ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.12.2023
Просмотров: 123
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Рис. 3.9: Схема передачи информации в системе с коммутацией пакетов
Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хране- ния пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. В этом случае пакет находится неко- торое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, он передается следующему коммутатору.
Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации траффи- ка и наиболее эффективно повышает пропускную способность системы связи в целом. Достоинства технологии коммутации пакетов:
• Высокая общая пропускная способность сети при передаче пульси- рующего траффика.
• Возможность динамически перераспределять пропускная способ- ность физических каналов связи между абонентами в соответствии с реальными потребностями их траффика.
• Сеть всегда готова передать данные абонента.
46
Недостатки технологии коммутации пакетов:
• Неопределенность скорости передачи данных между абонентами се- ти, обусловленная тем, что задержки в очередях буферов коммута- торов сети зависят от общей загрузки сети.
• Переменная величина задержки пакетов данных, которая может быть достаточно продолжительной в моменты перегрузок сети.
• Возможные потери данных из-за переполнения буферов коммутато- ров.
47
Лекция 4
Компоненты современных систем связи
Любая система связи подчиняется общим принципам построения и проектирования. В данной лекции мы рассмотрим структурную схему обобщенной системы связи и физический смысл каждого функциональ- ного блока в данной схеме.
Рис. 4.1: Структурная схема обобщенной системы связи
48
Некоторые блоки на указанной схеме могут быть необязательными для каждого конкретного случая: так, например, в случае, когда не ис- пользуется расширение спектра (технологии КРК), будут отсутствовать блоки расширения и сужения спектра; в общем случае необязательно про- ведение шифрования информации и т.д.
На вышеприведенной схеме возможно различить передающую часть
(верхний уровень) и приемную часть (нижний уровень), являющиеся во многом симметричными друг другу. Рассмотрим далее физический смысл каждой пары блоков, входящих в данную схему.
4.1 Физический смысл компонентов системы связи
4.1.1
Форматирование
Форматирование - процесс представления исходной информации в наиболее удобном для дальнейшей обработки виде. Пример форматиро- вания: разбивка исходного потока данных на структурные единицы: би- ты, блоки, фреймы, кадры и т.д. В процессе форматирования для ана- логовых сигналов могут учавствовать процессы дискретизации, т.е. пре- образования исходного непрерывного сигнала в последовательность от- счетов и квантования. В итоге на выходе процедуры форматирования на передающей стороне мы получаем, например, последовательность бит m
i
, i = 1 . . . N
. На приемной стороне процедура форматирования обес- печивает преобразование последовательности бит в сигнал, подходящий для получателя информации (например, в звуковой сигнал – речь).
4.1.2
Кодирование источника
Кодирование источника – процесс преобразования исходной последо- вательности бит в новую последовательность, например, в целях удаления избыточности. На данной стадии может производиться, например, опти- мальное кодирование кода - по Шеннону-Фано, Хаффману и т.д. На при- емной стороне симметричным блоком является декодирование источника,
извлекающее из закодированной посылки исходную последовательность бит. Данная стадия является в общем случае необязательной.
49
4.1.3
Шифрование
Шифрование – процесс закрытия информации от несанкционирован- ного доступа. Последовательность бит преобразуется по некоторым зако- нам; при этом обратное преобразование может осуществить лишь або- нент, знающий значение
ключа
для данных законов преобразования.
В зависимости от структуры используемых ключей методы шифрования подразделяются на симметричное и асимметричное шифрование.
• Симметричное шифрование: посторонним лицам может быть изве- стен алгоритм шифрования, но неизвестна небольшая порция сек- ретной информации – ключа, одинакового для отправителя и по- лучателя сообщения. Примерами таких систем являются системы шифрования DES
1
, Triple DES
2
(3DES), ГОСТ 28147-89 3
, Blowfish
4
и многие другие. Достоинства данных методов шифрования: высо- кая скорость по сравнению с алгоритмами асимметричного шиф- рования
5
и простота реализации. Недостатки – сложность обмена ключами: для применения необходимо решить проблему надежной передачи ключей каждому абоненту, так как нужен секретный ка- нал для передачи каждого ключа обеим сторонам.
• Асимметричное шифрование: посторонним лицам может быть изве- стен алгоритм шифрования, и, возможно, открытый ключ, но неиз- вестен закрытый ключ, известный только получателю. Ярким при- мером таких систем являются системы шифрования RCA
6
и ГОСТ
1
Data Encryption Standard - стандарт шифрования данных. Разработан компанией IBM и утвержден правительством США в 1977 году как официальный стандарт. На данный момент не является криптостойким из-за малой длины ключа (56 бит), который может быть взломан методом перебора ключа.
2
TripleDES - модификация DES с длиной ключа в 168 бит. Криптостойкость на данный момент находится под сомнением.
3
ГОСТ 28147-89 – советский и российский стандарт симметричного шифрования, введен- ный в 1990-м году. Истоки данного алгоритма восходят к одному из закрытых НИИ 70-х годов, подведомственных КГБ.
4
Blowfish – алгоритм, разработанный Брюсом Шнайером в 1993 году. Преимуществами
Blowfish являются скорость, простота, компактность и настраиваемая стойкость.
5
По данным Applied Cryptography - на три порядка выше.
6
Рональд Линн Райвест, Ади Шамир и Леонард Адлеман – абрревиатура по именам со- здателей алгоритма. Является первым криптографическим алгоритмом с открытым клю- чом; разработан в 1977 году и до сих пор используется в большом числе криптографических приложений. Криптостойкость высокая.
50
Р34.10-2001 7
Преимуществом асимметричных шифров перед сим- метричными является отсутствие необходимости предварительной передачи ключа по надежному каналу. Недостатки - существенно большее количество вычислительных ресурсов и
засвечивание
по- лучателя и отправителя самим фактом пересылки шифрованного сообщения. Из-за данных недостатков редко применяются в систе- мах связи.
Симметричным блоком на приемной стороне является блок дешифрова- ния, обеспечивающий раскрытие зашифрованной информации.
4.1.4
Канальное кодирование
Процедуры канального кодирования обеспечивают помехоустойчивое кодирование сообщения для обеспечения восстановления информации в случае ошибок; так называемое перемежение символов сообщения (об- мен местами символов – например, вначале идут первые символы всех кадров, затем вторые и т.д.), защищающее от пакетных ошибок (оши- бок, идущих подряд). Действительно, после выполнения операции депе- ремежения пакетная ошибка рассредотачивается по всей длине кода, что позволяет восстановить информацию в этом случае. Помехоустойчивыми являются так называемые блочные коды, сверточные коды; их комбина- ции – турбокоды и т.д. Перемежение также бывает нескольких видов –
сверточное и блочное. Симметричным блоком является блок канального декодирования, осуществляющий деперемежение закодированной посыл- ки и восстанавливающий исходную информационную посылку из закоди- рованной посылки. Данная стадия является обязательной в беспроводных системах радиодоступа в связи с значительным уровнем шумов и помех в таких системах. На выходе блока канального кодирования мы получаем канальные символы – итоговую последовательность бит.
4.1.5
Уплотнение
Уплотнение – операция комбинирования информационных потоков от нескольких однородных устройств. Другое название данной операции
- мультиплексирование. Данная операция всегда присутствует в сетях пе- редачи нижнего уровня, но достаточно редко в беспроводных системах
7
ГОСТ Р34.10-2001 – российский стандарт, описывающий алгоритмы формирования и проверки электронной подписи; введен в 2001-м году.
51
• Системы с перестройкой рабочей частоты (системы с перескоком частоты - с
прыгающей
частотой).
• Системы с перестройкой временного положения сигналов (с
пры- гающим
временем).
• Системы со смешанными методами расширения спектра.
Обратным блоком для блока расширения спектра является блок сужения спектра.
4.1.10
Блок обеспечения множественного доступа
В данном блоке реализуются технологии множественного доступа,
подробно рассмотренные в предыдущей лекции. Технологии множествен- ного доступа основаны на четырех базовых принципах разделения кана- лов, а также их комбинациях:
• Принцип ПРК (пространственное разделение каналов - SDMA).
• Принцип ЧРК (частотное разделение каналов - FDMA).
• Принцип ВРК (временное разделение каналов - TDMA).
• Принцип КРК (кодовое разделение каналов - CDMA).
Кодовое разделение каналов является наиболее перспективной техноло- гией множественного доступа на настоящий момент. Симметричным для блока обеспечения множественного доступа является блок выделения сиг- налов пользователей из группового сигнала.
4.1.11
ВЧ-тракт и среда распространения
Результирующий аналоговый сигнал передается в канал связи (среду распространения). После передачи по зашумленному каналу связи сигнал принимается в оконечный блок приемного тракта – на приемный комплекс антенн, далее поступает в ВЧ
11
-тракт приемника, в котором осуществля- ется базовое усиление сигнала, его аналоговая фильтрация, выравнивание
11
ВЧ - высокочастотная часть
54
Тема II
Теоретические основы функционирования радиоканала
56
Лекция 5
Основы распространения радиоволн
Рассмотрим соединительное звено между приемной и передающей частями любой АССиПД - среду распространения.
В рассматриваемых в данном курсе лекций АССиПД в качестве сре- ды распространения рассматривается воздушная среда по которой рас- пространяются электромагнитные волны от передатчика к приемнику.
Простейшим случаем распространения является так называемый случай
LOS
1
, определяемый также как распространение в свободном простран- стве. Интуитивно понятно, что необходимым
2
условием LOS является на- хождение приемника и передатчика в линии прямой видимости друг дру- га. Рассмотрим далее данный случай более подробно.
5.1 Модель распространения радиоволн в свободном пространстве
Итак, пусть приемная и передающая антенны находятся в пределах видимости друг друга; на достаточно большом расстоянии и среда распро- странения удовлетворяет прочим условиям распространения в свободном пространстве.
3
В случае фиксированной мощности сигнала передатчика сигнал, принимаемый приемной антенной ослабевает согласно закону рас- сеивания энергии в свободном пространстве, что и позволяет сформули- ровать модель распространения в свободном пространстве.
1
LOS - Line of Sight - линия прямой видимости
2
Но не достаточным!
3
Указанные условия будут отдельно рассмотрены в следующих пунктах.
57
5.1.1
Модель распространения в
свободном про- странстве
Указанная модель гласит, что мощность сигнала на приемной стороне является функцией от расстояния между приемником и передатчиком,
возведенной при этом в некоторую степень:
P
rec
=
P
trans
· K
trans
· K
rec
· Lλ
2 16π
2
d
γ
,
(5.1)
где d - расстояние между приемником и передатчиком (м.); λ =
c f
- дли- на волны (м.); K
rec и K
trans
– безразмерные величины - коэффициенты усиления
4
приемного и передающего АФУ
5
; P
rec и P
trans
– мощности сиг- нала на входе приемника и на выходе передатчика, соответственно (Вт);
γ
– коэффициент условий среды распространения, приведен в следующей таблице; 0 ≤ L ≤ 1 - совокупный коэффициент затухания, обусловленный прочими факторами канала связи и среды распространения.
Рис. 5.1: Значения коэффициента γ условий среды распространения
Из выражения 5.1 возможно видеть, что при повышении частоты радиоволны в N
λ
раз мощность на приемной стороне падает в N
2
λ
раз.
4
Включая КПД антенно-фидерного устройства (тракта). Фидер - линия передачи (в про- стейшем случае-кабель) от источника (либо приемника) электромагнитных колебаний до антенны.
5
Антенно-фидерного устройства.
58
Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хране- ния пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. В этом случае пакет находится неко- торое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, он передается следующему коммутатору.
Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации траффи- ка и наиболее эффективно повышает пропускную способность системы связи в целом. Достоинства технологии коммутации пакетов:
• Высокая общая пропускная способность сети при передаче пульси- рующего траффика.
• Возможность динамически перераспределять пропускная способ- ность физических каналов связи между абонентами в соответствии с реальными потребностями их траффика.
• Сеть всегда готова передать данные абонента.
46
Недостатки технологии коммутации пакетов:
• Неопределенность скорости передачи данных между абонентами се- ти, обусловленная тем, что задержки в очередях буферов коммута- торов сети зависят от общей загрузки сети.
• Переменная величина задержки пакетов данных, которая может быть достаточно продолжительной в моменты перегрузок сети.
• Возможные потери данных из-за переполнения буферов коммутато- ров.
47
Лекция 4
Компоненты современных систем связи
Любая система связи подчиняется общим принципам построения и проектирования. В данной лекции мы рассмотрим структурную схему обобщенной системы связи и физический смысл каждого функциональ- ного блока в данной схеме.
Рис. 4.1: Структурная схема обобщенной системы связи
48
Некоторые блоки на указанной схеме могут быть необязательными для каждого конкретного случая: так, например, в случае, когда не ис- пользуется расширение спектра (технологии КРК), будут отсутствовать блоки расширения и сужения спектра; в общем случае необязательно про- ведение шифрования информации и т.д.
На вышеприведенной схеме возможно различить передающую часть
(верхний уровень) и приемную часть (нижний уровень), являющиеся во многом симметричными друг другу. Рассмотрим далее физический смысл каждой пары блоков, входящих в данную схему.
4.1 Физический смысл компонентов системы связи
4.1.1
Форматирование
Форматирование - процесс представления исходной информации в наиболее удобном для дальнейшей обработки виде. Пример форматиро- вания: разбивка исходного потока данных на структурные единицы: би- ты, блоки, фреймы, кадры и т.д. В процессе форматирования для ана- логовых сигналов могут учавствовать процессы дискретизации, т.е. пре- образования исходного непрерывного сигнала в последовательность от- счетов и квантования. В итоге на выходе процедуры форматирования на передающей стороне мы получаем, например, последовательность бит m
i
, i = 1 . . . N
. На приемной стороне процедура форматирования обес- печивает преобразование последовательности бит в сигнал, подходящий для получателя информации (например, в звуковой сигнал – речь).
4.1.2
Кодирование источника
Кодирование источника – процесс преобразования исходной последо- вательности бит в новую последовательность, например, в целях удаления избыточности. На данной стадии может производиться, например, опти- мальное кодирование кода - по Шеннону-Фано, Хаффману и т.д. На при- емной стороне симметричным блоком является декодирование источника,
извлекающее из закодированной посылки исходную последовательность бит. Данная стадия является в общем случае необязательной.
49
4.1.3
Шифрование
Шифрование – процесс закрытия информации от несанкционирован- ного доступа. Последовательность бит преобразуется по некоторым зако- нам; при этом обратное преобразование может осуществить лишь або- нент, знающий значение
ключа
для данных законов преобразования.
В зависимости от структуры используемых ключей методы шифрования подразделяются на симметричное и асимметричное шифрование.
• Симметричное шифрование: посторонним лицам может быть изве- стен алгоритм шифрования, но неизвестна небольшая порция сек- ретной информации – ключа, одинакового для отправителя и по- лучателя сообщения. Примерами таких систем являются системы шифрования DES
1
, Triple DES
2
(3DES), ГОСТ 28147-89 3
, Blowfish
4
и многие другие. Достоинства данных методов шифрования: высо- кая скорость по сравнению с алгоритмами асимметричного шиф- рования
5
и простота реализации. Недостатки – сложность обмена ключами: для применения необходимо решить проблему надежной передачи ключей каждому абоненту, так как нужен секретный ка- нал для передачи каждого ключа обеим сторонам.
• Асимметричное шифрование: посторонним лицам может быть изве- стен алгоритм шифрования, и, возможно, открытый ключ, но неиз- вестен закрытый ключ, известный только получателю. Ярким при- мером таких систем являются системы шифрования RCA
6
и ГОСТ
1
Data Encryption Standard - стандарт шифрования данных. Разработан компанией IBM и утвержден правительством США в 1977 году как официальный стандарт. На данный момент не является криптостойким из-за малой длины ключа (56 бит), который может быть взломан методом перебора ключа.
2
TripleDES - модификация DES с длиной ключа в 168 бит. Криптостойкость на данный момент находится под сомнением.
3
ГОСТ 28147-89 – советский и российский стандарт симметричного шифрования, введен- ный в 1990-м году. Истоки данного алгоритма восходят к одному из закрытых НИИ 70-х годов, подведомственных КГБ.
4
Blowfish – алгоритм, разработанный Брюсом Шнайером в 1993 году. Преимуществами
Blowfish являются скорость, простота, компактность и настраиваемая стойкость.
5
По данным Applied Cryptography - на три порядка выше.
6
Рональд Линн Райвест, Ади Шамир и Леонард Адлеман – абрревиатура по именам со- здателей алгоритма. Является первым криптографическим алгоритмом с открытым клю- чом; разработан в 1977 году и до сих пор используется в большом числе криптографических приложений. Криптостойкость высокая.
50
Р34.10-2001 7
Преимуществом асимметричных шифров перед сим- метричными является отсутствие необходимости предварительной передачи ключа по надежному каналу. Недостатки - существенно большее количество вычислительных ресурсов и
засвечивание
по- лучателя и отправителя самим фактом пересылки шифрованного сообщения. Из-за данных недостатков редко применяются в систе- мах связи.
Симметричным блоком на приемной стороне является блок дешифрова- ния, обеспечивающий раскрытие зашифрованной информации.
4.1.4
Канальное кодирование
Процедуры канального кодирования обеспечивают помехоустойчивое кодирование сообщения для обеспечения восстановления информации в случае ошибок; так называемое перемежение символов сообщения (об- мен местами символов – например, вначале идут первые символы всех кадров, затем вторые и т.д.), защищающее от пакетных ошибок (оши- бок, идущих подряд). Действительно, после выполнения операции депе- ремежения пакетная ошибка рассредотачивается по всей длине кода, что позволяет восстановить информацию в этом случае. Помехоустойчивыми являются так называемые блочные коды, сверточные коды; их комбина- ции – турбокоды и т.д. Перемежение также бывает нескольких видов –
сверточное и блочное. Симметричным блоком является блок канального декодирования, осуществляющий деперемежение закодированной посыл- ки и восстанавливающий исходную информационную посылку из закоди- рованной посылки. Данная стадия является обязательной в беспроводных системах радиодоступа в связи с значительным уровнем шумов и помех в таких системах. На выходе блока канального кодирования мы получаем канальные символы – итоговую последовательность бит.
4.1.5
Уплотнение
Уплотнение – операция комбинирования информационных потоков от нескольких однородных устройств. Другое название данной операции
- мультиплексирование. Данная операция всегда присутствует в сетях пе- редачи нижнего уровня, но достаточно редко в беспроводных системах
7
ГОСТ Р34.10-2001 – российский стандарт, описывающий алгоритмы формирования и проверки электронной подписи; введен в 2001-м году.
51
связи. Обратная операция на приемной стороне – разуплотнение (демуль- типлексирование); на выходе данного блока по прежнему последователь- ность бит.
4.1.6
Синхронизация
Во всех блоках, в которых происходит работа с цифровыми данными вплотную встает проблема синхронизации работы: как тактовой, т.е., ка- ким образом блоки будут запускаться по входной тактовой частоте; так и кадровой и более высокого уровня – каким образом происходит
вы- равнивание
битовых блоков в каждой из структурных единиц схемы.
Существует широкий перечень методов и средств синхронизации; пробле- матика ее осуществления является одной из определяющих в современ- ных системах передачи данных. Значительно более легко синхронизация осуществляется в блоках, работающих с аналоговыми сигналами: такие блоки сами
понимают
, когда необходимо входить в синхронизм.
4.1.7
Импульсная модуляция
Для передачи последовательности бит в аналоговой форме использу- ются методы низкочастотной или импульсной модуляции. В импульсной модуляции для передачи бит используются электрические импульсы, пре- образующиеся далее в аналоговый сигнал.
Рис. 4.2: Пример работы импульсной модуляции
Существует множество видов импульсной модуляции, базирующихся на общих концепциях ЧИМ, ФИМ и ШИМ (частотно-импульсной, фазово- импульсной и широтно-импульсной модуляции) и смешанных видов моду-
52
4.1.6
Синхронизация
Во всех блоках, в которых происходит работа с цифровыми данными вплотную встает проблема синхронизации работы: как тактовой, т.е., ка- ким образом блоки будут запускаться по входной тактовой частоте; так и кадровой и более высокого уровня – каким образом происходит
вы- равнивание
битовых блоков в каждой из структурных единиц схемы.
Существует широкий перечень методов и средств синхронизации; пробле- матика ее осуществления является одной из определяющих в современ- ных системах передачи данных. Значительно более легко синхронизация осуществляется в блоках, работающих с аналоговыми сигналами: такие блоки сами
понимают
, когда необходимо входить в синхронизм.
4.1.7
Импульсная модуляция
Для передачи последовательности бит в аналоговой форме использу- ются методы низкочастотной или импульсной модуляции. В импульсной модуляции для передачи бит используются электрические импульсы, пре- образующиеся далее в аналоговый сигнал.
Рис. 4.2: Пример работы импульсной модуляции
Существует множество видов импульсной модуляции, базирующихся на общих концепциях ЧИМ, ФИМ и ШИМ (частотно-импульсной, фазово- импульсной и широтно-импульсной модуляции) и смешанных видов моду-
52
ляции. На выходе импульсной модуляции мы получаем низкочастотный аналоговый сигнал g(t) - так называемый видеосигнал. Обратным бло- ком для блока импульсной модуляции является блок детектора, преобра- зующего огибающую аналогового, либо дискретизированного сигнала в импульсы и далее в последовательность бит.
4.1.8
Полосовая модуляция
Под полосовой модуляцией понимается процесс переноса низкоча- стотного сигнала g(t) в область высоких частот. Как правило, в ка- честве переносчика информации используется гармоническое колебание s(t) = Acos(2πf
0
t + φ)
, основными параметрами которого, доступными для модуляции, являются амплитуда A, частота f
0
и фаза φ. Соответ- ственно, различают амплитудную (АМ), частотную (ЧМ), фазовую (ФМ)
и комбинированные методы модуляции (например, КАМ)/ В системах беспроводной связи очень часто используют ФМ-методы модуляции; в системах беспроводной связи – ЧМ и АФМ. АМ-методы использовались преимумщественно в ранних системах связи; на данный момент в чистом виде практически не используются из-за своих низких характеристик.
Обратным блоком для блока полосовой модуляции является блок де- модуляции и дискретизации
. На выходе блока полосовой модуляции мы получаем высокочастотный цифровой полосовой сигнал - так называ- емый радиосигнал.
4.1.9
Расширение спектра
В системах связи военного сектора с 60-х годов, а также в коммер- ческих системах начиная с середины 90-х начинают применяться техно- логии расширения спектра
8
. Расширение спектра – технический прием,
увеличивающий полосу радиосигнала в N
wide раз.
В зависимости от архитектуры и используемых видов модуляции си- стемы с расширенным спектром могут быть разделены на следующие ос- новные группы:
• Системы с прямым расширением спектра на основе ПСП
9
(т.н. си- стемы DS-CDMA
10
).
8
В частности, для реализации принципов кодового разделения каналов - CDMA.
9
ПСП - псевдослучайная последовательность.
10
Direct Sequence CDMA - CDMA с ПСП.
53
4.1.8
Полосовая модуляция
Под полосовой модуляцией понимается процесс переноса низкоча- стотного сигнала g(t) в область высоких частот. Как правило, в ка- честве переносчика информации используется гармоническое колебание s(t) = Acos(2πf
0
t + φ)
, основными параметрами которого, доступными для модуляции, являются амплитуда A, частота f
0
и фаза φ. Соответ- ственно, различают амплитудную (АМ), частотную (ЧМ), фазовую (ФМ)
и комбинированные методы модуляции (например, КАМ)/ В системах беспроводной связи очень часто используют ФМ-методы модуляции; в системах беспроводной связи – ЧМ и АФМ. АМ-методы использовались преимумщественно в ранних системах связи; на данный момент в чистом виде практически не используются из-за своих низких характеристик.
Обратным блоком для блока полосовой модуляции является блок де- модуляции и дискретизации
. На выходе блока полосовой модуляции мы получаем высокочастотный цифровой полосовой сигнал - так называ- емый радиосигнал.
4.1.9
Расширение спектра
В системах связи военного сектора с 60-х годов, а также в коммер- ческих системах начиная с середины 90-х начинают применяться техно- логии расширения спектра
8
. Расширение спектра – технический прием,
увеличивающий полосу радиосигнала в N
wide раз.
В зависимости от архитектуры и используемых видов модуляции си- стемы с расширенным спектром могут быть разделены на следующие ос- новные группы:
• Системы с прямым расширением спектра на основе ПСП
9
(т.н. си- стемы DS-CDMA
10
).
8
В частности, для реализации принципов кодового разделения каналов - CDMA.
9
ПСП - псевдослучайная последовательность.
10
Direct Sequence CDMA - CDMA с ПСП.
53
• Системы с перестройкой рабочей частоты (системы с перескоком частоты - с
прыгающей
частотой).
• Системы с перестройкой временного положения сигналов (с
пры- гающим
временем).
• Системы со смешанными методами расширения спектра.
Обратным блоком для блока расширения спектра является блок сужения спектра.
4.1.10
Блок обеспечения множественного доступа
В данном блоке реализуются технологии множественного доступа,
подробно рассмотренные в предыдущей лекции. Технологии множествен- ного доступа основаны на четырех базовых принципах разделения кана- лов, а также их комбинациях:
• Принцип ПРК (пространственное разделение каналов - SDMA).
• Принцип ЧРК (частотное разделение каналов - FDMA).
• Принцип ВРК (временное разделение каналов - TDMA).
• Принцип КРК (кодовое разделение каналов - CDMA).
Кодовое разделение каналов является наиболее перспективной техноло- гией множественного доступа на настоящий момент. Симметричным для блока обеспечения множественного доступа является блок выделения сиг- налов пользователей из группового сигнала.
4.1.11
ВЧ-тракт и среда распространения
Результирующий аналоговый сигнал передается в канал связи (среду распространения). После передачи по зашумленному каналу связи сигнал принимается в оконечный блок приемного тракта – на приемный комплекс антенн, далее поступает в ВЧ
11
-тракт приемника, в котором осуществля- ется базовое усиление сигнала, его аналоговая фильтрация, выравнивание
11
ВЧ - высокочастотная часть
54
частотных искажений и пр. В общем случае канал связи представляет со- бой динамическую систему, которая описывается следующим образом:
g
S(t) = S(t) · h(t) + I
outer
(t) + I
inner
(t) + n(t),
(4.1)
где g
S(t)
- сигнал на приемной стороне; S(t) - сигнал на передающей сто- роне; h(t) - переходная характеристика
12
канала связи; I
outer
- внешние помехи в канале связи; I
inner
- внутренние шумы системы; n(t) - сово- купность внешних шумов (теплового шума, электро-магнитного фона и пр.).
12
Переходная характеристика (или импульсная переходная характеристика) - выходной сигнал динамической системы как реакция на входной сигнал в виде последовательности отсчетов (в пределе - дельта-функций Дирака).
55
g
S(t) = S(t) · h(t) + I
outer
(t) + I
inner
(t) + n(t),
(4.1)
где g
S(t)
- сигнал на приемной стороне; S(t) - сигнал на передающей сто- роне; h(t) - переходная характеристика
12
канала связи; I
outer
- внешние помехи в канале связи; I
inner
- внутренние шумы системы; n(t) - сово- купность внешних шумов (теплового шума, электро-магнитного фона и пр.).
12
Переходная характеристика (или импульсная переходная характеристика) - выходной сигнал динамической системы как реакция на входной сигнал в виде последовательности отсчетов (в пределе - дельта-функций Дирака).
55
Тема II
Теоретические основы функционирования радиоканала
56
Лекция 5
Основы распространения радиоволн
Рассмотрим соединительное звено между приемной и передающей частями любой АССиПД - среду распространения.
В рассматриваемых в данном курсе лекций АССиПД в качестве сре- ды распространения рассматривается воздушная среда по которой рас- пространяются электромагнитные волны от передатчика к приемнику.
Простейшим случаем распространения является так называемый случай
LOS
1
, определяемый также как распространение в свободном простран- стве. Интуитивно понятно, что необходимым
2
условием LOS является на- хождение приемника и передатчика в линии прямой видимости друг дру- га. Рассмотрим далее данный случай более подробно.
5.1 Модель распространения радиоволн в свободном пространстве
Итак, пусть приемная и передающая антенны находятся в пределах видимости друг друга; на достаточно большом расстоянии и среда распро- странения удовлетворяет прочим условиям распространения в свободном пространстве.
3
В случае фиксированной мощности сигнала передатчика сигнал, принимаемый приемной антенной ослабевает согласно закону рас- сеивания энергии в свободном пространстве, что и позволяет сформули- ровать модель распространения в свободном пространстве.
1
LOS - Line of Sight - линия прямой видимости
2
Но не достаточным!
3
Указанные условия будут отдельно рассмотрены в следующих пунктах.
57
5.1.1
Модель распространения в
свободном про- странстве
Указанная модель гласит, что мощность сигнала на приемной стороне является функцией от расстояния между приемником и передатчиком,
возведенной при этом в некоторую степень:
P
rec
=
P
trans
· K
trans
· K
rec
· Lλ
2 16π
2
d
γ
,
(5.1)
где d - расстояние между приемником и передатчиком (м.); λ =
c f
- дли- на волны (м.); K
rec и K
trans
– безразмерные величины - коэффициенты усиления
4
приемного и передающего АФУ
5
; P
rec и P
trans
– мощности сиг- нала на входе приемника и на выходе передатчика, соответственно (Вт);
γ
– коэффициент условий среды распространения, приведен в следующей таблице; 0 ≤ L ≤ 1 - совокупный коэффициент затухания, обусловленный прочими факторами канала связи и среды распространения.
Рис. 5.1: Значения коэффициента γ условий среды распространения
Из выражения 5.1 возможно видеть, что при повышении частоты радиоволны в N
λ
раз мощность на приемной стороне падает в N
2
λ
раз.
4
Включая КПД антенно-фидерного устройства (тракта). Фидер - линия передачи (в про- стейшем случае-кабель) от источника (либо приемника) электромагнитных колебаний до антенны.
5
Антенно-фидерного устройства.
58