Принципы обработки широкополосного сигнала

Технология обработки широкополосного сигнала была создана для помехоустойчивой передачи информации с использованием сигнала малой мощности. Другое ее название – технология шумоподобного сигнала; в нем находит свое отражение метод кодирования информации при передаче и малая мощность радиосигнала. После многих лет успешного использования в оборонных отраслях эта технология нашла и гражданское применение.

Идея использования широкополосного сигнала состоит в том, что для передачи информации используется значительно более широкая полоса частот, чем это требуется при обычной передаче (в узком частотном канале). За счет такой избыточности достигается хорошая помехозащищенность сигнала при малой его мощности. Избыточность достигается кодированием особыми кодами.

Кодирование – это механизм, позволяющий осуществлять надежную передачу данных по зашумленным каналам. А эфир – это среда со всевозможными помехами, как от аналогичного оборудования, так и от других устройств (например, СВЧ - печей). Идея шумоподобного кодирования состоит в том, что каждый бит передаваемой информации представляется в виде прямой или инверсной версии достаточно длинной кодирующей последовательности. На приеме производится сравнение пришедшего кода с запрограммированным эталоном и принимается решение, какой бит - 1 или 0 - был зашифрован. Избыточность позволяет правильно дешифровать информацию при частичном повреждении кода.

В начале своего развития в оборудовании беспроводных сетей использовались технология прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS) или технология метода частотных скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS).

Технология DSSS делит весь диапазон на несколько DSSS – каналов. Они достаточно широкие и, например, в частотном диапазоне 2.4 ГГц умещается всего 3 неперекрывающихся канала, хотя всего их, в зависимости от локализации, может быть от 11(для США) до 14 (для Японии). Каждый бит передаваемой информации кодируется специальным кодом по стандарту 802.11 это 11-и разрядный код Баркера.

Прямой и инверсный код (то есть закодированные «1» и «0» данных) обладают хорошими взаимнокорреляционными свойствами, что дает возможность при приеме четко декодировать сигнал, даже если он поврежден. Еще одно полезное свойство DSSS – технологии заключается в том, что благодаря очень низкому уровню мощности своего сигнала, она практически не создает помех обычным радиоустройствам (узкополосным большой мощности) – последние принимают широкополосный сигнал за шум в пределах допустимого. Наконец, обычные узкополосные устройства не мешают широкополосным, так как их сигналы большой мощности «шумят» каждый только в своем узком канале и не могут целиком заглушить широкополосный сигнал.

Более поздние стандарты (например, 802.11b) кодируют уже группу из 4 или 8 битов, выбирая коды из таблицы. Это называется ССК – модуляция.

Метод частотных скачков (FHSS)применялся на ранней стадии развития беспроводных сетей и в настоящее время широко не распространен. При работе по методу FHSS вся отведенная для передач полоса частот разделяется на подканалы (по стандарту 802.11 образуются 79 подканалов). В каждый момент времени каждый передатчик использует только один из подканалов, регулярно перескакивая с одного подканала на другой. Эти скачки происходят синхронно на передатчике и приемнике в заранее зафиксированной псевдослучайной последовательности, известной обоим; ясно, что не зная последовательности переключений, принять сигнал нельзя. Другая пара передатчик – приемник должна использовать и другую последовательность переключений частот, заданную независимо от первой. В одной полосе частот и на одной территории в пределах прямой видимости (в одной «ячейке») таких последовательностей может быть несколько.

Такая технология имеет ограничения по скорости работы и широко не используется.

В настоящее время появились новые технологии, взявшие лучшее из DSSS и FHSS.

Метод ортогонального частотного уплотнения каналов (OFDM) был запатентован в США в начале 70-х годов ХХ века. Он предполагает использование специального вида многочастотной модуляции с плотным расположением несущих и перекрытием спектров сигналов. В отличие от традиционного метода разделения сигналов с помощью «гребенки» из N – узкополосных фильтров с квазипрямоугольной частотной характеристикой, метод OFDM использует для обработки сигналов быстрое преобразование Фурье (FFT) в масштабе реального времени.

Технология мультиплексирования с разнесением по ортогональным частотам (OrthoFrequency Division Multiplexing) является частью семейства схем многоканальной модуляции, специально разработанных для передачи данных в условиях сильной межсимвольной интерференции. Такая интерференция возможна при задержке части сигнала (какого либо символа) в результате многолучевого распространения.

При распространении прямой и отраженный сиг­нал проходят различное расстояние, а поскольку скорость распространения радиосигнала неизменна, эти два (или несколько) сигнала(ов) приходят на прием­ник с различной задержкой, накладываясь друг на друга. При этом возможна ситуация, когда следующий пакет информации начнет поступать на вход при­емника до завершения приема предыдущего. На входе приемника появляются несколько копий сигнала, сдвинутых по времени, и результирующий сигнал получается искаженным. Время задержки между поступлением первой и последней копией сигнала называют задержкой распространения (delay sprea­ding).

Принцип OFDM состоит в передаче потока дан­ных по множеству узкополосных каналов параллельно. Эти каналы обычно раз­несены в частотной плоскости (проще говоря, у них разные частоты). Частотный разнос и синхронизация подканалов подбирается таким образом, что они практически не влияют друг на друга, другими словами, ортогональны. Информационный поток делят на блоки определенной длины. Затем к этим блокам добавляют код для коррекции ошибок, а затем всю эту последовательность преобразуют в N - поднесущих с помощью обратного быстрого преобразования Фурье. В результате, получатем сигнал, фактически огибающий вершины поднесущих. Он и передается в эфир с помо­щью одной из технологий (в стандарте рекомендована квадратурная амплитудная модуляция - Quadrature Ampli­tude Modulation, QAM). При использовании квадратурной амплитудной модуляции передаваемая информация кодируется одновременными изменениями амплитуды и фазы несущего колебания.

При приеме такого сигнала над ним производят преобра­зование Фурье, в результате получая исходные поднесущие. Помехоустойчивость алгоритма QAM обрат­но пропорциональна его спектральной эффективности. Воздействие помех приводит к возникновению неконтролируемых изменений амплитуды и фазы передаваемого по линии сигнала. Необходимо уделять особое внимание проектированию беспроводной сети, грамотному частотному планированию.

Метод множественного доступа с разделением по ортогональным частотам (ОРОМА) является продолжением и развитием OFDM. Отличие состоит в том, что подканалы собраны в несколько групп. Количество и порядок подка­налов в группе определяется по отклику на данной частоте. Для этого обе сто­роны должны обмениваться информацией о состоянии канала. Этот более дорогостоящий вариант дает серьезный выигрыш в условиях многолучевости и сильных помех, динамически адаптируя свойства передаваемого сигнала под текущую помеховую обстановку.

Следует отметить, что беспроводные технологии абонентского доступа быстро развиваются. За последние 10-15 лет пропускная способность беспроводных систем выросла с 1 до 70-100-Мбит/с. Применение прогрессивных, математически сложных алгоритмов кодирования и модуляции сигнала позволяет обеспечить высокую надежность и помехоустойчивость таких систем.