Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Применение сверхширокополосных сигналов в системах радио доступа 10
1.1. Анализ существующих систем радиодоступа 10
1.2. Особенности сверхширокополосных сигналов и систем 12
1.3. Обзор существующих СШП радиосистем передачи информации 17
1.4. Особенности излучения и распространения сверхширокополосных сигналов 19
Глава 2. Вопросы электромагнитной совместимости СШП систем радио доступа . 23
2.1. Эффективность использования радиочастотного спектра 23
2.2. Алгоритм определения ЭМС СШП систем радиодоступа с другими радиосистемами, работающими в том же частотном диапазоне 29
2.3. Расчет ЭМС системы радиодоступа с СШП сигналами 33
2.3.1. Ограничения на излучаемую мощность СШП систем радиодоступа 33
2.3.2. Выбор частотного диапазона для СШП систем радиодоступа 35
2.3.3. Пропускная способность СШП радиосистем при заданных ограничениях на уровень излучения . 37
Глава 3. Анализ систем радиодоступа с СШП сигналами 47
3.1. Особенности применения различных методов разделения каналов в СШП системах радиодоступа 47
3.2. Виды модуляции СШП сигналов 53
3.2.1. Амплитудная модуляция импульсов 57
3.2.2. Модуляция длительности импульсов 58
3.2.3. Модуляция положения импульсов 61
3.2.4. Фазовая модуляция импульсов в виде отрезков гармонических колебаний 63
3.3. Разработка СШП системы радиодоступа с высокой скоростью передачи данных 63
Глава 4. Особенности формирования и демодуляции квадратурных СШП радиосигналов 69
4.1. Комплексное представление СШП сигналов 69
4.2. Демодуляция квадратурных СШП сигналов 72
4.3.Формирование квадратурного СШП сигнала. Квадратурно-импульсная модуляция 76
Глава 5. Исследование энергетических спектров сверхширокополосных сигналов 83
5.1. Общая методика исследования 83
5.2. Аналитические исследования энергетических спектров 84
5.2.1. Амплитудная модуляция 86
5.2.2. Модуляция импульсов по длительности 88
5.2.3. Модуляция импульсов по положению 89
5.3. Исследование энергетических спектров СШП сигналов с помощью моделирования 91
5.3.1. Амплитудная модуляция 95
5.3.1. Модуляция по длительности импульса 97
5.3.3. Модуляция импульсов по положению 99
5.4. Спектральная плотность мощности СШП сигналов с квадратурной модуляцией. Спектральная эффективность СШП сигналов 100
Заключение 104
Приложение. Вычисление спектральной плотности мощности СШП сиг
налов 106
Библиографический список 109
Список сокращений 118
- Особенности сверхширокополосных сигналов и систем
- Пропускная способность СШП радиосистем при заданных ограничениях на уровень излучения
- Разработка СШП системы радиодоступа с высокой скоростью передачи данных
- Исследование энергетических спектров СШП сигналов с помощью моделирования
Введение к работе
Одной из потребностей нашего времени является постоянно растущая необходимость в передаче больших потоков информации на значительные расстояния. При этом совокупность систем связи превращается в единый комплекс передачи, приёма и обработки информации, в котором используются новейшие технологические достижения проводной и беспроводной связи. Такие комплексы должны обеспечивать поддержку передачи различных видов информации: данных, видео, речевых сообщений. Исследования и разработки, ведущиеся во всём мире, определяют следующее поколение беспроводных широкополосных мультимедиа сетей связи, которые в будущем создадут, так называемое, «глобальное информационное пространство». Основная концепция глобального информационного пространства состоит в том, что его составляют системы различного масштаба: от глобальных до пикосотовых структур. В то время как современные системы связи преимущественно ориентированы на выполнение какой-либо одной функции, например, передача речи в мобильной связи или высокоскоростная передача данных в беспроводных локальных сетях, системы связи следующего поколения будут интегрировать различные функции и приложения. Такие системы будут создаваться как на основе существующих технологий и средств, так и на основе новых технологий, среди которых различные технологии радио доступа.
Системы радио доступа предназначены для оперативного и относительно недорогого варианта расширения зон охвата сетями общего пользования территорий, для которых развертывание проводной (кабельной) сети не представляется целесообразным и/или возможным.
Использование средств беспроводной радиосвязи имеет ряд преимуществ, среди которых [82]:
• Возможность подключения там, где прокладка кабеля невозможна или слишком дорого стоит;
• Высокая скорость передачи информации по радиоканалу;
• Возможность подключать как отдельных абонентов, так и локальные сети;
• Краткие сроки развёртывания и ввода в эксплуатацию.
• Возможность изменить местоположение точки доступа пользователя с сохранением подключения; • Возможность организовать по одному радиоканалу и доступ в Интернет и передачу голосового трафика (связь по одному радиоканалу);
• Экономическая эффективность получения услуг по радиоканалу;
• Относительно низкая себестоимость;
• Устойчивая связь с подвижными объектами;
• Надёжная работа в любых климатических условиях;
• Конфиденциальность передачи информации, обеспечиваемая применением различных способов кодирования.
Радиодоступ стационарных и мобильных абонентов к сетям общего пользования может быть реализован на основе существующих и широко внедряемых в России радиотехнологий, основанных на международных стандартах и принятых в качестве Федеральных, либо разрешенных к применению на территории страны. В данной работе исследуются возможности применения сверхширокополосной (СШП) технологии для создания систем радиодоступа, для чего рассматриваются различные характеристики систем, в которых применяются СШП сигналы.
Основными характеристикам многоканальных систем передачи информации являются: требуемая полоса частот, число каналов, скорость передачи информации помехоустойчивость, дальность действия. Содержание работы направлено на исследование этих характеристик, а также методов формирования и обработки сигналов в СШП системах. Особое внимание уделено также вопросам электромагнитной совместимости СШП систем с узкополосными радиосистемами, работающими в этом же частотном диапазоне.
Цель диссертационной работы
Целью данной диссертационной работы является оценка возможности использования СШП сигналов для организации высокоскоростного обмена данными малоподвижных абонентов локальной сети между собой, а также для доступа абонентов к общим сетям различного назначения. При этом предполагается использование радиочастотного ресурса на вторичной основе. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1) рассматриваются вопросы электромагнитной совместимости (ЭМС) СШП радиосистем с радиосистемами, работающими в том же частотном диапазоне, а также выбор частотного диапазона для СШП систем радио доступа; 2) оценивается дальность действия и пропускная способность указанных систем при заданных условиях ЭМС;
3) рассматриваются возможные методы модуляции СШП сигналов и методы разделения каналов в устройствах радио доступа;
4) исследуется спектральная плотность мощности и спектральная эффективность СШП сигналов с различными видами модуляции,
5) исследуется возможность повышения спектральной эффективности СШП сигналов за счет применения квадратурных методов модуляции.
Основные результаты диссертационной работы получены с помощью применения теории сигналов и спектрального анализа, теории статистической радиотехники, а также методов математического моделирования и классических разделов математического анализа.
Научная новизна работы
1. Показано, что при использовании СШП сигналов для организации высокоскоростного радио доступа в локальных сетях целесообразно использовать принципы временного разделения каналов.
2. Рассмотрен метод демодуляции, позволяющий использовать квадратурные методы модуляции СШП сигналов.
3. Предложено применять квадратурно-импульсную модуляцию СШП сигналов.
Практическая значимость результатов работы
В результате проделанной работы получены результаты, которые дают ответ на вопрос о возможности применения СШП сигналов, а также технической реализации СШП систем радио доступа, обеспечивающих достижение вышеуказанных целей.
1. Показана целесообразность применения СШП сигналов в системах радио доступа для повышения эффективности использования радиочастотного спектра.
2. Определены требования к частотному диапазону для СШП систем радио доступа.
3. Определена пропускная способность СШП систем радио доступа.
4. Показана возможность повышения спектральной эффективности СШП сигналов и пропускной способности СШП систем за счет применения квадратурных методов модуляции. Полученные в работе научные результаты дают возможность осуществить практическую разработку систем радиодоступа с высокоэффективным использованием частотного ресурса, что обеспечит повышение технико-экономической эффективности таких систем.
Внедрение результатов работы
Научные и практические результаты, содержащиеся в диссертационной работе внедрены в практическую деятельность подразделений в/ч 71330-Т при создании специальных систем связи различного назначения (тема «Сопка»). Кроме того, результаты работы использованы при проектировании систем связи по НИР «Аспект», в частности в НИР «Исследование принципов создания перспективных систем радиосвязи с использованием кодированных последовательностей СКИ» («Аспект» - МТУСИ, 1996 г.) и «Проблемы повышения помехоустойчивости сотовых систем с многостанционным доступом и временным и кодовым разделением» («Аспект» - МТУСИ, 1997 г.). Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МТУСИ (1994, 1995, 1998, 2003, 2004 г.) на LII (1997 г.) и LVIII (2003 г.) научной сессии НТОРЭС им. А. С. Попова (г. Москва), на Международной конференции СРСА-2003 (Муром, 2003 г.), а также на семинаре по СШПС секции «Общая радиотехника» РНТОР и ЭС (Москва, 2002 г.).
Публикация результатов
Основные положения диссертации опубликованы в журналах «Электросвязь» (1), «Радиотехнические тетради» (1), в сборнике ЦНТИ «Информсвязь» (1), в материалах конференций НТОЭРС им. А.С. Попова (2) и других конференций (6). Всего опубликовано 11 работ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 5% рисунка и состоит из введения, 5-ти глав, заключения, приложения и библиографического списка из 120 наименований. Во Введении обоснована актуальность диссертационной темы, сформулирована цель и направление исследований, приведены предполагаемые конечные результаты, даны сведения об апробации и публикации основных положений работы описана структура диссертации. В Главе 1 приведен краткий обзор существующих систем радиодоступа, а также радиосистем различного назначения, применяющих
СШП сигналы. Рассмотрено современное состояние и перспективы развития техники, использующей СШП сигналы. Глава 2 посвящена вопросам электромагнитной совместимости систем радиодоступа с СШП сигналами и другими системами передачи информации, работающими в том же частотном диапазоне. Исследуется повышение эффективности использования радиочастотного ресурса при использовании СШП сигналов в системах радиодоступа. Рассматриваются вопросы выбора частотного диапазона для СШП систем радиодоступа. Определена дальность действия систем радио доступа с СШП сигналами. В Главе 3 рассмотрены варианты построения СШП систем радио доступа при различных методах разделения каналов. Рассмотрены различные виды модуляции, которые можно применять в СШП системах радио доступа. Обсуждается возможность практической реализации рассматриваемого класса систем и определяются требования к основным блокам системы. В Главе 4 исследуются особенности применения квадратурной модуляции, ранее не применявшейся для передачи информации в сверхширокополосных радиосистемах. Глава 5 посвящена исследованию энергетических спектров СШП сигналов с различными видами модуляции. Рассмотрены вопросы спектральной эффективности СШП сигналов. В заключении отражены основные результаты исследований в соответствии с поставленными задачами, решение которых обеспечило достижение цели диссертационной работы.
Особенности сверхширокополосных сигналов и систем
По мере развития и совершенствования технологий в области средств связи, основными факторами, сдерживающими темпы информатизации, является высокая себестоимость и большие затраты времени на реализацию традиционного кабельного (проводного) способа подключения абонентов к сетям общего пользования (телефонным сетям, сетям передачи данных и. т. п.). В результате этого, расширение зон обслуживания становится нерентабельным, в то время как телекоммуникационные возможности сетей общего пользования своевременно и полностью не задействуются. Из-за этого, к примеру, продолжают увеличиваться диспропорции в телефонизации и информатизации городской и сельской местности, а также сохраняются проблемы в развитии инфраструктуры связи на множестве промышленных объектов и в труднодоступных районах. Естественным и наиболее перспективным, по своим технико-экономическим показателям, путём развития сетей электросвязи в этих условиях являются методы, основанные на применении средств радиодоступа к сетям общего пользования.
Последние 10 лет для систем радио доступа, как самостоятельного класса телекоммуникационного оборудования, носили истинно революционный характер. Емкость этих систем выросла в десятки-сотни раз, был значительно расширен поддерживаемых ими набор услуг. Было предложено много новых технологий и стандартов, некоторые из которых — это ответвления мобильных технологий, в то время как другие разработаны специально для фиксированного использования. Сегодня современные системы радиодоступа способны обеспечить пользователя набором высококачественных услуг и предоставить ему высокоскоростной доступ к телефонным общего пользования и сетям передачи данных - корпоративным и специальным. При этом, одни из них рассчитаны на работу в условиях плотной городской застройки, другие - преимущественно в малонаселённых районах.
Технология беспроводного доступа имеет ряд ключевых характеристик, отмеченных во Введении, которые делают ее развертывание для абонентских линий потенциально очень привлекательным. Однако системы беспроводного доступа тоже имеют ряд недостатков: ограничения на доступность спектра: это одно из самых больших препятствий для развертывания систем беспроводного доступа, так как наиболее подходящие частоты могут уже использоваться другими радиослужбами; ограниченная пропускная способность (скорость передачи информации) на одного абонента, значительно ограничивающая набор услуг, которые могут быть предложены абонентам. С сожалением следует отметить, что систем радиодоступа отечественного производства, способных решать текущие телекоммуникационные задачи и хоть в какой-то мере конкурировать с зарубежными образцами, не существует. Отставание России по уровню телефонизации населения и относительно низкий спрос на услуги высокоскоростной передачи данных, с одной стороны, и невысокая плотность населения, особенно в центральных и восточных областях страны, с другой, выдвигают на первое место требование большого радиуса действия систем фиксированного радиодоступа. В противоположность этому, ведущие зарубежные операторы связи преимущественно заинтересованы в системах радиодоступа с максимально возможной ёмкостью, пропускной способностью, мобильностью и широким спектром поддерживаемых системой услуг. Как известно, следствием увеличения ёмкости является, в частности, уменьшение радиуса действия системы. Радиодоступ стационарных и мобильных абонентов в основном может быть реализован на основе следующих радиотехнологий [82]: 1. Сегменты сотовых систем мобильной связи. 2. Транкинговые системы подвижной связи. 3. Системы беспроводной связи на основе стандарта DECT. 4. Беспроводные локальные сети (в том числе широкополосные системы беспроводного доступа - WLAN и распределенные системы радиодоступа). Применение сегментов мобильных сотовых систем в качестве систем удаленного доступа экономически является неэффективным в случае низкой плотности абонентов. Также не эффективны для решения этой проблемы современные транкинговые системы профессиональной подвижной связи. При обслуживании стационарных абонентов эти системы обладают большой избыточностью. Системы радиодоступа на основе стандарта DECT либо являются низкоскоростными, либо имеют небольшой радиус зоны обслуживания. В настоящее время широкополосные системы беспроводного доступа являются наиболее перспективными для высокоскоростной передачи данных. Широкополосные системы фиксированного беспроводного доступа могут строиться на оборудовании стандартов семейства ШЕЕ 802.11 - 802.16 и подобных им европейских стандартов. Основные технологии, используемые в этих стандартах - широкополосные технологии прямой последовательности (DSSS) и частотных скачков (FHSS), а также ортогональное мультиплексирование с частотным разделением каналов (OFDM) [48], [51], [55], [103]. Обладая потенциально высокой скоростью передачи данных (ок. 54 Мбит/с), эти системы имеют ограничения на излучаемую мощность, поэтому их радиус действия ограничен десятками метров. В данной работе исследуются системы радиодоступа, основанные на применении сверхширокополосных (СШП) технологий. Отличительной особенностью указанных систем является применение СШП сигналов с шириной полосы частот, составляющей несколько гигагерц. Данное направление развития средств связи, в настоящее время, служит предметом особого внимания отечественных и зарубежных специалистов. 1.2. Особенности сверхширокополосных сигналов и систем Для СШП радиоэлектроники наиболее важным является соотнесение применяемых сигналов с занимаемой ими полосой частот. В этом контексте используют понятия «узкополосный», «широкополосный» и «сверхширокополосный» сигналы, хотя границы между этими понятиями достаточно условны. Достаточно широко используются два вида классификации: по абсолютной ширине полосы; по относительной ширине полосы [2]. В [67] сверхширокополосными называют сигналы, у которых относительная ширина полосы частот равна или приближается к единице.
Пропускная способность СШП радиосистем при заданных ограничениях на уровень излучения
Для сохранения условия широкополосности можно организовать частотное разделение как показано на рис.3.1 (б). Однако абоненты в таких системах будут находиться в неравных условиях из-за сильной разницы условий распространения таких сигналов. Кроме того, аппаратура каналов, имеющих различные средние частоты, будет сильно различаться по стоимости, что сделает невозможным свободное распределение каналов между абонентами.
Найдем возможное число каналов в этом случае. Предположим, что величина защитного интервала между каналами е- 0. Используя формулу (2.17) несложно показать, что где п - число каналов. Таким образом, сохраняя условие (1.1), в отведенной полосе частот (см. разделы 1.4 и 2.3.2) можно организовать не более 4 каналов.
Однако, принцип ЧРК возможно использовать для создания СШП систем радиодоступа в комбинации с другими методами. Например, использование для передачи сразу нескольких частотных каналов, расположенных как на рис. 3.1(a), соответствует принципу многочастотной СШП технологии. В этом случае, несмотря на то, что некоторые из передаваемых сигналов сами по себе уже не являются сверхширокополосными, за счет одновременной передачи по нескольким поднесущим одной и той же информации сохраняется соответствие определению (см. раздел 1.2). При воздействии сильной помехи на один из этих каналов, данный канал исключается из процесса обработки [9]. Несмотря на значительное снижение пропускной способности, СШП радиосистемы, построенные по этому принципу, перспективны для радиосвязи специального назначения, требующей высокой надежности.
В другом случае, при использовании варианта б (рис. 3.1) можно распределять информацию по «импульсным поднесущим», этот вариант можно использовать для созданий СШП радиотехнологии, подобной OFDM. В этом случае поток бит разделяется на несколько параллельных потоков, каждый из которых передается на своей «импульсной поднесущей». На приемной стороне, после демодуляции, эти подпотоки вновь объединя-ются в один. Из-за того, что каждый сигнал передается в своей частотной полосе, вероятность того, что все они будут одновременно поражены помехой снижается. Применением помехоустойчивого кодирования [45], можно значительно улучшить характеристики такой системы (повысить скорость передачи, увеличить радиус действия). Отличием данного принципа от OFDM является отсутствие в схеме блоков БПФ и ОБПФ (быстрого преобразования Фурье и обратного быстрого преобразования Фурье, соответственно), а также циклического префикса, так как в случае СШП не надо применять специальных мер для сохранения ортогональности между поднесущими.
Принцип временного разделения каналов состоит в том, что групповой тракт представляется поочередно для передачи сигналов каждого канала многоканальной системы. При временном разделении взаимные помехи в основном обусловлены двумя причинами. Во-первых, между каналами могут возникать взаимные переходные помехи или межсимвольная интерференция. В общем случае для снижения уровня взаимных помех приходится вводить защитные временные интервалы. Взаимные помехи могут возникать и за счет несовершенства синхронизации тактовых импульсов на передающей и приемной сторонах. Точность, с которой необходима синхронизация, зависит от сигнального интер вала Т. Обычно ошибка оценки времени задержки распространения сигнала от передатчика к приемнику должна составлять порядка ±1% от длительности этого интервала [48].
С 60-х годов прошлого века успешно развиваются цифровые методы кодового разделения. Сигналы могут передаваться одновременно и иметь перекрывающиеся частотные спектры и тем не менее такие сигналы можно разделить, если выполняется условие их ортогональности. Основной характеристикой сигнала при кодовом разделении является база В, определяемая как произведение ширины его спектра Af на его длительность Т. Разделение каналов в приемнике осуществляется канальными корреляторами. В случае применения ортогональных сигналов можно организовать число каналов, равное числу псевдослучайных последовательностей (ПСП) с хорошими корреляционными свойствами [48], [63]. Высокая помехоустойчивость канала связи объясняется тем, что на выходе оптимального приемника отношение сигнал/помеха по мощности увеличивается в В раз. Таким образом, длина кода, определяет его энергетический потенциал, который можно использовать как для организации кодового разделения каналов, так и для борьбы с поме « хами.
Однако в технологии кодового разделения также имеются недостатки, а именно возрастание уровня внутрисистемных помех при увеличении числа абонентов и необходимость регулирования мощности. Также снижается скорость передачи информации - в В раз [73], [75], [76], [80]. Внедрение систем передачи информации с СШП сигналами предполагает использование радиодиапазона на вторичной основе, включая задействованные участки, поэтому потенциал кода в значительной степени рассчитан на обеспечение электромагнитной совместимости с другими радиосредствами.
Сравним пропускную способность СШП радиосистем с временным и кодовым разделением каналов при одинаковых условиях, а именно: используется двоичная цифровая модуляция противоположными сигналами, при этом вероятность ошибочного приема одного бита РОШ=10Л расчет произведем для двух значений дальности действия системы радиодоступа і?/=10м и /?2=100м. Предположим, что в полосе ДГ активны па абонентов. При временном разделении каналов база сигнала В «1, при кодовом разделении используются сигналы о, В 0 1, причем ПСП, используемые для кодового разделения, обладают хорошими корреляционными свойствами [80].
Следует отметить, что такое сравнение носит приблизительный характер, так как учесть и формализовать все факторы, которые могут влиять на увеличение или уменьшение рассчитываемых показателей не представляется возможным.
Не нарушая общности рассуждений будем считать, что в системе с ВРК объединение источников сообщений производится до физического уровня семиуровневой модели [109], причем функции управления доступом к среде передачи обеспечиваются протоколами вышележащих уровней. В таких системах максимально возможная скорость передачи, рассчитываемая по формулам (2.18) - (2.26) является номинальной, она учитывает не только время, необходимое для передачи пользовательских данных, но и время передачи служебных данных (заголовков, «хвостовиков», каналов запроса, и.т.п.), а также защитные интервалы. Таким образом, для этих систем можно ввести коэффициент относительного снижения пользовательской скорости:
Разработка СШП системы радиодоступа с высокой скоростью передачи данных
Подача питания производится в центр (требуется симметрирующий трансформатор), а излучение происходит из точек на спирали, которые находятся на расстоянии XII (половина длины волны) друг от друга по линии между ними. Более высокие частоты излучаются из области, близкой к центру (точке питания), более низкие частоты - из области, близкой к краю антенны. Поскольку излучение происходит из расширенной области спирального плеча, можно говорить о четырех линейных излучателях, расположенных по сторонам квадрата Л/4. Серийно выпускаются антенны с шириной полосы частот от2 до 18 ГГц, при этом диаметр такой антенны не превышает 200 мм.
При всей общности структурной схемы, показанной на рис.3.12., возможно создание различных типов СШП систем, имеющих разнообразные характеристики. Так как основные отличия при реализации СШП систем различного назначения будут в устройстве формирования/обработки сигнала (УФС/УОС), далее рассмотрим подробно именно эту часть СШП системы.
Одним из вариантов научно-технического решения заключается в отказе от использования несущей частоты и в осуществлении передачи информации по эфиру непосредственно в цифровом коде в виде наносекундных импульсов. При этом резко упрощается структура аппаратуры: смесители, преобразователи, гетеродины и детекторы исключаются, а функцию модулятора выполняет формирователь излучаемых импульсов. Как отмечено в [2], в этом случае «наиболее предпочтительным сигналом является короткий импульс, близкий по форме к одному периоду синусоиды с модуляцией периодов следования». Действительно, во многих разрабатываемых системах ([30], [107] и др.) в качестве переносчика информации используется излучаемый антенной биполярный сигнал полной длительностью 500 не, при средней частоте следования 106-108. Выбор данного типа сигнала является компромиссом между сложностью реализации, совместимостью между существующими системами и техническими требованиями к каналам связи. Достаточно подробные сведения о формирователях импульсных сигналов и быстродействующих оптических переключателях, реализующих данное техническое решение, можно найти в [83] -[85], [92], [111], [117]-[119].
Однако при создании СШП систем радиодоступа с малым радиусом действия нет оснований отказываться от других видов сигналов. Возьмем к примеру сигнал вида (3.18). Этот сигнал является сверхширокополосным при частоте синусоидального колебания fc не более чем в 4 раза превышающей частоту следования символов. При скважности следования импульсов q -1 данный сигнал напоминает сигнал проводных модемов [8]. При использовании временного разделения ЭМС с существующими радиосистемами достигается за счет снижения мощности передающего устройства с одной стороны, и за счет широкой полосы сигнала с другой. К преимуществам такой схемы следует отнести простоту разработки и реализации. Нет необходимости вновь разрабатывать структурную схему СШП модема, достаточно взять готовые решения и внести дополнения, вызываемые особенностями СШП сигналов. Пример структурной схемы демодулятора такой системы рассматривается в Главе 4. В качестве СШП фазовращателей в данном случае целесообразно применять микрополосковые нерегулярные линии [70]. К возможным недостаткам указанной системы следует отнести необходимость обеспечения более жестких условий синхронизации.
Для обеспечения тактовой синхронизации в системах радиодоступа с временным разделением следует применять извлечение опорного сигнала из принимаемого информационного. Для этого в схему приемника следует включить блок восстановления тактовой частоты (БВТЧ). Основными требованиями к БВТЧ являются требуемая точность восстановления тактовой частоты и быстродействие. Точность, с которой необходима синхронизация, зависит от сигнального интервала Т. Обычно ошибка оценки времени задержки распространения сигнала от передатчика к приемнику должна составлять порядка ±1% от длительности этого интервала [48], то есть точность позиционирования такого сигнала во времени должна быть около 10нс. Для этих целей можно применять специальные пилот-сигналы с известной структурой, передаваемые в начале сеанса, в случае потери связи, и.т.п.
Оценка фазы несущей частоты в традиционных узкополосных радиосистемах связи требуется при генерировании опорного сигнала для коррелятора [48], [55], если сигнал детектируется когерентно. Фазовая синхронизация несущей частоты (восстановление несущей) в узкополосных системах необходима, так как точность, с которой производится оценивание тактовой частоты, недостаточна для оценивания фазы несущей. Это объясняется тем, что несущая частота обычно намного больше, чем частота следования символов, и, следовательно, малая ошибка в оценке вызывает тактовой большую ошибку в оценке фазы. В СШП системах несущая частота соизмерима с сигнальным интервалом Т, следовательно восстановления несущей частоты не требуется.
В общем случае для снижения уровня взаимных помех приходится вводить защит ные временные интервалы. Длительность защитного интервала выбирается таким обра зом, чтобы эхо-сигнал при многолучевом распространении был задержан не больше, чем на длительность защитного интервала (см. рис. 1.2). Например, по данным [86], при рас пространении сигнала внутри помещения (на расстояние до 50 м), для снижения уровня щ взаимных помех необходимо, чтобы защитный интервал составлял приблизительно 200 не. Недостатком метода защитного интервала является увеличение импульсной мощности и периода следования импульсов, необходимых для передачи информации, что неизбежно приводит к уменьшению скорости передачи данных. При реализации описанной выше СШП системы радиодоступа актуальными являются исследования возможности применения квадратурных методов модуляции для повышения скорости передачи и эффективности системы. Выводы по 3-й главе 1. Показана невозможность частотного разделения каналов для систем абонентского радиодоступа. 2. Рекомендовано в локальных беспроводных сетях с малым радиусом действия применять СШП системы с временным разделением каналов, так как они обладают потенциально более высокой скоростью передачи. 3. Проанализированы модели последовательностей импульсных сигналов: 1) последовательности импульсов, представляющих собой отрезки гармонического колебания (1-4 периода); 2)последовательности гауссовских биполярных импульсов. Эти модели имеют практическое значение с точки зрения простоты генерации и излучения, их несложно анализировать. Проанализированы модели СШП сигналов с различными видами цифровой модуляции. Предложено применять СШП систему радиодоступа с малым радиусом действия и высокоскоростной передачей данных, в которой используются сигналы с «остатками синусоидальной несущей». Отмечено, что необходимы дополнительные исследования возможности реализации такой схемы, в частности возможность применения квадратурных видов модуляции.
Исследование энергетических спектров СШП сигналов с помощью моделирования
Так как СПМ зависит от квадрата абсолютного значения преобразования Фурье g{(V) функции, определяющей форму импульса, то в некоторых случаях, в частности если форма импульса гауссовская, происходит сужение результирующей СПМ относительно
Определяя ширину спектра по уровню -ЗдБ, можно рассчитать спектральную эффективность СШП систем связи как отношение скорости передачи к полосе занимаемых частот. Теоретическая предельная спектральная эффективность, соответствующая последовательности импульсов со скважностью 1 (коэффициент заполнения 100%), составляет примерно 1бит/(с Гц) (для сигнала в виде последовательности гауссовских или прямоугольных импульсов). Однако, практически, коэффициент заполнения может составлять единицы процентов, что значительно снижает спектральную эффективность. Интуитивно понятно, что несмотря на то, что системы с СШП сигналами имеют невысокую абсолютную спектральную эффективность, вторичное использование радиочастотного спектра повышает эффективность его использования в целом.
Для СШП сигнала в виде отрезка гармонического колебания со скважностью следования импульсов q= 1 на рис.5.16 показана спектральная плотность мощности, нормированная к максимальному значению, для двух видов модуляции (1 - фазовая манипуляция, или модуляция противоположными сигналами, 2 - квадратурно-фазовая модуляция). График для спектральной плотности мощности, построенный в логарифмическом масштабе для тех же видов модуляции показан на рис.5.17.
На рисунках 5.16-5.17 видно, что энергетические спектры ФМ и КФМ практически не отличаются друг от друга, однако при КФМ скорость передачи информации увеличивается в два раза. Таким образом, применение квадратурных видов модуляции повышает спектральную эффективность СШП сигналов (рис.5.18).
Дальнейшее развитие СШП систем видится в повышении спектральной эффективности используемых сигналов, например применения квадратурной амплитудной модуляции или одновременной модуляции по нескольким параметрам.
Выводы по 5-й главе 1. При равновероятном распределении случайных амплитуд энергетический спектр амплитудно-модулированного сигнала и сигнала с модуляцией противоположными сигналами идентичны, однако в первом случае преобладает дискретная составляющая, а во втором - непрерывная составляющая. 2. При амплитудной, время-импульсной и широтно-импульсной модуляции дискретная составляющая энергетического спектра преобладает над непрерывной. Из-за регулярности пиков энергии, системы с данными видами модуляции могут создавать помехи существующим системам радиосвязи. 3. Не всегда желательно, чтобы символы передаваемого сообщения были равновероятными, поскольку дискретные компоненты в импульсном процессе, определяемые частотой следования импульсов, сохраняются. 4. Смещение импульса относительно периода следования импульсов при время-импульсной модуляции создает дополнительную регулярную структуру спектра, пропорциональную величине смещения. 5. Энергетический спектр многочастотного сигнала сохраняет структуру спектра одиночного импульса, с ярко выраженными максимумами. Энергетический спектр сигнала с ШИМ имеет более сложную структуру, обусловленную тем, что длительность импульса в данном случае непостоянна. Из-за этого минимумы и максимумы СПМ определяются не только средними значениями длительности, но и дисперсией длительностей 6. Радиосистемы с применением СШП сигналов уступают традиционным узкополосным системам спектральной эффективности. Однако использование спектра на вторичной основе повышает эффективность использования спектра в целом. 7. Для повышения спектральной эффективности СШП сигналов целесообразно применение квадратурной модуляции. В данной диссертации рассматривается возможность использования СШП сигналов для реализации высокоскоростной системы радиодоступа с малым радиусом действия. Для этого проведен анализ электромагнитной совместимости СШП системы с узкополосными радиосистемами, работающими в этом же частотном диапазоне. В рамках этого определен диапазон частот СШП сигналов и максимальный радиус действия СШП систем. Проведен анализ моделей СШП сигналов с различными видами модуляции, наилучшим образом подходящих для использования в системах радиодоступа, исследование энергетических спектров СШП сигналов. Наиболее существенные результаты, полученные при выполнении работы, можно сформулировать следующим образом. 1. Рекомендовано выбирать частотный диапазон для СШП систем радиодоступа в пределах 1-Ю ГГц, причем нижняя граница этого диапазона обусловлена условиями ЭМС (перегруженностью этой части диапазона), а верхняя - возможными искажениями СШП сигнала из-за наличия резонансной линии поглощения у паров воды. 2. В системах радиодоступа нецелесообразно применять частотное разделение; применение кодового разделения повышает помехоустойчивость системы, однако во столько же раз снижается скорость передачи информации. Следовательно, в системах радиодоступа, где передача ведется с высокой скоростью на небольшие расстояния, целесообразно использовать временное разделение. 3. Наибольшей помехоустойчивостью, как и в традиционных (узкополосных) системах связи обладают противоположные сигналы. Спектр такого сигнала при равновероятном (бинарном) распределении символов передаваемого сообщения не содержит дискретных составляющих. Однако, этот вид модуляции имеет низкую спектральную эффективность. 4. Рассмотрены особенности передачи и приёма сверхширокополосных сигналов с квадратурной модуляцией. Предложен метод демодуляции СШП квадратурных сигналов с помощью формирования квадратур на приемной стороне. 5. Предложено применять квадратурно-импульсную модуляцию. Показано, что применение квадратурных видов модуляции повышает невысокую спектральную эффективность СШП систем. В целом, проведенное исследование доказывает принципиальную возможность и перспективность использования СШП сигналов в системах радиодоступа с высокой скоростью передачи информации, повышающих эффективность использования радиочастотно го спектра.
