CC BY
107
УДК 621.391.1
МУЛЬТИПЛИКАТИВНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ КОДОВ БАРКЕРА 1 2 © В.Е. Засенко1, Л.В. Просвирякова2
Иркутский государственный технический университет,
664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Показана возможность разложения последовательностей Баркера на составляющие U и V, обладающие мультипликативными свойствами. Найдены структуры составляющих U и V для всех кодов Баркера. Приведена схема устройства для генерации найденных последовательностей.
Ил. 5. Табл. 2. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: коды; манипуляция; шумоподобные последовательности Баркера.
MULTIPLICATIVE COMPONENTS OF BARKER CODES V.E. Zasenko, L.V. Prosviryakova
Irkutsk State Technical University,
83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article presents the resolution possibility of Barker codes into U and V components with multiplicative properties. The structures of the U and V components are found for all Barker codes. The structure diagram for found seq uence generation is given.
5 figures. 1 table. 4 sources.
Key words: codes; manipulation; noise-like Barker codes.
Широкополосные шумоподобные сигналы, широко применяемые в технике связи в последние десятилетия, являются примером рационального использования частотных диапазонов, отводимых для передачи информации. Одним из представителей широкополосных шумоподобных сигналов можно считать сигналы, получаемые на основе последовательностей Баркера [1].
На первый взгляд, применение широкополосных сигналов не подходит для целей рационального использования частотных ресурсов. Передача информационного бита при широкополосной передаче производится путем дробления элементарного импульса, отображающего этот бит, на более короткие импульсы - чипы, передаваемые с более высокой тактовой частотой. При этом ширина спектра определяется длительностью применяемого чипа, а форма получаемого спектра - порядком следования единичных и нулевых чипов, заполняющих бит информации. Применение широкополосных сигналов позволяет применять селекцию по форме сигнала, что позволяет на занимаемой полосе частот размещать другие широкополосные сигналы, отличающиеся по форме. Максимально допустимое число одновременно работающих широкополосных систем в заданном диапазоне частот практически такое же, как и количество традиционных систем, работающих по принципу частотного разделения каналов. Примером может служить система сотовой связи стандарта CDMA [1].
Широкополосные сигналы с успехом применяются в каналах связи, обладающих многолучевым характером распространения сигнала. Сжатие временной структуры сигнала в короткий импульс при соответствующей ширине полосы сигнала позволяет выделять отдельные лучи многолучевого сигнала и использовать их для повышения помехоустойчивости системы передачи информации.
Последовательности Баркера обладают тем замечательным свойством, что их автокорреляционная функция имеет максимум равный N где N - количество чипов в сигнале, а боковые лепестки не превышают значения Ш как для одиночных последовательностей, так и для периодически повторяющихся импульсов, кодированных этими последовательностями. Причем, уровень боковых лепестков не превышает значения ±Ш и в том случае, если в повторяющейся последовательности в произвольном порядке происходит чередование прямых и инверсных последовательностей Баркера. Это свойство полезно для осуществления метода прямого расширения спектра сложными сигналами.
Рассмотрим в качестве примера передачу фрагмента цифровой информации
0,0,0,1,0,0,1,1,0,1,0,1,1,1,0,0,0,1,0,0 методом расширения спектра кодовой последовательностью Баркера с N = 7. Для передачи логической единицы используется прямая последовательность Баркера, а логический нуль передается этой же, но инверсной последовательностью.
1Засенко Владимир Ефремович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем, тел.: 79148766342, e-mail: vezas@yandex.ru
Zasenko Vladimir, Candidate of Physical and Mathematical sciences, Associate Professor of the Department of Radio Electronics and Telecommunications Systems, tel.: 79148766342, e-mail: vezas@yandex.ru
2Просвирякова Лариса Владимировна, старший преподаватель кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем, тел.: 79501401451, e-mail: lar_prosv@mail.ru
Prosviryakova Larisa, Senior Lecturer of the Department of Radio Electronics and Telecommunications Systems, tel.: 79501401451, email: lar_prosv@mail.ru
I I I Рис. 1
На рис.1 приведена осциллограмма выходного сигнала согласованного фильтра, используемого для обработки принятого широкополосного сигнала.
Действительно, из осциллограммы видно, что амплитуда боковых лепестков нормированной корреляционной функции при случайных комбинациях нулевых и единичных бит информации не превышает значений ±1. Заметим, что если применять для целей расширения спектра сигнала отрезки М-последовательностей, то уровень боковых лепестков будет достигать до четверти главного максимума корреляционной функции.
Метод прямого расширения спектра с помощью последовательности Баркера с длительностью N = 11 используется, например, в беспроводной технологии передачи информации стандарта 1ЕЕЕ 802.11.
Цель данной работы заключается в том, чтобы показать новый подход к формированию кодов Баркера, позволяющий формировать сигналы, кодированные кодами Баркера, с другими видами модуляции и в частности с минимальной частотной манипуляцией без разрыва фазы.
Обычно коды Баркера используются с фазовой манипуляцией несущей частоты. Фазовая манипуляция, обладающая по теоретическим оценкам самой высокой помехоустойчивостью, имеет недостаток, который называется негативной работой. Негативная работа проявляется в том, что из-за использования для передачи двоичных посылок отрезков несущей частоты с абсолютными значениями фазы 00 и 1800 на приеме может регистрироваться процесс, при котором нулевые биты информации принимаются за единичные, а единичные - за нулевые.
Явление негативной работы являлось главной причиной того, что фазовая манипуляция практически не использовалась. Положение изменилось после изобретения в начале 50-х годов прошлого столетия советским ученым Н.Т. Петровичем фазоразностной модуляции, свободной от негативной работы и обладающей всеми положительными качествами фазовой. В настоящее время фазоразностная или относительно-фазовая модуляция находит широкое применение в системах передачи цифровой информации, в иностранных источниках этот вид модуляции называют дифференциальной.
Однако ничего не дается даром, фазоразностная модуляция требует передачи дополнительного символа, относительно фазы которого принимается решение о фазе последующего символа передаваемой информации. Наличие такого символа также создает неудобства в использовании, замедляется скорость передачи информации, нарушается форма сигнала.
Последнее касается широкополосных сигналов, к которым относятся и сигналы, манипулированные в соответствии с кодами Баркера, они не могут передаваться методом относительной фазовой манипуляции.
В последние годы широкое применение для цифровой передачи информации получила минимальная частотная манипуляция без разрыва фазы с индексом модуляции 0,5 [1].
Используемый принцип манипуляции предусматривает непрерывность фазы колебания, это значит, что начальная фаза посылки, передаваемой на текущем тактовом интервале, зависит от начальной фазы посылки, передаваемой на предыдущем тактовом интервале, и начальных фаз всех других ранее переданных посылок. Другими словами, в сигнале, полученном в результате минимальной частотной манипуляции без разрыва фазы, существует межсимвольная связь. Наличие межсимвольной связи дает основание считать, что рассматриваемая модуляция обладает памятью [2]. Эта память создается искусственным образом, и связано это с тем, что для поддержания непрерывности фазы при смене единичного бита нулевым (знак девиации частоты с положительного изменяется на отрицательный) или наоборот нулевого единичным (частота девиации изменяется с отрицательного значения на положительное) смена знака девиации частоты производится на той квадратурной компоненте, которая в нужный момент смены информационного бита принимает значение, равное нулю. Обязательным условием осуществления минимальной частотной манипуляции с непрерывной фазой и индексом модуляции т = 0,5 является выполнение равенства периода частоты девиации четырехкратной длительности элементарного импульса, Тд = 4Тэ. От значения индекса модуляции зависит скорость изменения фазы. При таком соотношении длительности элементарного импульса и периода частоты девиации за время длительности импульса Тэ фаза несущего колебания изменяется на величину ±900. Под термином элементарный импульс в данном случае будем понимать длительность чипа расширяющей последовательности Баркера, которая в N раз меньше длительности бита передаваемой информации.
Для передачи единичного бита расширяющей последовательности Баркера используется положительный знак девиации частоты. Вектор сигнала поднесу-щей частоты, которая равна частоте девиации, вынуждают вращаться против часовой стрелки, что совпадает с направлением вращения вектора несущей частоты и увеличивает его угловую скорость вращения.
Нулевой бит расширяющей последовательности Баркера передается более низкой, относительно не-модулированной несущей частотой, которая получается при отрицательном знаке частоты девиации, -отрицательная частота. При этом вектор сигнала под-несущей частоты вынуждают вращаться против часовой стрелки, что противоположно направлению вращения вектора несущей частоты и замедляет его угловую скорость вращения.
Сигнал, манипулированный методом минимальной частотной манипуляции с непрерывной фазой, свободен от недостатка фазовой манипуляции - негативной работы (более высокую частоту трудно принять за более низкую). Применение минимальной частотной манипуляции для сложных сигналов, используемых для расширения спектра, позволяет получать два противоположных сигнала, прямой и инверсный код Баркера, пригодные для передачи двоичной информации.
Принципиальное отличие минимальной частотной манипуляции с непрерывной фазой от классических видов манипуляции заключается в принципиально ином характере изменения модулируемого параметра несущей частоты. При этом виде модуляции скачком изменяется знак слагаемого полной фазы сигнала, ответственного за фазовую модуляцию (знак крутизны фазовой характеристики), или в конечном итоге знак девиации несущей частоты. Модулирующий сигнал воздействует на фазу несущего колебания, но это воздействие происходит не только в тактовой точке, но и на длительности всего тактового интервала. В тактовой точке скачком изменяется направление воздействия, в результате которого набег фазы к концу одного тактового интервала для сигналов с т = 0,5 составляет величину ±900. В тактовых точках колебания соседних посылок имеют одинаковые фазы -принцип непрерывности фазы: с каким значением фазы заканчивается колебание предыдущей посылки, с того же значения фазы начинается следующая посылка, при передаче которой происходит изменение фазы на ±90°хп, где п - количество поступающих подряд одноименных бит.
Из рассмотренного выше можно сделать заключение, что при передаче цифровых сигналов, получаемых методом минимальной частотной модуляции с непрерывной фазой с индексом т = 0,5, передаваемый сигнал обладает рядом особенностей. Из этих особенностей следует отметить линейное изменение фазы на тактовом интервале, тесную межсимвольную связь, непрерывность фазы при смене передаваемых бит информации. Рассматриваемые сигналы характе-
ризуются свойствами как фазовой, так и частотной манипуляции одновременно.
Формирование модуляционных кодов для получения сигнала с минимальной манипуляцией и непрерывной фазой обычно производится путем квадратурной обработки цифрового сигнала передаваемого сообщения, в результате которой формируются синфазная и квадратурная составляющие модуляционных кодов.
В процессе работы по реализации способа передачи двоичной информации сложными сигналами с внутриимпульсной минимальной частотной манипуляцией [3, 4] был найден способ построения квадратурных каналов для получения модуляционных кодов, обеспечивающих непрерывность фазы несущей частоты, основанный на разложении кодов Баркера на специфические составляющие.
Нами предложено представление последовательностей Баркера в виде двух других последовательностей, посимвольное произведение которых дает исходную последовательность Баркера [3, 4]. Так, если обозначить символом В последовательность Баркера, а символами и и V две другие последовательности, имеющие ту же длину, что и последовательность Баркера В, то должно выполняться следующее равенство: В = UxV.
Все три последовательности В, и и V обладают свойством мультипликативности, заключающемся в том, что посимвольное произведение любой пары дает третью последовательность. В этом легко убедиться при анализе данных, приведенных в табл. 1, для последовательности Баркера с N = 7.
Таблица 1
В + + + - - + -
и + + + - - + +
V + + + + + + -
Из табл. 1 следует, что
В = UхV; и = В XV; V = их В.
Нами получены последовательности и и V для всех других кодов Баркера, их структура показана в табл. 2.
При представлении последовательностей Баркера в униполярном двоичном коде, где знак «-» заменяется нулем, вводимые нами компоненты и и V связаны с В посредством сложения сумматором по модулю два:
и®Г = В .
Полученные нами составляющие последовательностей Баркера и и V дают возможность формировать
Таблица 2
N Последовательность Баркера, В Составляющие последовательности
и V
5 + + + - + + + + - - + + + + -
7 + + + - - + - + + + - - + + + + + + + + -
11 + + + + - - + - + + + + + - -
13 + + + + + - - + + - + - + + + + + + - - + + - - + +
сигналы, кодированные кодами Баркера, с другими видами модуляции, в частности с минимальной частотной модуляцией [4].
Для реализации расширения полосы частот в методе прямого расширения спектра кодовой последовательностью обычно используется сумматор по модулю два, на один из входов которого подается информационная последовательность, подлежащая передаче, а на второй подается расширяющий спектр шумоподобный сигнал. При этом длительность шумоподобного сигнала должна быть равна длительности единичного бита передаваемой информации. Подаваемые на входы сумматора сигналы должны быть строго синхронизированы и взаимоувязаны.
Для выполнения требования равенства длительности кодовой посылки Тэ и единичного символа передаваемой информации Т
Т = NTэ
необходимо предусмотреть наличие двух тактовых генераторов, работающих с частотами ^ = 1/Т и ^ =1/Тэ и жестко синхронизированных друг с другом. Это требование выполняется, если частота ^ получается из частоты ^ путем деления последней на N.
Принципиальная схема устройства, генерирующего с заданной периодичностью последовательности и и V кода Баркера с длительностью кодовой посылки, укладывающейся в длительность бита передаваемой информации, показана на рис. 2.
Устройство выполнено на основе линии задержки с отводами, роль которой выполняет регистр сдвига.
цы в первый каскад регистра сдвига и для установки RS-триггеров в состояние единицы. Частота ^ используется для работы других элементов схемы, связанных с обработкой информационных символов.
Проследим процесс генерирования и-последовательности. Прямоугольные импульсы, следующие с частотой ^, производят запись единицы в первый триггер регистра сдвига D1 и устанавливают триггеры RS1 и RS2 в единичное состояние. В качестве тактовой частоты регистра сдвига используется частота ^ = N ^.
Записанная в первый каскад регистра сдвига единица продвигается вдоль линии задержки с частотой ^, появляясь на каждом последующем отводе через интервал т = Тэ. Через три тактовых интервала импульс, снимаемый с выхода Q триггера D3, переводит триггер RS1 в нулевое состояние, в котором триггер RS1 остается до прихода импульса, получаемого на выходе триггера D5, переключающего RS1 в состояние единицы. Подобным образом генерируется и V-последовательность. На рис.3 приведены осциллограммы последовательностей и и V для кода Баркера с N = 7 на выходах схемы, представленной на рис.2, преобразованные в код БВН - без возвращения к нулю. Для получения частоты ^ из частоты ^ можно воспользоваться делителем частоты. Делитель с коэффициентом деления, равным количеству элементарных посылок в последовательности Баркера, N = 5,7,11 или 13, можно построить на основе регистра сдвига с обратными связями.
Рис. 3
Регистр сдвига, собранный на D-триггерах, работает с тактовой частотой ^ =1/Тэ и содержит ^ - 1) элемент задержки, где N - длительность используемого кода Баркера. Импульсы с выхода делителя, следующие с частотой ^, служат для периодической записи едини-
На рис.4 приведена принципиальная схема делителя на 7, на рис.5 показана временная диаграмма его работы.
Принцип работы схемы делителя основан на использовании регистра сдвига с внешней обратной свя-
Рис. б
зью через сумматор по модулю два (XOR). При этом генерируется периодическая псевдослучайная последовательность с периодом (2П - 1), где п - число триггеров в регистре. В каждом периоде последовательности встречается комбинация бит, которая распознается дешифратором И.
Подобным способом могут быть построены делители для генерации модифицированных составляющих других кодов Баркера.
Предложено разложение последовательностей
Баркера на мультипликативные составляющие, позволяющие получать модулирующие функции для формирования сигналов, кодированных в соответствии с кодами Баркера, с минимальной манипуляцией.
Описан принцип построения схемы устройства для генерации мультипликативных составляющих и и V, приведена схема делителя с коэффициентом деления, равным длительности кода Баркера N = 7.
Библиографический список
1. Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю. С. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: учеб. пособие. М.: Эко-Тренд, 2005
2. Прокис Джон. Цифровая связь / пер. с англ.; под ред. Д.Д. Кловского. М.: Радио и связь, 2000. 800 с.
3. Засенко В.Е., Просвирякова Л.В. Способ формирования шумоподобных радиоимпульсов для передачи бинарных
символов информации сложными сигналами. Патент РФ на изобретение № 2231924, 2003 г.
4. Засенко В.Е., Просвирякова Л.В. Способ передачи двоичной информации сложными сигналами с внутриимпульс-ной минимальной частотной манипуляцией. Патент РФ № 2358404, 2008 г.
УДК 62.529
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ОПЕРАТИВНОЙ ИНФОРМАЦИИ О СОСТОЯНИИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА В СЕТЯХ ОПЕРАТОРОВ СОТОВОЙ СВЯЗИ В ПРОЦЕССЕ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДА © Е.Б. Королькова'
Иркутский государственный университет путей сообщения,
664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
Приведены результаты исследования качества сотовой сети на железнодорожном транспорте на участке Ир-кутск-Пассажирский-Петровский завод для ее использования в целях передачи оперативной информации о состоянии основных узлов поезда, таких как тормозные механизмы, буксовый узел, рессорное подвешивание и др. Установлено, что зона покрытия и мощность приема на данном участке удовлетворяют поставленным требованиям и могут применяться для передачи информации о параметрах этих узлов.
Ил. 5. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: железнодорожный транспорт; подвижной состав; контроль основных узлов; сети операторов сотовой связи; дистанционный мониторинг; параметры узлов грузового вагона; система контроля.
1Королькова Екатерина Борисовна, аспирант, тел.: 89086479391, e-mail: katleader@gmail.com Korolkova Ekaterina, Postgraduate, tel.: 89086479391, e-mail: katleader@gmail.com
