Понятие радиочастотной связи с расширенным спектром

Добавлено 8 июля 2018 в 11:51

Рассмотрим интересную технологию, которая может сделать беспроводную связь более надежной и устойчивой.

Во всем этом миниучебнике мы визуализировали радиочастотные сигналы и в виде формы волны во временной области, и в виде различных фигур в частотной области. Эти фигуры часто были высокими и узкими, что указывает на то, что большое количество передаваемой энергии сосредоточено в относительно небольшом диапазоне частот:

Типовой спектр передаваемого сигнала
Типовой спектр передаваемого сигнала

Оказывается, мы также можем создавать совершенно другой вид спектра, а именно более широкий и низкий. Другими словами, мы можем изменить радиочастотную схему таким образом, чтобы она генерировала сигнал, передаваемая мощность которого распределялась бы по более широкому диапазону частот. Эти сигналы соответствующим образом описываются как сигналы с «расширенным спектром»:

Спектр сигнала с расширенным спектром
Спектр сигнала с расширенным спектром

Важно понимать, что общая передаваемая мощность не уменьшается. Но изменяется пиковая мощность, поскольку передаваемая мощность распределяется по более широкой полосе частот.

Как расширить спектр

Изменение стандартного радиочастотного сигнала на сигнал с расширенным спектром – это процесс обмена пиковой мощности на полосу частот. Однако для снижения пиковой мощности нам не нужно предпринимать никаких конкретных действий: если всё остальное в цепи останется неизменным, общая передаваемая мощность также останется неизменной. Всё, что нам нужно сделать, это увеличить ширину полосы частот сигнала, и естественным результатом будет распределение доступной радиочастотной энергии в более широком и низком спектре, подобном показанному выше.

Из предыдущих статей нам известно, что ширина полосы радиосигнала соответствует самым высоким частотам, присутствующим в низкочастотном (модулирующем) сигнале. В статье про амплитудную модуляцию мы видели, как положительная и отрицательная частоты спектра базовой полосы сдвигаются вверх, формируя спектр, центрированный относительно несущей частоты. Таким образом, если мы используем более высокие частоты в сигнале основной полосы, ширина полосы частот модулированного сигнала будет увеличиваться. То есть мы можем расширить спектр, включив более высокие частоты в модулирующий сигнал. Но как это сделать, не изменяя информацию в основной полосе частот?

Решение представляет собой нечто, называемое расширяющей последовательностью, также известной как псевдошумовой (PN, pseudo-noise) код или псевдослучайный шумовой (PRN, pseudo-random-noise) код. Это цифровая последовательность, которая призвана напоминать случайную последовательность нулей и единиц. Сигнал основной полосы умножается на расширяющую последовательность, за исключением того, что логический нуль обрабатывается как минус единица, так что форма сигнала не изменяется во время периодов с высоким логическим уровнем и инвертируется во время периодов с низким логическим уровнем. Следующий рисунок демонстрирует этот процесс:

Результат применения расширяющей последовательности
Результат применения расширяющей последовательности

Как вы можете видеть, частота PN-кода (называемая «чиповой скоростью», поскольку каждый импульс называется «чипом»), выше частоты сигнала основной полосы. Мы можем интуитивно признать, что измельчение сигнала основной полосы таким образом добавит высокочастотную энергию, и фактически коэффициент, на который спектр расширяется, равен отношению чиповой скорости к скорости передачи данных в основной полосе.

Как де-расширить спектр

Теперь мы увеличили ширину полосы частот сигнала основной полосы и, следовательно, передаваемого сигнала, но информация, по-видимому, серьезно изменилась. Как мы восстановим данные, которые были изначально закодированы в сигнале основной полосы? На самом деле, это довольно просто (по крайней мере, теоретически): всё, что нам нужно сделать, – это умножить полученный сигнал на тот же PN-код. Секции, которые передатчик умножил на единицу, будут снова умножаться на единицу (то есть они остаются неизменными), а секции, которые были инвертированы, будут инвертированы еще раз (то есть будут возвращены в исходное состояние).

Зачем расширять спектр?

Процедура, описанная выше, может показаться излишним усложнением, но в определенных ситуациях это стоит того. Основное преимущество может быть точно описано как «избирательность»: связь с расширенным спектром дает приемнику бо́льшие возможности выбирать необходимый сигнал из числа других различных сигналов, которые могут присутствовать в соответствующей полосе частот.

Эта селективность возникает из-за интересного эффекта умножения принятых сигналов на PN-код: это умножение в приемнике будет декодировать только необходимый сигнал или, более конкретно, только сигнал, который первоначально был умножен на тот же PN-код. Если нежелательный сигнал имеет узкополосный (т.е. нерасширенный) спектр, PN-код будет расширять его. Если нежелательный сигнал имеет расширенный спектр, который был создан другим PN-кодом, инвертированные и неинвертированные секции не будут совпадать с единицами и нулями и, следовательно, не будут восстановлены в исходное состояние.

Рассмотрим сначала, как расширение спектра делает систему устойчивой к глушению и помехам. Если на частоте, близкой к центральной частоте нерасширенного спектра, передается сильный мешающий сигнал, то приемнику будет трудно отделить помехи от необходимого сигнала. Но если перед передачей спектр расширяется, операция де-расширения будет расширять спектр сигнала помехи и восстанавливать спектр необходимого сигнала, что приводит к снижению уровня помех:

Повышение избирательности при использовании расширения спектра
Повышение избирательности при использовании расширения спектра

Такая же концепция применима к беспроводным системам, в которых несколько устройств должны делить между собой ограниченный диапазон доступных частот. Такие системы могут использовать различные способы минимизации проблем, связанных с помехами, и одним из них является связь с расширенным спектром. Различные устройства могут совместно использовать одну и ту же полосу, и их спектры могут перекрываться; приемник выбирает необходимый сигнал с помощью PN-кода, который будет де-расширять только спектр необходимого сигнала.

Скачкообразная перестройка частоты

Технология расширения спектра, которую мы обсуждали до сих пор, называется расширением спектра методом прямой последовательности (DSSS, direct-sequence spread spectrum). Альтернативный подход заключается в поддержании узкополосного характера передаваемых сигналов, но с периодическим изменением частоты несущей. Это называется скачкообразной перестройкой частоты, и оно достигает аналогичного уменьшения пиковой мощности, если передачи усредняются с течением времени. Подобно DSSS, этот метод предлагает улучшенную устойчивость к помехам, поскольку мешающий сигнал больше не повреждает необходимый сигнал после того, как связанные устройства переключились на новую несущую частоту.

Резюме

  • Сигнал с расширенным спектром может быть создан путем умножения существующего сигнала основной полосы на расширяющую последовательность, также известную как PN-код.
  • Исходный сигнал восстанавливается путем умножения сигнала с расширенным спектром на тот же PN-код.
  • Сигнал с расширенным спектром имеет более низкую пиковую мощность, такую же общую мощность и более широкую полосу частот. Другими словами, доступная мощность передачи распределяется по более широкому диапазону частот.
  • Технологии расширения спектра делают систему более устойчивой к глушению и помехам.
  • Аналогичные результаты могут быть получены путем периодического изменения несущей частоты сигнала; этот подход называется скачкообразной перестройкой частоты.

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.


Сообщить об ошибке