Применение сверхширокополосных сигналов в перспективных системах связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

16

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Кафедра телекоммуникации

Учебно-исследовательская работа

на тему: «Применение сверхширокополосных сигналов в перспективных системах связи»

Содержание

Введение

1. Анализ современного состояния пропускной способности систем широкополосного беспроводного доступа

2. Понятие сверхширокополосных сигналов

3. Математическая модель сверхширокополосного сигнала

4. Методы модуляции сверхширокополосных сигналов

5. Помехоустойчивость сверхширокополосных сигналов

6. Процедура радиоприёма сверхширокополосных сигналов

7. Области применения сверхширокополосных сигналов

Заключение

Список используемой литературы

Введение

В современных условиях требования, предъявляемые к эффективности и функциональности систем передачи информации (повышение помехоустойчивости, скрытность, электромагнитная совместимость и т.д.) в значительной степени зависят от качества функционирования радиоэлектронных средств (РЭС). Один из возможных путей решения этой проблемы заключается в использовании новых нетрадиционных видов сигналов. Такими, в частности, являются сверхширокополосные (СШП) сигналы. Основное их преимущество перед традиционными узкополосными и широкополосными сигналами - это то, что СШП сигналы переносят большее количество информации, а также обладают скрытностью и устойчивостью к подавлению. Платой за получаемые преимущества является принципиальная неприменимость для СШП сигналов как традиционных методов генерации, излучения, приема и обработки сигналов, так и соответствующих технических средств основанных на преобразовании Фурье, использовании резонансных свойств элементов и устройств.

В последние годы СШП сигналы успешно применяются в различных областях науки и техники. Более того, сегодня СШП технологии продолжают бурное и стремительное развитие, о чем свидетельствует как постоянно увеличивающееся количество публикаций, так и продвижение на рынок соответствующих технических изделий и средств. Важно также отметить, что СШП сигналы могут иметь не только искусственное происхождение. Оказывается, многие процессы в природе обладают сверхшироким спектром, а потому для их исследования и описания тоже могут быть полезны методы, применяемые для анализа СШП сигналов.

Перечисленными выше соображениями обуславливается актуальность данной работы.

1. Анализ современного состояния пропускной способности систем широкополосного беспроводного доступа

Для сравнения пропускной способности СШП и других технологий возьмем несколько широкополосных беспроводных систем, представленных в таблице 1. [10]

Таблица 1- Сравнительные технические характеристики СШП устройств и других систем

Сравнивая современные и перспективные узкополосные системы передачи данных с СШП-системами, можно заметить, что наиболее вероятной областью применения СШП-связи при существующих ограничениях по ЭМС будет высокоскоростная связь ближнего действия. Узкополосным же системам останется менее скоростная связь на большие расстояния.

Сверхширокополосные технологии имеют большой потенциал, поскольку информационная вместимость СШП значительно больше в сравнении с другими текущими и развивающимися технологиями, что позволяет реализовывать более быстродействующие беспроводные сети с высокой пропускной способностью (рис.1). Движущая сила, подталкивающая исследования в области сверхширокополосной связи, очевидна - это главное приоритетное направление развития всех без исключения беспроводных технологий - повышение пропускной способности беспроводного канала связи.

Рисунок 1- Сравнительная диаграмма максимальной дальности и пропускной способности различных технологий беспроводной связи

2. Понятие сверхширокополосных сигналов

Под СШП-сигналом понимают сигнал, показатель широкополосности м которого удовлетворяет условию ? м < 2. Показатель широкополосности по определению задается соотношением:

(1)

где - средняя, минимальная и максимальная частоты функции спектральной плотности (ФСП) одномерного преобразования Фурье (ОПФ) S(f) данного сигнала s(t); ?f=- ширина полосы частот сигнала.

Само понятие СШП сигнала впервые было введено, по-видимому, в 1950-1960 гг. в работах Е. Кенно, Д. Моффата, Р. Косгриффа и Х. Хармута. Однако использование СШП сигналов началось гораздо раньше. Именно такие сигналы, а не узкополосные, применялись еще в XIX веке, начиная с первых опытов Г. Герца в 1893 г. В первом радиопередатчике, построенном изобретателем радио А. С. Поповым в 1895 г., использовались затухающие колебания высокой частоты, полученные с помощью искрового разряда. Генерированные им сигналы также были сверхширокополосными. Эти же сигналы, создаваемые искровым разрядом, применил Г. Маркони в 1901 г. при проведении сеанса связи через Атлантический океан. Кодирование информации при этом осуществлялось с помощью азбуки Морзе. В 1885-1905 гг. использовались исключительно затухающие электромагнитные колебания. Переход от затухающих электромагнитных колебаний к незатухающим занял целое десятилетие (1905-1915 гг.). С 1915 г. стало применяться ламповое генерирование незатухающих электромагнитных колебаний. Одной из причин этого явилось создание в 1913 г. А. Мейснером (Германия) генератора незатухающих колебаний, последовавшее за изобретением вакуумного триода. СШП сигналы оказались полностью вытесненными узкополосными сигналами. О них забыли больше чем на четыре десятка лет. Так закончился первый этап использования СШП-сигналов.

Только в 1950-е гг. отдельные специалисты в области полупроводниковой и вакуумной электроники заинтересовались использованием радиоимпульсов наносекундной длительности. Однако их идеи воспринимались скорее как экзотичные. Такая ситуация наблюдалась примерно до конца1960-х гг. Это был второй всплеск интереса к СШП сигналам. Следующий всплеск интереса начался в1970-х гг. и закончился в первой половине1990-х гг. В этот период активно разрабатывались принципиально новые методы генерации, приема и обработки СШП-сигналов и создавалась соответствующая новая техническая база. Основные усилия по применению СШП сигналов были сосредоточены в области локации. В это время были построены СШП-радары для обнаружения воздушных и космических целей, СШП-радары подповерхностного зондирования. Особенностями таких радаров были не только высокая разрешающая способность, но и возможность получения некоординатной информации о цели.

3. Математическая модель сверхширокополосного сигнала

СШП-сигналы предоставляются в виде генерируемых для беспроводной передачи сверхкоротких видеоимпульсов без постоянной составляющей длительностью 0,2…2нс и периодом повторения 10…1000нс, описываемых выражениями:

(2)

где A - амплитуда сигнала,- его длительность. Заметим, что такая форма сигнала обеспечивает нулевую постоянную составляющую. Спектр такого импульса имеет вид

, (3)

Представленный на рис.2 для импульса длительностью 1 нс.

Рисунок 2 - Спектр Гауссова импульса длительностью 1 нс

Модуляция сигнала может осуществляться либо изменением амплитуды импульса (включение/выключение или изменение знака на противоположный), либо смещением центра импульса внутри периода повторения импульса .Достоинством такого канала связи является то, что за счет изменения длительности импульса можно управлять шириной спектра сигнала, а за счет уменьшения периода повторения импульсов можно снижать уровень усредненной спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала, чтобы не создавать помех другим приемным системам, чьи диапазоны перекрывает спектр импульса (например диапазоны GPS, ISM и/или U-NII). Множественный доступ в такой системе реализуется за счет расширения прямой последовательностью, либо временным сдвигом импульсов в псевдослучайной последовательности. Таким образом, CШП технология позволяет одновременно обеспечить высокую пропускную способность, слабое влияние на системы узкополосного типа и большое число пользователей в ограниченной области пространства (например, одном помещении).

4. Методы модуляции сверхширокополосных сигналов

В СШП-системах применяется ряд известных видов модуляции: импульсно-позиционная модуляция PPM (Pulse Position Modulation), амплитудная модуляция PAM (Pulse Amplitude Modulation), манипуляция включение-выключение On-Off Keying (OOK), двоичная фазовая манипуляция Bi-Phase Modulation (BPSK), приведённые на рисунках 3, 4, 5, 6

Рисунок 3 - Импульсно-позиционная модуляция PPM

Рисунок 4-Амплитудная модуляция PAM

Рисунок 5-Манипуляция включение-выключение OOK

Рисунок 6 - Двоичная фазовая манипуляция BPSK

Наиболее распространенной является модуляция PPM или SPPM (Single Pulse Position Modulation), когда одиночный импульс смещается относительно его заданного положения на временном промежутке назад либо вперед, тем самым представляя 1-й либо 0-й бит информации (см. рис. 3).

При этом временное смещение выбирается очень малым и не превышает 1/4 длительности импульса.

5. Помехоустойчивость сверхширокополосных сигналов

Повышенная помехоустойчивость СШПС определяется тем, что при ограниченной мощности помехи и ширине ее спектра меньшей или равной ширине спектра сигнала применение СШП позволяет существенно увеличить отношение сигнал-шум относительно узкополосных сигналов.

Для увеличения помехоустойчивости и скорости передачи информации можно использовать сверхточное кодирование сигнала и квадратурную манипуляцию поднесущих. У технологии много достоинств. Это, во-первых, присущая OFDM-системам устойчивость к многолучевому распространению. Во-вторых, требуемая точность синхронизации приемного и передающего устройств ниже, чем для других UWB-технологий, что существенно сказывается на сложности входного тракта и времени синхронизации. В-третьих, ортогональное частотное мультиплексирование позволяет увеличить гибкость спектральной приспосабливаемости доступа за счет включения/выключения отдельных поднесущих.

К недостаткам данного подхода следует отнести необходимость высоких вычислительных ресурсов для осуществления быстрого преобразования Фурье, относительную сложность модемов и довольно высокое отношение пиковой мощности к средней излучаемой мощности в OFDM-символе.

Тем не менее, как показывают оценки, такая система обеспечивает большую скорость доступа по сравнению с подходом прямого расширения спектра при той же используемой полосе и более устойчива в многолучевой среде.

6. Процедура радиоприёма сверхширокополосных сигналов

Процедура радиоприёма основана на сверхкротковременном стробировании сигнала в устанавливаемых (синхронизируемых) временных точках. Таким образом, возвращение «искрового» передатчика с контролируемыми и управляемыми временем и формой генерируемых импульсов находится в состоянии интенсивной разработки с учётом новейших технологий. Однако при этом мир помех по-прежнему представляется в метрике спектральных, а не временных описаний.

Приёмное устройство СШПС функционально представляет собой приёмник (детектор), прямого усиления и коррелятор (рисунок 7).

Рисунок 7 - Структурная схема приёмопередатчика СШПС

Где LNA - малошумный усилитель радиодиапазона, MF/Corr- фильтр-коррелятор, за которым следует накопитель видеоимпульсов, TX- передатчик, генерирующий короткие электрические импульсы, поступающие в антенну, Basesand - низкочастотное оборудование, RX- приёмник.

7. Области применения сверхширокополосных сигналов

беспроводной сверхширокополосный сигнал радиоприем

Интерес к созданию систем передачи информации с СШП сигналами обусловлен рядом преимуществ, которыми они обладают по сравнению с существующими системами связи. Одним из основных преимуществ является скрытность и устойчивость к подавлению. Приемники обычных радиосистем воспринимают СШП сигнал как случайные помехи, которые к тому же нередко оказываются и по амплитуде полностью скрыты в естественных шумах. Различные же сверхширокополосные системы используют разные алгоритмы построения кодирующих псевдослучайных последовательностей, общее число которых, в принципе весьма велико. Поэтому случайные совпадения кодов у разных систем практически исключены, а целенаправленный подбор кода представляет собой весьма сложную задачу. Даже если принцип обнаружения СШП передачи будет известен, трудно будет выполнить систему подавления из-за широкой полосы рабочих частот.

Характерной особенностью, присущей системам связи на основе СШПС, является высокая электромагнитная совместимость с существующими системами связи. Малые уровни сигналов, использование кодирования и шумоподобная структура СШП систем практически не создает помех для других устройств, что позволяет в большинстве случаев работать на безлицензионной основе.

Теоретически системы передачи информации с СШП сигналами должны иметь высокую скорость передачи информации. В традиционных системах рабочая частота и ширина отведенной полосы спектра в основном определяют пропускную способность канала связи, а мощность передатчика - ее дальность. В СШП два этих понятия тесно взаимосвязаны, позволяя перераспределять имеющиеся возможности между дальностью связи и скоростью передачи.

Расширение полосы канала связи, переход к каналам со сверхширокой полосой дает возможность практически неограниченного увеличения числа каналов связи. Заранее распределив сигналы (их частоты, виды модуляции и пр.) между абонентами, можно обеспечить независимую в смысле взаимного прослушивания и взаимных помех связь между ними. При этом многоканальная, но разделенная во времени связь не требует увеличения мощности передатчика, тогда как одновременная передача независимой (разной) информации нескольким абонентам потребует увеличения этой мощности или сокращение скорости передачи информации.

Еще одним преимуществом данной системы по сравнению с обычными узкополосными является их слабая чувствительность к искажениям в условиях многолучевого распространения радиоволн. Данный эффект, обусловленный поступлением на приемную антенну как прямого сигнала от передатчика, так и сигналов, отразившихся от окружающих предметов, являются одним из важнейших факторов, ухудшающих условия радиоприема в любых системах. Образование искажений в таких каналах связано с наложением одного сигнала на другой с примерно равной амплитудой, но отличающегося по фазе. В результате происходит частичное или полное подавление одного луча другим. В настоящее время ни одна из традиционных технологий не способна бороться с отраженными сигналами, имеющими задержку в единицы наносекунд.

Для передачи в СШП системах применяются очень короткие импульсы, поэтому не возникают и межсимвольные искажения - энергия принятого импульса практически всегда успевает фактически полностью затухнуть до момента прихода его следующей копии.

Важнейшим критерием, характеризующим эффективность систем беспроводной связи, является высокая потенциальная удельная плотность передачи данных. Она определяется как величина достижимой суммарной скорости передачи данных на один квадратный метр рабочей зоны и имеет размерность «бит/с/». СШП системы имеют наивысшее на сегодняшний день значение этого показателя - порядка 1 Мбит/с/. Масштабность этой величины становится более ясной, если, например, указать, что у Bluetooth аналогичный параметр составляет всего 30кбит/с/. Преимущества СШП систем позволяют применять их в следующих областях:

Телекоммуникация. Здесь могут создаваться устройства как для работы внутри помещений, так и для связи на значительные расстояния. СШП устройства могут служить для соединения самых различных устройств (телефон, телевизор, компьютер и др.) и без труда способны обеспечить передачу видео, аудио и данных.

Радиолокация. В этой области широта поля действия для СШП - вообще необычайная: от авиационных радаров коммерческого и военного применения для получения радиоизображений и образов целей, портативных промышленных радаров для мониторинга и контроля процессов, до охранных систем и средств борьбы с терроризмом и преступностью, обеспечивающих получение изображений скрытых объектов и позволяющих решить задачи видения сквозь стены на расстояниях от единиц до сотен метров. Очень неплохо СШП вписываются и в медицинские приложения.

Задачи позиционирования. Возможность измерения расстояний с точностью до сантиметров позволяет широко использовать системы СШП для определения местоположения различных объектов, дистанционного управления транспортными средствами и промышленными работами.

Специальные (государственные и военные) применения.

Заключение

1. Создание и практическое использование сверхширокополосных систем - качественно новый скачок в развитии современных систем связи.

2. Системы с СШПС могут более успешно, чем узкополосные, решать следующие задачи: обнаружение и распознавание объектов (радиолокация); повышение объёма и скрытности передачи данных в радиосвязи; увеличение точности местоопределения в навигации.

3. Использование СШПС, ширина спектра которых соизмерима с их средней частотой, позволяет на более высоком информационном уровне решать целый комплекс задач, начиная с принципов приёма и обработки информации и кончая математическими методами синтеза и анализа РЭС.8

4. В системах связи на основе СШПС использование с помощью набора из N независимых (ортогональных) псевдослучайных сигналов позволит организовать работу N независимых каналов связи в одной и той же полосе частот без взаимных помех.

5. Применение СШПС позволит устранить недостатки систем радиосвязи, связанные с многолучевым распространением радиоволн. Например, с помощью сети опорных СШП радиостанций пользователи смогут определять своё местоположение в пределах зданий или других участков с мешающими отражениями, где обычные приёмники GPS не будут эффективно работать в условиях многолучевого распространения радиосигналов.

6. Применение сверхширокополосных сигналов в радиосвязи позволит резко повысить её надёжность и защищённость от несанкционированного проникновения, благодаря технологии расширения спектра (spreadspectrum).

Список используемой литературы

1 Дубровин В. С., Колесникова И. В. Особенности и возможности применения СШП

2 Астанин Л. Ю., Костылев А. А. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. - М.: Радио и связь, 1989,

3 Хармут X Ф. Несинусоидальные волны в радиолокации и радиосвязи: Пер. с англ.- М.: Радио и связь, 1985

4 http://www.electronics.ru/issue/2008/5/15/

5 Радзиевский В.Г., Трифонов П.А. Обработка сверхширокополосных сигналов и помех. - М.: Радиотехника, 2009. - 288с.

6 Дмитриев В. Технологии передачи информации с использованием сверхширокополосных сигналов. Компоненты и технологии, 2004, №1.

7 Лазоренко О.Ф., Черногор Л.Ф. Сверхширокополосные сигналы и физические процессы. - Радиофизика и радиоастрономия, 2008, т.13, с.166?194.

8 Иммореев И., Судаков А. Сверхширокополосные и узкополосные системы связи. Совместная работа в общей полосе частот // Электроника: НТБ. 2003. №2.

9 http://www.wireless-e.ru/articles/bluetooth/2007_1_6.php

10 Григорьев В.А., Лагутенко О.И., Распаев Ю.А. Сети и системы радиодоступа. - М.: Эко-Трендз, 2005. - 384с.

Размещено на Allbest.ru