенной передачи. Передатчик базовой станции передает задержанные копии одного и того же сигнала с набора антенн, разнесенных в пространстве. Таким образом, между каждой передающей антенной и приемником создается несколько ветвей разнесения. Если передающие антенны разнесены на достаточно большое расстояние, то каждая ветвь характеризуется независимым замиранием. Приемник подвижной станции, который может справиться с межсимвольной интерференцией, принимает комбинированный сигнал, состоящий из ослабленных и задержанных копий передаваемого сигнала. Существует большая вероятность, что не все сигналы независимых каналов были ослаблены замиранием и приемник способен выполнить детектирование сигнала, искаженного межсимвольной интерференцией; это позволяет повысить качество приема. Описанный метод дублирования сигнала в передатчике базовых станций системы GSM реализован на практике.