Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Среда, 21 ноября
 
 

Это интересно!

Ранее

Управление ориентацией поля в электроприводах 

Метод управления ориентацией поля в электроприводах с регулированием скорости вращения улучшает динамические параметры, позволяет выбрать оптимальный электродвигатель и улучшить эффективность системы. В статье описаны базовые принципы метода, построение схемы управления и применение цифровых сигнальных контроллеров для эффективной реализации системы. Статья представляет собой перевод [1].

Основы теории демодулирующих логарифмических усилителей

Подробно рассматриваются принципы и особенности функционирования демодулирующих логарифмических усилителей. Описываются особенности популярного среди разработчиков усилителя AD8307. Очерчен круг применения логарифмических усилителей.

Инь и Янь в вопросах согласования. Часть 2

Эта учебная статья охватывает основы теории согласования, начиная с простых Г-образных цепей и заканчивая более сложными концепциями.

 

7 августа

Увеличение ресурсов сети

В статье рассмотрены методы расширения спектра и виды уплотнения доступа. Рассказывается об основных особенностях и преимуществах каждого подхода.



Расширение спектра (Spread Spectrum)

В большинстве приложений требуется, чтобы используемый спектр частот был как можно уже. Несмотря на это, существует обратная методика — расширение спектра, когда сигналы передаются в широкой полосе частот. Она была разработана для военных и разведывательных целей и применяется для защиты передаваемых данных и повышения помехоустойчивости сигнала. Есть два основных способа расширения спектра: скачкообразная перестройка частоты (FHSS) и приближение сигнала к шумоподобному (DSSS). Рассмотрим их практические реализации.

Скачкообразная перестройка частоты

В некоторых применениях, например военных, важно оградить информацию от несанкционированного прослушивания или намеренного заглушения. В таком случае помогает расширение спектра путем скачкообразной перестройки частоты. Оно заключается в том, что сигнал переключается много раз в секунду псевдослучайным образом между отведенными заранее каналами. Передача на каждой частоте идет в течение заданного промежутка времени, после чего сигнал перескакивает на другой канал. Скорость скачков может меняться и зависит от дополнительных требований. Метод FHSS часто используется для ослабления интерференции. Если в одном канале интерференционные помехи велики, то их влияние будет носить кратковременный характер, поскольку сигнал быстро переключается на другие каналы.
Между переключениями возникает т.н. мертвый период, когда выходной сигнал отсутствует. В это время происходит установка синтезатора частоты. Этот период также необходим для защиты от межканальных интерференционных помех, возникающих при переключении. В приемнике синхронно повторяется тот же алгоритм переключения, что и в передатчике. Следует помнить, что за счет передачи синхробитов эффективная скорость передачи данных уменьшается.
Перестройка частоты обычно применяется для передачи цифровых сигналов. Для передачи аналоговой информации, например голоса, ее необходимо предварительно оцифровать. Скорость передачи данных должна превышать полосу пропускания, чтобы был запас на добавление защитных мертвых интервалов во время переключения сигнала.

Прямое последовательное расширение спектра

При прямом последовательном расширении спектра информационный сигнал приводится к шумоподобному, чтобы узкополосные помехи не ухудшали качество приема данных. Для этого каждый бит передаваемой информации заменяется расширяющей последовательностью из n битов. Логическая единица представляется прямой последовательностью, а логический ноль — инверсной.
Очень часто в качестве расширяющего кода используют 11-битную последовательность Баркера 10110111000. Ее преимущество заключается в том, что она позволяет приемнику быстро синхронизоваться с передатчиком. Действительно, если сравнить две последовательности Баркера, сдвинутые на один бит, мы получим меньше половины совпадений значений битов. Следовательно, даже при искажении нескольких битов приемник, скорее всего, сможет идентифицировать начало последовательности, а значит, правильно распознать получаемую информацию.
Несмотря на сложность реализации в приемнике и передатчике, методика DSSS позволяет существенно улучшить качество обмена. Она используется в военных приложениях, где важна высокая степень секретности данных, а также в новых сотовых системах для увеличения емкости сети. В последнем случае технологию DSSS часто называют множественным или многостанционным доступом с кодовым разделением каналов (CDMA), поскольку она позволяет нескольким абонентам одновременно принимать сигналы, используя индивидуальные коды.

Методы увеличения емкости сети

Изначально технологии расширения спектра применялись для защиты информации от несанкционированного доступа или для того, чтобы передаваемый сигнал нельзя было обнаружить. Однако с развитием сотовой связи эти технологии находят новое применение — используются для увеличения емкости сети (уплотнения доступа).
В сетях с большим числом абонентов необходимо организовать связь так, чтобы пользователи могли иметь доступ к ресурсам сети и в то же время не мешали друг другу. С этой задачей позволяют справиться методы множественного доступа: пространственный, частотный (FDM), кодовый (CDM) и временной (TDM).
Пространственное уплотнение основано на территориальном разделении зон вещания. Каждая станция передает сигнал на определенной частоте на закрепленной за ней территории. Поскольку дальность распространения радиосигналов ограничена, то при достаточном удалении друг от друга две станции не создают помех друг другу. Характерный пример — станции сотовой связи, использующие один и тот же диапазон частот в разных городах.
Обратный подход применяется при частотном мультиплексировании. В этом методе на одной территории несколько устройств передают сигналы на разных частотах. Данный принцип широко применяется в беспроводных технологиях и радиовещании. Отведенная территории полоса частот делится на информационные каналы, отстоящие друг от друга на защитные интервалы (см. рис.1) для исключения взаимных помех.

Рис. 1. Разделение спектра частот ΔF на информационные каналы шириной Δfk

Немного сложнее организовано временное мультиплексирование. Каждой станции на передачу сигнала отводятся определенные циклически повторяющиеся промежутки времени. С одной стороны это очень удобно, т.к. временные интервалы могут перераспределяться между устройствами сети в зависимости от объема трафика. Однако с другой стороны, в системах с временным разделением каналов предъявляются чрезвычайно высокие требования к синхронизации между приемником и передатчиком, ведь при малейшем расхождении произойдет мгновенная потеря данных. Временное уплотнение применяется в сотовых сетях стандарта GSM.

Уплотнение с кодовым разделением

При кодовом разделении все станции осуществляют передачу сигналов на одной и той же частоте, но с разной шифрацией. Это как в комнате, где находится много людей, говорящих на разных языках: несмотря на шум, вам всегда удастся распознать родную речь, даже если окружающие будут говорить громче.
Принцип формирования кодового разделения основан на том, что каждый бит исходных данных заменяется на CDM-символ или расширяющую (чиповую) последовательность, как его еще называют. В качестве такой последовательности можно взять не любую, а либо псевдослучайную, либо ортогональную. Ортогональной последовательностью считается та, в которой сумма битов равна нулю. Расширяющая последовательность передается циклически, причем необходимо, чтобы ее период точно соответствовал длительности информационного бита. Обычно логическая единица передается прямой последовательностью, а логический ноль — инверсной. Зашифрованные таким образом потоки суммируются, затем результирующий сигнал модулируется и передается (см. рис. 2).

Рис. 2. Передача сигналов при CDM

В приемнике производятся обратные операции. Полученный сигнал демодулируется и снова перемножается на расширяющую последовательность, соответствующую нужному каналу. Для наглядности рассмотрим принцип передачи двух потоков данных на одном несущем сигнале (см. рис. 3).

Рис. 3. Преобразование входных сигналов при CDM

Пусть имеются два информационных потока (c) и (e). Для их передачи потребуются две расширяющие последовательности. В качестве примера возьмем четырехбитные последовательности (a) и (b). Если их перемножить и сложить биты результата, то получим ноль. Значит, они являются ортогональными между собой. Итак, перемножим информационные последовательности на соответствующие расширяющие: (a)×(c)=(d); (b)×(е)=(f). Выходные сигналы (d) и (f) суммируем и полученный сигнал (g) используем в качестве модулирующего.
На рисунке 3 показано восстановление сигнала (c). Для этого принятая последовательность (g) умножается на (h), совпадающую с (а). Результирующий сигнал (i) делится на блоки, соответствующие количеству битов в расширяющей последовательности. Биты каждого блока суммируются, и после нормировки получается исходная последовательность (j), совпадающая с (c).
Заметим, что в случае использования псевдослучайных кодов общий принцип передачи остается прежним, однако вместо одинаковых ортогональных кодов в передатчике и приемнике используются одинаковые алгоритмы генерирования псевдослучайных последовательностей. Тем не менее, поскольку расширяющие последовательности не ортогональны, то при восстановлении будут возникать ошибки.
Ортогональное частотное уплотнение
Еще один распространенный вид — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM). Принцип OFDM заключается в том, что весь доступный частотный диапазон разделяется на множество несущих; обычно их несколько тысяч, по которым осуществляется параллельная передача данных. Для обеспечения ортогональности несущие разнесены на интервалы равные 1/(период символа). Боковые полосы каналов могут перекрываться, поскольку в ортогональных каналах интерференция не возникает.
Каждому передатчику выделяются определенные полосы спектра так, чтобы снизить уровень шумов и избежать возникновения интерференционных помех. Таким образом, исходный поток последовательных данных преобразуется в параллельный, причем скорость передачи в каждом канале уменьшается пропорционально количеству каналов. В итоге скорость передачи всего потока не меняется, однако увеличивается время передачи каждого бита, за счет этого уменьшается вероятность появления ошибки и искажений. Для исключения межсимвольных искажений между передачами битов вставляются защитные интервалы, гарантирующие, что выборка данных производится при уже установившемся сигнале, и никакие задержавшиеся колебания, влияющие на форму и фазу сигнала, не возникнут.
В передатчике ортогональное частотное уплотнение выполняется блоком обратного быстрого преобразования Фурье, который стоит в каждом модуляторе. Соответственно, в демодуляторе приемника выполняется прямое быстрое преобразование Фурье. Системы связи, основанные на OFDM, должны быть строго линейными, чтобы не нарушалась ортогональность передаваемых сигналов. Для этого на выходе передатчика должен стоять оконечный усилитель.
Ортогональное частотное уплотнение с применением корректирующих кодов называется кодированным (COFDM). При COFDM в передаваемый сигнал вносятся избыточные биты, поэтому вероятность появления ошибки при восстановлении данных уменьшается. Мультиплексирование COFDM используется в стандарте Wi-Fi и цифровом радио, в недавно появившемся WiMAX и разрабатываемых сейчас мобильных системах 4G.

Глоссарий
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) — скачкообразная перестройка частоты.
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) — прямое последовательное расширение спектра.
CDMA (Code Division Multiple Access) — множественный доступ с кодовым разделением каналов.
FDMA (Frequency Division Multiple Access) — уплотнение с частотным разделением каналов.
TDMA (Time Division Multiple Access) — множественный доступ с временным уплотнением.
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) — мультиплексирование с ортогональным разделением частот.

Литература

1. J. Meel «Spread spectrum. Introduction».
2. J. Meel «Spread spectrum. Applications».
3. Курс по беспроводным сетям.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Екатерина самкова, редактор, журнал «Электронные компоненты»



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2018 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты