Понятие радиочастотной связи с расширенным спектром
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:
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»:
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:
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:
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.