Проектирование защищенных радиотехнических систем. Стандарт CDMA. Системы связи с шумоподобными сигналами

Для радиосистем существует два основных ресурса – частота и время. В системах с кодовым разделением каналов CDMA (CodeDivisionMultipleAccess) для каждого узла выделяется весь спектр частот и всё время. CDMA использует специальные коды для идентификации соединений. Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются посредством применения широкополосного кодомодулированного радиосигнала — шумоподобного сигнала, передаваемого в общий для других аналогичных передатчиков канал, в едином широком частотном диапазоне. В результате работы нескольких передатчиков эфир в данном частотном диапазоне становится ещё более шумоподобным. Каждый передатчик модулирует сигнал с применением присвоенного в данный момент каждому пользователю отдельного числового кода, приёмник, настроенный на аналогичный код, может вычленять из общей какофонии радиосигналов ту часть сигнала, которая предназначена данному приёмнику. В явном виде отсутствует временное или частотное разделение каналов, каждый абонент постоянно использует всю ширину канала, передавая сигнал в общий частотный диапазон, и принимая сигнал из общего частотного диапазона.

Принцип работы систем связи с кодовым разделением каналов можно пояснить на простом примере. Предположим, что вы находитесь в большом ресторане или магазине, где непрерывно разговаривают на разных языках. Несмотря на окружающий шум (многоголосье), вы понимаете своего партнера, если он говорит на одном с вами языке.

Полоса частот одного канала очень широка, вещание абонентов накладывается друг на друга, но, поскольку их коды модуляции сигнала отличаются, они могут быть дифференцированы аппаратно-программными средствами приёмника.

При кодовой модуляции применяется техника расширения спектра с множественным доступом. Она позволяет увеличить пропускную способность при неизменной мощности сигнала. Передаваемые данные комбинируются с более быстрым шумоподобным псевдослучайным сигналом с использованием операции побитового взаимоисключающего ИЛИ (XOR). На рис.12 показан пример, демонстрирующий применение метода для генерации сигнала. Сигнал данных с длительностью импульса T_b комбинируется при помощи операции XOR с кодом сигнала, длительность импульса которого равна T_с (ширина полосы пропускания пропорциональна 1/T, где T – время передачи одного бита), следовательно ширина полосы пропускания сигнала с данными равна 1/ T_b и ширина полосы пропускания получаемого сигнала равна 1/ T_c. Так как T_с много меньше T_b ширина полосы частот получаемого сигнала намного больше, чем таковая оригинального сигнала передаваемых данных. Величина T_b/T_с называется базой сигнала и определяет в известной мере верхний предел числа пользователей, поддерживаемых базовой станцией одновременно.

Рис. 12. Генерация сигнала CDMA

Обобщенная структурная схема системы связи с КРК приведена на рис.13.

Рис. 13. Структурная схема системы связи с КРК: а – передающая часть, б – приемная часть

На рис. 13: ИИ – источник информации; ФМ – фазовый модулятор; ГФМ – генератор фазоманипулированного сигнала; С – синхронизатор; ГНЧ– генератор низкой частоты; Мод – модулятор; УМ – усилитель мощности; См

– смеситель; Г – гетеродин; УПЧ – усилитель промежуточной частоты; СФ – согласованный фильтр; РУ – решающее устройство; ПИ – получатель информации.

Увеличение базы сигнала практически достигается либо расширением полосы (F), занимаемой спектром ШПС, либо уменьшением скорости передачи информации (увеличением Т).

В результате перемножения сигнала источника псевдослучайного шума с информационным сигналом энергия последнего распределяется в широкой полосе частот, т. е. его спектр расширяется. Следует отметить, что сама информация может быть введена в широкополосный сигнал несколькими способами. Наиболее известный способ заключается в наложении информации на широкополосную модулирующую кодовую последовательность перед модуляцией несущей для получения широкополосного шумоподобного сигнала ШПС (рис. 14).

Узкополосный сигнал умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом Т, состоящую из N бит длительностью r₀ каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП.

Рис. 14. Пояснение к формированию шумоподобных сигналов

Этот способ пригоден для любой широкополосной системы, в которой длярасширения спектра высокочастотного сигнала применяется цифровая последовательность.

Перемножение принятого сигнала и сигнала такого же источника псевдослучайного шума (ПСП), который использовался в передатчике,сжимает спектр полезного сигнала и одновременно расширяет спектр фонового шума и других источников интерференционных помех.Результирующий выигрыш в отношении сигнал/шум на выходе приемника есть функция отношения ширины полос широкополосного и базового сигналов: чем больше расширение спектра, тем больше выигрыш. Во временной области — это функция отношения скорости передачи цифрового потока в радиоканале к скорости передачи базового информационного сигнала.

Составные сигналы, используемые в системах с кодовым разделением каналов, помимо большой базы, характеризуются большой избыточностью,поскольку все элементарные сигналы, служащие для передачи одного символа двоичного кода, переносят одну и ту же информацию.Прием этих сигналов, как и прием любых сигналов с избыточностью,можно осуществлять поэлементно или в целом. Для систем, где применяются ШПС, характерен прием в целом. Только при обработке составного сигнала в целом возможно, в частности, осуществить раздельный прием лучей при многолучевом распространении и реализовать полностью другие преимущества связи посредством ШПС.

Прием ШПС, как, впрочем, и любых других сигналов, осуществляется с помощью оптимальных приемников,минимизирующих вероятность ошибки.Известно, что структура оптимального приемника зависит от вида модуляции,а также от того, какое количество параметров сигнала известно в точке приема(когерентный или некогерентный прием и т.п.). Однако в любом случае в состав оптимального приемника входит коррелятор или согласованный фильтр (СФ) и решающее устройство. Рассмотрим использование СФ для приема фазоманипулированных шумоподобных сигналов ФМШПС,являющихся широко распространенной разновидностью сложных сигналов.