CC BY
406
УДК 621.396.373
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОЙ МОДУЛЯЦИИ И ДЕМОДУЛЯЦИИ СИГНАЛОВ В РАДИОСВЯЗИ С.Н. Панычев, Д.В. Асотов, Р.И. Гавриличев
Рассмотрены с точки зрения особенностей практической реализации современные методы сверхширокополос-ной радиосвязи. Предложен новый вероятностный метод сверхширокополосной радиосвязи, отличающийся от импульсного метода простотой технической реализации
Ключевые слова: радиосвязь, сверхширокополосные сигналы, модуляция и демодуляция
Введение
Сверхширокополосные сигналы (СШПС) находят все более широкое применение в современной радиотехнике. Как следует из анализа последних многочисленных публикаций отечественных и зарубежных авторов, физические основы построения и принципы функционирования различных радиотехнических средств, использующих СШПС, можно отнести к разряду наиболее актуальных и вместе с тем, проблемных вопросов современной радиоэлектроники.
Причина проявляемого интереса к данной теме заключается в ожидании больших возможностей, которые сулит появление новой техники. Применительно к радиосвязи преимущества СШПС проявляются в повышении скорости передачи информации, понижении средней плотности потока мощности излучений, повышении помехоустойчивости и информационной безопасности линий связи. Кроме того, улучшается электромагнитная совместимость при работе в совместной полосе частот с другими узкополосными радиосредствами, более полно реализуются возможности использования многолучевого распространения радиоволн для суммирования парциальных сигналов.
В настоящее время широко применяются способы организации цифровой радиосвязи с помощью шумоподобных сигналов (ШПС) [1, 7]. ШПС обладают большой базой сигнала ( В=ти-Мс, где ти - длительность посылки, Д£ - ширина спектра посылки).
Наиболее часто применяемыми на практике ШПС являются сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), или фазовой кодовой манипуляцией (ФКМ). При оптимальной обработке принятого сигнала на выходе оптимального фильтра обеспечивается энергетический выигрыш в отношении сигнал/шум по сравнению с простыми сигналами с малой базой (например, за счет сжатия во времени ЛЧМ сигнала). В системе цифровой связи с ШПС формируют информационную двоичную последовательность, модулируют ей сигнал с большой базой, излучают в сторону абонента, принимают сигнал,
Панычев Сергей Николаевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8-951-873-43-78
Асотов Дмитрий Валериевич - ВГТУ, студент, тел. 8-951540-52-05
Гавриличев Роман Игоревич - ВГТУ, студент, тел. 8-951541-58-24
обрабатывают в оптимальном фильтре и выделяют информационную двоичную последовательность.
Такие средства связи характеризуются высокой помехозащищенностью, поскольку для передачи информации на заданную дальность требуется затратить минимальную энергию. Дальнейшее развитие ШПС технологий в радиосвязи привело к разработке еще более эффективных методов связи с применением СШПС [2 - 6].
В настоящее время одним из наиболее перспективных методов формирования СШПС является метод, основанный на использовании сверхкоротких импульсов. Возможно применение и других методов формирования СШПС, например, основанных на использовании шумовых и шумоподобных сигналов [2 - 6, 8].
Целью статьи является усовершенствование методов сверхширокополосной радиосвязи в направлении упрощения их технической реализации.
Сущность импульсного метода сверхширокополосной радиосвязи
Для передачи информации в СШПС системе связи используют импульсно-позиционную модуляцию, позволяющую реализовать при приеме метод оптимальной согласованной фильтрации. Коррелятор является оптимальным обнаружителем опережения или запаздывания импульса относительно некоторого среднего положения. Эта технология реализована в широкополосной связи на основе патента Фуллертона “Полнодуплексная система и метод связи” [3].
Передача ведется сверхкороткими (20 - 0,10) нс импульсами, следующими друг за другом с интервалом 2 - 5000 нс. Полезная информация кодируется посредством временной позиционноимпульсной модуляции. Смещение импульса относительно его опорного положения в последовательности вперед задает “0”, назад - “1”. Время смещения не превышает четверти длительности импульса. Так, в последовательности импульсов с длительностями 200 пс с межимпульсным интервалом 100 нс импульс, пришедший на 50 нс раньше, - это “0”, на 50 пс позже - “1”.
Проблема разделения каналов решается путем сдвига каждого импульса на время, пропорциональное текущему значению некоторой псевдослучайной последовательности (разделение посредством временных скачков, Time hopping). При этом время сдвига на один - два порядка выше, чем смещение
при временной модуляции. В результате спектр сигнала существенно сглаживается и становится шумоподобным. Применяя систему ортогональных кодов для управления временными задержками импульсов, теоретически можно в одной полосе создавать тысячи голосовых каналов связи. В отличие от существующей технологии множественного доступа с кодовым разделением каналов (СБЫЛ) импульсные системы сверхширокополосной радиосвязи используют ортогональные псевдослучайные последовательности не для расширения спектра сигнала, а для формирования отдельных каналов связи. Такой принцип организации связи можно рассматривать как предельный случай СБЫЛ, в котором полно -стью отказались от несущей или, что физически почти то же самое, длительность выходного импульса сделали равной одному периоду несущей.
В практической реализации данного метода можно применять и дополнительные поднесущие -информационный сигнал предварительно модулируется тем или иным традиционным методом модуляции (AM, FM, PM, FSK, PSK, PCM и т.д.). Далее при формировании сигнала поднесущие подвергаются временной модуляции (вместо информационного сигнала модулируется поднесущая, модулированная информационным сигналом).
Сверхкороткий импульс, - моноцикл Гаусса -описывается первой производной от функции распределения Гаусса:
ных импульсов, но не всей последовательности.
A(t)[
A(t) = -{t/т)2
т
(1)
где С - амплитуда импульса, т - временная константа, характеризующая затухание и связанная с эффективной длительностью импульса тИМП соотношением: тИМП =2пт. На рис.1. приведены графики, иллюстрирующие временную форму этих импульсов при их длительностях тИМП = 200... 1000 пс.
Спектральная плотность 8(ю) одного импульса описывается выражением:
S (а) = C -а- т24П -1-
а-т~-\1 '2ле-гв * . (2)
Приемное устройство импульсного радио (по терминологии Фуллертона) функционально представляет собой приемник (детектор) прямого преобразования и коррелятор. На более привычном языке его можно назвать синхронным приемником без промежуточного преобразования частоты (1пч=0) с системой ФАПЧ, где частота гетеродина заменяется импульсной последовательностью, позволяющей выбрать канал связи. Будучи синхронизированным с передатчиком и зная псевдослучайную последовательность канала, коррелятор определяет отклонения принятых импульсов, формируя на выходе +1, если сигнал, например, пришел на 50 пс раньше окончания межимпульсного интервала; -1, если на 50 пс позже, и 0 - в остальных случаях. Эти значения накапливаются в интеграторе. В результате узкополосная помеха от передатчика с непрерывной несущей или сигнал от другого импульсного передатчика способны помешать приему только отдель-
Рис. 1. Временная форма импульсов - моноциклов Гаусса с длительностями тИМП = 200... 1000 пс
Оценить помехозащищенность импульсного радио можно, используя понятие усиление обработки. В системах с расширением спектра усиление обработки определяется как отношение ширины полосы канала к ширине полосы информационного сигнала. Так, для систем расширения спектра методом прямой последовательности с шириной канала 5 МГц и информационным сигналом 10 кГц усиление составит 500 раз (27 дБ). Такой же сигнал, передаваемый импульсным радио с шириной полосы 2 ГГц, будет усилен в 200 тыс. раз (53 дБ). Если один бит задается последовательностью 200 импульсов с частотой следования 10 млн. импульсов в секунду (через 100 нс) и шириной импульса 0,5 нс, скорость информационного потока составит 48,8 Кбит/с, а эффективное усиление - 46 дБ. При этом усиление за счет отношения ширины межимпульсного интервала к длительности импульса (100/0,5=200) составит 23 дБ, поскольку 200 импульсов задают один бит.
Одно из существенных достоинств “импульсного радио” - отсутствие интерференции прямо распространяющегося сигнала с его отражениями от различных объектов [6]. Переотражения - бич для многих связных технологий (за исключением широкополосных шумоподобных систем связи). Именно из-за них затруднена связь внутри помещений, в условиях сложного рельефа и т.п. В “импульсном радио” отраженный сигнал попадет в коррелятор с задержкой и будет восприниматься как случайная помеха, никак не воздействуя на прямой сигнал. Кроме того, благодаря широкополосности затухание короткоимпульсного сигнала в различных средах достаточно мало - короткие импульсы легко проходят сквозь различные препятствия, поскольку подавление сигнала происходит не во всем диапазоне.
Из-за высокого эффективного усиления СШПС системы могут работать с очень малой средней
2 2 а2 - т2
мощностью передатчика. Так, в октябре 1997 года компания Time Domain демонстрировала полнодуплексную связь по CШПC технологии с центральной частотой 1,7 ГГц на дистанции свыше 900 м и скоростью 32 Кбит/с. При этом средняя мощность передатчика составляла около 2 мВт [2]. ^стема одновременно определяла расстояние с точностью до 3 см. Кроме того, разработана полнодуплексная 1,3ГГц система передачи со скоростью 39-156 Кбит/с на дистанции до 16 км. Cредняя мощность ее передатчика - всего 250 мкВт. Также компания создала демонстрационную беспроводную локальную сеть со скоростью передачи 5 Мбит/с и радиусом действия свыше 10 м (через две стены внутри здания) при мощности излучения 50 мкВт.
Как показал анализ источников [2 - 6], типовая структурная схема приемопередающей системы CШПC радиосвязи включает в себя следующие основные элементы: передающий узел - тактовый генератор, формирователь временной задержки, модулятор, кодовый генератор, импульсный ключ, антенну; принимающий узел - тактовый генератор, формирователь временной задержки, процессор, кодовый генератор, коррелятор, антенну. Все эти элементы схематически изображены на рис. 2.
Рис. 2. Струкіурная схема приемопередающей системы в СШПС связи.
Рассмотренный метод СШПС радиосвязи имеет явные преимущества перед традиционными видами широкополосной связи, но не находит широкого практического применения из-за сложностей
практической реализации. Как следует из анализа схемы (рис. 2), наибольшую сложность при технической реализации представляют собой блоки, обеспечивающие синхронизацию передатчика и приемника. Формирование системы временной синхронизации при столь малых длительностях импульсов неизбежно сопряжено со многими трудностями практического характера. По этой причине предложим и рассмотрим другой, альтернативный метод сверхширокополосной модуляции и демодуляции сигналов, отличающийся менее жесткими требованиями к системе синхронизации модемов.
Вероятностный метод сверхширокополосной модуляции и демодуляции сигналов
Как уже отмечалось, одним из недостатков импульсных и цифровых систем связи с CШПC является необходимость строгой временной синхронизации передающей и приемной аппаратуры для обеспечения работы оптимального фильтра. Необходимость временной синхронизации цифровых систем связи с CШПC усложняет аппаратурную реализацию способа цифровой радиосвязи. Недостатком системы цифровой радиосвязи является необходимость строгой синхронизации тактовых генераторов в приемнике и передатчике. Cбои в синхронизации указанных генераторов приводят к срыву связи или ошибкам при приеме цифровых последовательностей.
Предложим метод организации радиосвязи, отличающийся от известных менее жесткими требованиями к подсистеме синхронизации при передаче цифровой информации. Он основан на алгоритме оптимальной обработки модулированных широкополосным шумом сигналов.
В известном методе организации цифровой CШПC радиосвязи с кодовым разделением каналов выполняются операции формирования на передающей стороне двоичной информационной последовательности, модулированной псевдослучайной последовательностью, модуляции и излучения сверхкороткоимпульсного сигнала, приема CШП сигнала на приемной стороне, синхронизации и оптимальной корреляционной обработки сигнала.
Покажем, что CШПC связь можно обеспечить более простым методом. При этом на передающей стороне исключается операция генерации пикосекундных импульсов. Она заменяется операцией модуляции информационной последовательности шумовым сигналом с известным законом плотности распределения вероятности (ПРВ), а на приемной стороне вводится операция измерения параметров закона распределения принимаемого сигнала.
Cущность нового метода передачи информации заключается в замене операции модуляции информационной посылки генератором псевдослучайной последовательности операцией модуляции посылки генератором шума с известной плотностью распределения вероятностей (ПРВ) информативного параметра. При этом в приемнике вводится операция измерения характеристик ПРВ.
Р(и)
горизонтальная
развертка
Рис. а - Осциллограма гауссова шума
горизонтальная
развертка
Рис. б - Осциллограмма рэлеевской смеси
Рис. 3. Осциллографическая индикация закона распределения
Сущность модуляции поясняется иллюстрациями, приведенными на рис. 3 (а и б). Например, при модуляции информативной последовательности шумоподобным гауссовым сигналом (с Гауссовой ПРВ) при передаче нулевого символа закон распределения амплитуды излучаемого сигнала останется неизменным (рис. 3 а). При излучении единичной посылки закон распределения амплитуды сигнала изменится за счет нелинейной операции перемножения сигналов единичной посылки и шума в модуляторе (описывается законом Релея, рис. 3 б). Известно [8], что при перемножении сигналов с различными плотностями распределения вероятностей (ПРВ) результирующая ПРВ резко меняет форму. Изменение формы ПРВ ведет к изменению таких параметров (моментных характеристик) ПРВ, как математическое ожидание, асимметрия, эксцесс, энтропия, коэффициент качества шума (ККШ). Поэтому при корреляционной обработке принятого шумового сигнала, используя в качестве источника опорного сигнала генератор шума с такими же параметрами как и на передающей стороне, можно измерять параметры ПРВ, которые будут изменяться в зависимости от значений информационной посылки. Так, при посылке нулевого символа закон распределения описывается выражением (3), а при посылке единичного символа - выражением (4):
( ■ \2 ^
р(х) =
1
у>/2р
ехр
V
(х-тх )
2у:
/
где тх - значение математического ожидания,
(
Р(х) = 4ехР
у 2
х
(3)
(4)
Поэтому, если в качестве параметра закона распределения принимаемого сигнала измерять математическое ожидание, то при посылке нулевого
символа математическое ожидание будет равно тх, а при посылке единичного символа оно изменится и
будет равно у>/2р (так как изменится закон распределения). Подобным образом будут изменяться и другие параметры ПРВ. Особенно наглядно это проявляется в изменении формы ПРВ, которая характеризуется численным значением энтропии ПРВ. При этом изменение формы распределения ПРВ свидетельствует о смене информационного символа. Это обстоятельство требует некоторого времени на измерения ПРВ, что соответственно, позволяет иметь запас времени на организацию синхронизации работы генераторов шума в передатчике и приемнике.
Рис. 4. Структурная схема передачи и обработки информации
Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ цифровой нелинейной радиосвязи, приведена на рис. 4. Схема состоит из генератора шума 3, модуляторов 1, 2, 6, коррелятора 4, генератора шума 7 и измерителя вероятностных характеристик
Генератор шума 3 формирует шумовой низкочастотный сигнал с известным законом распределения амплитуд (например, по нормальному закону с известными параметрами).
В модуляторе 2 несущая частот Б0 модулируется шумом, а затем в модуляторе 1 информационной последовательностью (например, двоичным сигналом с амплитудами 0 и 1В, соответственно).
Измеритель вероятностных характеристик 5 может быть построен по схеме, приведенной в [8]. Решение о приеме нулевого или единичного символа принимается по значению измеренного параметра ПРВ. Таким образом, путем замены операции
модуляции информационной посылки генератором ПСП модуляцией генератором шума с известным ПРВ (в передатчике) и добавления операции измерения характеристик ПРВ (в приемнике) в новом методе передачи и обработки информации можно ослабить требования к синхронизации работы приемника и передатчика.
Рис. 5. Структурная схема экспериментальной установки
Возможность реализации способа цифровой СШПС радиосвязи исследовалась экспериментально. Структурная схема установки приведена на рис.
5.
Генератор Г3-101 с ключом использовался в качестве источника полезного сигнала с частотой 1 кГц и амплитудой 1В (нулевая посылка - ключ разомкнут, единичная посылка - замкнут). В качестве генератора шума с нормальным законом распределения амплитуд использовался генератор белого шума Г2-59. Он позволяет получать флуктуацион-ный шум с нормальным законом распределения амплитуд в полосе частот 0 6,5 МГц. Уровень шума
регулируется встроенным аттенюатором. Смеситель собран на резисторах и позволяет получить аддитивную смесь сигнала и помехи.
Тракт приемника Р-155П использовался для приема сигналов. Осциллограф С1-93 использовался для наблюдения осциллограмм сигналов и для исследования одномерных законов распределения напряжения. В измерениях использовался осцилло-графический метод измерения плотности вероятности по яркости свечения экрана осциллографа. Интенсивность свечения экрана в первом приближении пропорциональна времени пребывания электронного луча на этом участке. Если на пластины вертикального отклонения подать случайно изменяющееся напряжение, а горизонтальную развертку выключить, то закон изменения интенсивности свечения экрана по вертикальной оси совпадает с одномерной ПРВ напряжения Р(и).
В эксперименте установлено, что при разомкнутом ключе на экране осциллографа наблюдается нормальный случайный процесс (рис. 3а). При замкнутом ключе наблюдается процесс с законом распределения Релея (рис. 3б). Экспериментом подтверждена принципиальная возможность организации СШПС связи с применением генератора шума и измерителя вероятностных характеристик.
Заключение
Таким образом, применение операций модуляции информационных последовательностей гауссовым шумом с последующим определением параметров закона мультикативной смеси шума и сигнала обеспечивает возможность передачи информации в системе СШПС связи. При этом при сохранении преимуществ импульсного СШПС метода модуляции и демодуляции сигналов можно существенно снизить требования к системе временной синхронизации передатчика и приемник.
Литература
1. Harmuth H.F. Nonsinusoidal Waves for Radar and Radio Communication. — NY: Academic Press, 1981.
2. Шахнович И. Cверхширокополосная связь. Второе рождение? // Электроника: Наука, технология, бизнес. — 2001. — № 4. — C. 8-14.
3. Патент 4641317 CШA. Spread Spectrum Rаdio Transmission System / Larry W. Fullerton. — Приоритет от 3.12.84.
4. Иммореев И.Я., ^нявин А.Н. Излучение сверхширокополосных сигналов // Антенны. — 2001. — № 1. — C. 8-16.
5. Авдеев В.Б. Энергетические характеристики передачи-приёма сверхширокополосных сигналов в радиоканалах с апертурными антеннами // Антенны. — 2001. — № 5. — C. 5-9.
6. Авдеев В.Б., Авдеева Д.В. Уравнения радиосвязи при использовании сверхширокополос-ных сигналов // Телекоммуникации. — 2002. № 9. — C. 2-10.
7. Варакин Л.Е. ^стемы связи с шумоподобными сигналами. — М: Радио и связь, 1985. — 384 с.
8. Панычев СН. Нелинейные радиоизмерения и контроль характеристик изделий военной радиоэлектроники (монография): Воронеж: Военный институт радиоэлектроники, 2004. - 178 с.
Воронежский государственный технический университет
IMPROVEMENT OF MODERN METHODS OF SUPERBROADBAND MODULATION AND DEMODULATION OF SIGNALS IN THE RADIO COMMUNICATION
S.N. Panychev, D.V. Asotov, R.I. Gavrilichev
Are considered from the point of view of features of practical realisation modem method of superbroadband radio communication. The new likelihood method of radio communication, different from a pulse method by simplicity technical realization is offered
Key words: radio communication, super broadband signals, modulation and demodulation
