Основные параметры беспроводных каналов связи — КиберПедия 

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰)...

Семя – орган полового размножения и расселения растений: наружи у семян имеется плотный покров – кожура...

Основные параметры беспроводных каналов связи

2017-06-29 718
Основные параметры беспроводных каналов связи 0.00 из 5.00 0 оценок
Заказать работу

АННОТАЦИЯ

Расчетно-пояснительная записка 55 с., 31 рис., 3 табл., 13 источников.

КАНАЛ СВЯЗИ, БЕСПРОВОДНАЯ СВЯЗЬ, ИССЛЕДОВАНИЕ ПОМЕХ, МОДЕЛИРОВАНИЕ КАНАЛА СВЯЗИ, ZIGBEE.

Объектом разработки является программная модель системы беспроводных мобильных сетей.

Цель работы — разработка и исследование моделей помех в каналах связи беспроводных мобильных сетей.

Поставленная цель достигается за счет изучения современных стандартов передачи данных, построения программной модели для анализа помех в канале связи с заданными параметрами для определения вероятности битовой ошибки в канале связи.


 

Содержание

АННОТАЦИЯ 5

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 7

ВВЕДЕНИЕ 8

1.1. Актуальность 9

1.2. Цель работы 10

1.3. Основные параметры беспроводных каналов связи 10

1.4. Элементы систем цифровой связи 11

2. Исследовательская часть 13

2.1. IEEE 802.15.4 13

2.2. Преимущества ZIGBEE 18

2.3. Логарифмически-нормальная модель 19

2.4. Частотные диапазоны, каналы 20

2.5. Модуляция и манипуляция 22

2.6. Фазовая манипуляция 25

2.7. Расширение спектра DSSS. 30

2.8. Величина вектора ошибки 32

3. Конструкторская часть 34

3.1. Модели канала связи 35

3.2. Измерение вектора ошибки для системы стандарта ZIGBEE 44

4. Технологическая часть 48

4.1. Тестирование модели 48

4.2. Тестирование модели 49

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 51

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 52

Приложение 1. Величина вектора ошибки 53

Приложение 2. Построение графиков 55


ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

SNR (Signal to Noise Ratio) – это отношение мощностей полезного сигнала к мощности помех

BPSK (Quadrature Phase Shift Keying) – бинарная фазовая манипуляция

FFD (Full Function Device) – Полнофункциональное устройство

RFD (Reduce Function Device) – устройство с ограниченной функцией

BER (Bit Error Rate) – Вероятность битовой ошибки

QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) – квадратурная фазовая манипуляция

DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) – расширение спектра методом прямой последовательности

OSI (Open systems interconnection basic reference model) – модели взаимодействия базовой эталонной модели взаимодействия открытых систем

WWAN (Wireless Wide Area Network) – беспроводная глобальная сеть

WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) – беспроводная сеть масштабов города

WLAN (Wireless Local Area Network) – беспроводная локальная сеть

WPAN (Wireless personal area network) – беспроводная персональная сеть

ASK (Amplitude shift keying) – Амплитудная манипуляция

FSK (Frequency shift keying) – Частотная манипуляция

PSK (Phase shift keying) – Фазовая манипуляция

ASK/PSK – Амплитудно-фазовая манипуляция

OQPSK (Offset quadrature phase-shift keying) – квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом


 

ВВЕДЕНИЕ

Системы беспроводной локальной и мобильной связи являются перспективной областью международного рынка телекоммуникаций, поэтому динамично развиваются во всех странах мира. Число устройств, использующих беспроводное подключение к сети, постоянно растет.

Беспроводные технологии позволяют организовать высокую скорость передачи данных сравнимой с проводными технологиями, при этом обеспечивая мобильность клиентским устройствам.

При построении беспроводных локальных сетей могут возникнуть различные проблемы. Параметры распространения радиосигнала подвержены влиянию факторов внешней среды. Уровень сигнала на приемнике может быть меньше необходимого для обеспечения качественной передачи данных.

При построении беспроводной сети с определенным качеством работы следует учитывать расположение объектов, препятствующих распространению сигнала, таких как железобетонные конструкции, линии электропередач и др., если беспроводная сеть разворачивается на улице, и расположение, состав стен и перекрытий, предметов интерьера, если сеть размещается в помещении.

Существует два способа получения информации о распространении радиосигналов

Один из способов получения информации о распространении радиосигналов является проведение эмпирических исследований радиообстановки. Для данного решения необходимо использование дополнительного оборудования и специального программного обеспечения, проведения необходимого замеров уровня радиосигнала. Преимущество подобного решения в том, что экспериментальные данные являются точными и достоверными и, вероятнее всего, беспроводная сеть будет работать в соответствии с заданными требованиям.

Другим способом является построение модели распространения сигнала. При наличии правильной модели определение всех требуемых параметров распространения сигнала занимает меньше времени и средств, чем при проведении экспериментального исследования радиообстановки. Однако, наиболее сложная часть работы – построение самой модели, которая бы давала результаты с приемлемой точностью.

В данной работе рассматривается влияние помех на передачу данных в канале связи; в модели имитируется цикл передачи данных от передатчика к приемнику: данные кодируются, модулируются, проходят через беспроводной канал связи с помехами, затем данные оцифровываются; проводится сравнение полученного сигнала с исходным и выдвигается теория о распределении ошибок.

Актуальность

В последнее десятилетие в мире электроники наблюдается бурное развитие беспроводных персональных сетей передачи данных (WPAN).

Широкое применение в быту и технике получили стандарты IEEE 802.11 (WiFi) и IEEE 802.15.1 (Bluetooth). Приёмопередатчики данных стандартов имеют как преимущества, так и недостатки, к которым относятся большое энергопотребление и примитивная топология сети, что не позволяет полноценно использовать их в системах автоматизации промышленных объектов.

Основным конкурентом данных стандартов, появился стандарт 802.15.4, который нацелен на приложения, в которых требуется значительное время автономной работы от батарей и большая надёжность передачи данных на малых скоростях. Технология передачи данных работающая на данном стандарте именуется ZigBee.

Актуальность данной работы заключается в том, что на сегодняшний день в мире всё больше возникает потребность в осуществлении беспроводной передачи данных в местах, где необходима мобильность пользователей или невозможно создание проводной сети. Например, в шахтах, где проводная связь бывает часто невозможна и людям приходится опираться на свой опыт и примитивную технику, технология позволяет размещать жизненно важные датчики в любых местах. Так же на предприятиях с высокой зашумленностью эфира необходимы сети с высокой помехоустойчивостью. Технология ZIGBEE имеет потребность в бытовой сфере, оно позволяет размещать домашние мультимедийные сети, системы мониторинга безопасности дома.

Цель работы

Цель работы состоит в изучении помехоустойчивости канала связи технологии ZIGBEE. Для исследования создается модель, имитирующая передачу данных по стандарту IEEE 802.15.4, программной надстройкой которого является стек протоколов ZIGBEE. Модель создается при помощи графической среды программного моделирования Simulink, входящего в пакет прикладных программ среды MATLAB.

Исследовательская часть

IEEE 802.15.4

Стандарт используется для простых и недорогих коммуникационных сетей, обеспечивающих беспроводную связь в приложениях с ограниченной потребляемой мощностью и минимальной пропускной способностью. Основными особенностями таких сетей являются простота, надежная передача данных, работа на малых расстояниях, чрезвычайно низкой стоимости и разумного срока службы батареи, поддерживая простой и гибкий протокол.

Характеристики сетей:

- Скорость передачи данных в пространстве: 250 кбит/с, 40 кбит/с и 20 кбит/с;

- Поддержка топологий «звезда» и «точка-точка» («peer-to-peer»).

- Возможность выделения коротких 16-разрядных или расширенных 64-разрядных адресов;

- выделение гарантированных временных интервалов;

- множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий;

- Низкое энергопотребление;

- Обнаружение энергии в текущем канале;

- Индикация качества канала;

- 16 каналов в полосе 2450 МГц, 10 каналов в полосе 915 МГц и 1 канал в полосе 868 МГц.

В сети могут участвовать два разных типа устройств; Полнофункциональное устройство (FFD – Full Function Device) и устройство с ограниченной функцией (RFD – Reduce Function Device). FFD может работать в трех режимах, выступающих в качестве координатора, маршрутизатора или в качестве конечного устройства.

Координатор запускает сеть и управляет ею. Он формирует сеть, выполняет функции центра управления сетью– устанавливает политику безопасности, задает настройки в процессе присоединения устройств к сети, ведает ключами безопасности.

Маршрутизатор транслирует пакеты, осуществляет динамическую маршрутизацию, восстанавливает маршруты при перегрузках в сети или отказе какого-либо устройства. При формировании сети маршрутизаторы присоединяются к координатору или другим маршрутизаторам, и могут присоединять дочерние устройства – маршрутизаторы и конечные устройства. Маршрутизаторы работают в непрерывном режиме, имеют стационарное питание и могут обслуживать «спящие» устройства. Маршрутизатор может обслуживать до 32 спящих устройств.

Конечное устройство может принимать и отправлять пакеты, но не занимается их трансляцией и маршрутизацией. Конечные устройства могут подключаться к координатору или маршрутизатору, но не могут иметь дочерних устройств.

Конечные устройства могут переводиться в спящий режим для экономии заряда аккумуляторов. FFD может обмениваться данными с RFD или другими FFD, в то время как RFD только с FFD. Поэтому при построении сети необходимо иметь как минимум одно FFD-устройство. RFD предназначен для приложений, которые чрезвычайно просты, такие как выключатель света или пассивный инфракрасный датчик, они не нуждаются в отправке больших объемов данных и могут связывать только с одним FFD за один раз. Следовательно, RFD может быть реализован с использованием минимальных ресурсов и объема памяти.

В зависимости от требований, сеть может работать в любой из двух топологий: топологии «звезда» или топологии «точка-точка», схемы которых показаны на рисунке 2.1.1.

Рисунок 2.1.1

В топологии звезды связь устанавливается между устройствами и одним центральным контроллером, называемым координатором сети. Устройство обычно имеет некоторое связанное приложение и является либо точкой начала, либо точкой завершения сетевых коммуникаций. Координатор сети может также иметь конкретное приложение, но его можно использовать для инициирования, завершения или маршрутизации связи по сети. Он является основным контроллером. Все устройства, работающие в сети любой топологии, должны иметь уникальные 64-разрядные расширенные адреса. Этот адрес может использоваться для прямой связи в сети или его можно обменивать на короткий адрес, назначенный координатором, когда устройство связывается. Координатор сети может работать от сети, в то время как устройства, скорее всего, будут питаться от батареи. Топология звезда применяется в таких приложениях, как «умный дом», периферийные устройства персонального компьютера.

Топология «точка-точка» также имеет сетевой координатор. Однако, отличается от звездообразной топологии тем, что любое устройство может взаимодействовать с любым другим устройством, если оно находится в зоне действия друг друга. Топология «точка-точка» позволяет реализовать более сложные сетевые формации, такую как ячеистую топологию. Такая топология сети будет полезна для таких приложений, как промышленный контроль и мониторинг, беспроводные сенсорные сети, отслеживание товаров при инвентаризации, интеллектуальное сельское хозяйство и безопасность. Одноранговая сеть может быть произвольной, самоорганизующейся и самовосстанавливающейся. Она также может разрешать несколько пересылок для маршрутизации сообщений с любого устройства на любое другое устройство в сети. Такие функции могут быть добавлены на сетевом уровне, но не являются частью стандарта IEEE 802.15.4. Каждый независимый координатор будет выбирать уникальный идентификатор. Этот идентификатор сети позволяет осуществлять связь между устройствами внутри сети с использованием коротких адресов и обеспечивает передачу данных между устройствами в независимых сетях.

Стандарт IEEE 802.15.4 определяет правила и взаимосвязь устройств посредством радиосвязи в сети. Стандарт использует множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий. Поддерживает топологию «звезда», а также одноранговые топологии. Поддерживает различный пакеты данных, которые не превышают 128 байт. Имеет суперкадр, который позволяет включать («пробуждает») устройства эпизодически с большим интервалом времени, могут быть назначен координатором сети устройствам с данными критичными по времени. Связь с сетями более высокой производительности обеспечивается через координатор сети [1].

Стандарт оптимален для организации беспроводных сетей с малым радиусом действия и низкой скоростью передачи, при этом не требующих сложной инфраструктуры, что позволяет создавать малые, энергоэффективные и дешевые решения для устройств с малым потреблением энергии. Стандарт описывает два нижних уровня протоколов модели взаимодействия базовой эталонной модели взаимодействия открытых систем (OSI), а именно физический уровень (PHY) и канальный уровень (MAC). На рисунке 2.1.2 показано Сравнение скорости передачи и дальности действия различных стандартов беспроводной передачи данных.

Рисунок 2.1.2

WWAN (Wireless Wide Area Network) – беспроводная глобальная сеть; WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) – беспроводная сеть масштабов города; WLAN (Wireless Local Area Network) – беспроводная локальная сеть; WPAN (Wireless personal area network) – беспроводная персональная сеть.

IEEE 802.15.4 подходит для передачи информации с датчиков на устройство управления и обратно, где не требуется больших скоростей передачи, но важна надёжность связи, т.е. низкая вероятность ошибки. При потере данных, пакеты передаются заново, что увеличивает энергетические затраты устройств. Устройства, передающие данные по протоколу ZIGBEE, благодаря высокой способности противостоять помехам, могут работать, используя одну батарейку на протяжении долгого времени.

ZIGBEE-Устройства работают в данном стандарте и имеют возможность работы в одном из нескольких частотных диапазонов, используя данные модуляции и параметры расширения спектра сигнала методом прямой последовательности, которые отображены в таблице 2.1.1 [3].

Частота Полоса частот Модуляция Частота DSSS последовательности Скорость передачи Символы
МГц МГц Кбит/с Кбит/с Символ/с  
868/915 868 - 868.6 BSPK       Двоичные
902 -928 BPSK       Двоичные
  240-2483.5 O-QPSK     62.5 Шестнадцатеричные

Таблица 2.1.1

Преимущества ZIGBEE

Сеть ZIGBEE разработана для работы в сложной помеховой обстановке. Для борьбы с помехами применяются следующие механизмы: расширение спектра передаваемого сигнала, процедура предотвращения коллизий, контроль целостности данных, измерение параметров канала передачи, подтверждение приема и повторные отсылки пакетов. Расширяя спектр, исходный двоичный сигнал формируется при преобразовании в псевдослучайную последовательность, в результате чего передается шумоподобный сигнал. Метод расширения спектра передаваемого сигнала (DSSS) борется узкополосными помехами. Перед началом передачи устройство отслеживает занятость канала, и, в случае занятости, ждет, после чего повторяет попытку передачи. Такой механизм делает невозможным одновременный передачу данных с двух и более устройств. Если при передаче произошел сбой, то приемник обнаружит этот факт с помощью проверки контрольной суммы переданного пакета. Если какой-то узел сети становится неработоспособным из-за помех или физической неисправности, то информация доходит до приемника через соседние узлы.

Эксперты указывают на два недостатка беспроводных сетей Wi-Fi и Bluetooth - небольшой радиус действия и высокое энергопотребление.

ZIGBEE-оборудование также не может обеспечить передачу данных на расстояние свыше 70-80 метров, но может использовать в качестве посредника для трафика каналы устройств Wi-Fi или Bluetooth, если они находятся в зоне взаимодействия. Что касается энергопотребления, то, одной батарейки хватает для поддержания работоспособности ZIGBEE-оборудования в течение достаточно длительного времени – месяцы или даже пару лет.

Среди достоинств стандарта отмечается хорошая масштабируемость и возможность самовосстановления при сбоях, также главный фактор – простота настройки сети. Возможность 64-битной адресации позволяет объединить огромное количество ZIGBEE-устройств.

Низкое энергопотребление, низкая стоимость ($ 3 - $ 5), возможность организации сети различной топологии, увеличение дальности связи без дополнительного усиления радиосигнала, высокая надежность сетевых решений и самовосстанавливаемость системы, многоуровневая система безопасности и простота установки и обслуживания делает стандарт ZIGBEE наилучшим решением для хозяйственной и промышленной деятельности людей.

Частотные диапазоны, каналы

Стандартом ZIGBEE поддерживается три частотных диапазона: 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. При работе на частотах ниже одного ГГц можно получить достаточно большую дальность передачи при тех же затратах энергии (до 1км в открытом пространстве, в отличие от 400м для передачи на частоте 2,4 ГГц), однако при этом необходимо применять антенны больших размеров. Частотные диапазоны 868 МГц и 915 МГц открыты для использования не во всех странах мира, поэтому разработанное устройство может, например, удовлетворять требованиям США, но не подходить для Японии. На частотах ниже одного ГГц по стандарту IEEE 802.15.4 возможно достичь скоростей передачи до 250 Кбит/сек. Наибольший интерес представляет частотный диапазон 2,4 ГГц, являющийся открытым во всех странах мира. Этот факт определяет его достоинства и недостатки. Достоинство состоит в том, что разработанное устройство можно использовать в любой точке земного шара. Недостатком же является то, что этот частотный диапазон уже используется многими устройствами, поэтому они могут мешать друг другу, при этом каждое устройство является источником шума по отношению к другому устройству. Для борьбы с этой интерференцией между различными устройствами в стандарте используется разбиение всего частотного диапазона на каналы. Частотный диапазон 2,4 ГГц разбит на 16 каналов шириной 2МГц с шагом 5 МГц. Устройства одной сети работают на отдельном канале, никак не пересекаясь с устройствами другой сети на другом канале.

Нередко частотный диапазон 2,4 ГГц оказывается занят устройствами беспроводной локальной сети стандарта 802.11. Однако, в стандарте 802.15.4 каналы подобраны таким образом, что всегда существуют каналы, не пересекающиеся с каналами 802.11 (на рисунке 2 это каналы 15, 20, 25 и 26). Это позволяет устройствам двух стандартов, например, точке доступа Wi- Fi и беспроводной сенсорной сети ZIGBEE работать совместно в одном частотном диапазоне, не мешая друг другу.

Рисунок 2.2 Совместная работа устройств двух стандартов в частотном диапазоне 2,4ГГц.

Причем эти устройства работают совместно настолько хорошо, что сообщества Wi-Fi и ZIGBEE объявили о сотрудничестве в целях создания единых беспроводных домашних сетей и беспроводных сетей по контролю за энергопотреблением. В частотном диапазоне 2,4 ГГц по стандарту IEEE 802.15.4 возможно достичь скоростей передачи данных до 250 Кбит/сек.

Модуляция и манипуляция

Модуля́ция (лат. modulatio — размерность) — процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного аналогового информационного сигнала. Передаваемая информация заложена в управляющем сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. Модуляция может осуществляться изменением амплитуды, фазы или частоты высокочастотной несущей.

Эта позволяет сформировать радиосигнал, который будет обладать свойствами соответствующими свойствам несущей частоты. Также позволяет избежать интерференции с другими радиосигналами.

На рисунках 2.4.1, 2.4.2 и 2.4.3 показаны примеры преобразования аналогового сигнала амплитудной и частотной модуляций.


Рисунок 2.4.1 – Исходный аналоговый сигнал.

Рисунок 2.4.2 – Сигнал после применения амплитудной модуляции.

Рисунок 2.4.3 – Сигнал после применения частотной модуляции.

 

При манипуляции происходит преобразование последовательности символов в соответствующую последовательность сигналов. Эти сигнала могут отличаться по амплитуде, по фазе или по частоте или могут зависеть от двух или более сигнальных параметров [3].

Существуют три типа манипуляции сигнала и одна гибридная:

- ASK (Amplitude shift keying) – Амплитудная манипуляция.

- FSK (Frequency shift keying) – Частотная манипуляция.

- PSK (Phase shift keying) – Фазовая манипуляция.

- ASK/PSK – Амплитудно-фазовая манипуляция.

На рисунке 2.4.4 показаны примеры преобразования цифрового сигнала амплитудной, частотной, фазовой и амплитудно-фазовой манипуляций.

Рисунок 2.4.4

Каждый способ преобразования сигнала имеет преимущества и недостатки.

Амплитудная манипуляция эффективно использует полосы пропускания, но сильно подвержена искажениям при наличии шума и недостаточно энергетически эффективна.

Частотная манипуляция энергетически эффективна, но не эффективно использует полосу пропускания.

Фазовая манипуляция эффективна, и энергетически, и, с точки зрения, использования полосы пропускания.

Амплитудно-фазовая манипуляция – комбинация двух схем, которая позволяет еще лучше использовать полосу пропускания [2].

Для передачи данных стандарт ZIGBEE использует два типа модуляции несущего сигнала – это двоичная фазовая манипуляция и квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом [2].

Фазовая манипуляция

Фазовая манипуляция предполагает изменение фазы несущего сигнала в зависимости от передаваемого символа. Для передачи "0", например, может быть использована начальная фаза 0 градусов, а для "1" - 180 градусов. Этот вид манипуляции наиболее помехоустойчив относительно других манипуляций. Одним из недостатков фазовой манипуляции является эффект "обратной работы" в фазовом детекторе (устройстве, выделяющем из манипулированного сигнала информационный), когда ошибка в одном символе может привести к ошибочному определению последующих символов. Вторым недостатком фазовой манипуляции является необходимость широкой полосы пропускания для передачи сигнала. Широкая полоса, нужная для передачи такого сигнала, обусловлена расширением спектра из-за резких переходов между фазой предыдущего и последующего символа.

Главное преимущество квадратурной манипуляции – это способность передать в одной посылке сразу два информационных символа. Это достигается за счет использования не двух, а четырех фаз. Для QPSK, например, могут быть использованы следующий вариант: 0° – передача "00", 90° – "01", 180° – "10", 270° – "11". При увеличении информационной емкости снижается помехозащищенность сигнала. Если фазовое расстояние между соседними символами уменьшается, то ошибка может быть создана меньшей по мощности помехой.

Бинарная фазовая манипуляция – простой вариант фазовой манипуляции: при передаче информационной единицы фаза несущей равна нулю, а при передаче информационного нуля – π (рисунок 2.4.5). На рисунке 2.4.6 приведен пример формирования модулированного сигнала.

Рисунок 2.4.5 - Диаграмма для бинарной фазовой манипуляции BPSK

Математически это записывается следующим образом:

(3)

где – энергия передаваемого символа; – длительность передаваемого символа; – частота несущей; – передаваемый символ.

Рисунок 2.4.6 – Несущая, сигнал и сигнал бинарной фазовой манипуляции BPSK

Другой вариант - квадратурная фазовая манипуляция (QPSK), где происходит изменение фазы несущей синусоиды, при этом фаза может принимать четыре значения (отсюда и название – квадратурная), отличающихся друг от друга на .

Квадратурная фазовая манипуляция осуществляется по следующей формуле:

(4)

где – номер передаваемого символа.

Рисунок 2.4.7 - Сигнальное пространство QPSK

Из рисунка 2.4.8 видно, что за один символ передаётся сразу два информационных бита, т.е. по сравнению с бинарной фазовой манипуляцией, скорость передачи увеличивается в два раза.

Обычно входной поток информационных символов разделяется на два потока: чётный и нечётный, затем происходит бинарная фазовая модуляция этими потоками двух несущих сигналов, отличающихся по фазе на , а затем обе несущие суммируются.

Разделение на два потока происходит по следующей формуле:

(5)

где – поток чётных символов, принимает значение 1, если передаётся логическая единица и значение -1, если передаётся логический 0; – поток нечётных символов, принимает аналогичные значения.

При такой манипуляции сигнала возникают броски фазы на 180º. При прохождении сигналов с бросками фазы 180º через фильтры в приемнике, создаются паразитные полосы в спектре. Эти полосы расходуют дополнительную энергию и служат источником помех. Поэтому в стандарте IEEE 802.15.4 применяется квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом. Идея OQPSK в том, что один из потоков символов, например, нечётный, сдвигается на половину тактового интервала относительно другого. В результате при сложении двух синусоид не происходит одновременной смены фазы у обеих синусоид. Таким образом, максимальный бросок фазы при этом методе манипуляции равен 90º. Временная диаграмма модулированного сигнала квадратурной фазовой манипуляции со сдвигом представлена на рисунке 2.4.8.

Рисунок 2.4.8 Временная диаграмма OQPSK. I – поток чётных символов, Q – поток нечётных символов, сдвинутый на половину такта. 2Tc – тактовый интервал.

Вероятность ошибки приёма бита при бинарной фазовой манипуляции и наличии помех типа белого гауссовского шума определяется по следующей формуле:

, (6)

где – интеграл вероятности

– энергия одного бита

– спектральная плотность помехи

Вероятность успешного приёма одного бита будет равна:

(7)

При квадратурной фазовой манипуляции используются два канала, в каждом из которых вероятность ошибочного приёма равна из этого следует, что вероятность успешного приёма битов в обоих каналах (т.е. одного информационного символа) будет равна:

(8)

Отсюда следует, что вероятность ошибки приёма информационного символа для квадратурной фазовой манипуляции равна:

(9)

Для больших значений отношения сигнал/шум можно пользоваться приближённой формулой:

(10)

Кривые помехоустойчивости для бинарной фазовой манипуляции и квадратурной фазовой манипуляции приведены на рисунке 2.4.9:

Рисунок 2.4.9 Кривые помехоустойчивости для BPSK (нижняя кривая) и QPSK (верхняя кривая).

Из графика можно сделать вывод, что энергетический проигрыш при применении квадратурной фазовой манипуляции не превышает 2дБ даже при невысоких отношениях сигнал/шум. При высоких же отношениях сигнал/шум энергетический проигрыш составляет доли дБ.

Получается, что квадратурная фазовая манипуляция позволяет достичь вдвое большей скорости передачи данных по сравнению с бинарной фазовой манипуляцией при относительно малом энергетическом проигрыше [4].

 

Расширение спектра DSSS.

В стандарте IEEE 802.15.4 применяется расширение спектра сигнала методом прямой последовательности (DSSS). Каждой информационной последовательности из 4 бит присваивается последовательность из 32 чипов в соответствии с таблицей 2.6.1. Эти чипы затем и передаются в канал связи.

Таблица 2.6.1 Перекодировка битов в чипы для расширения спектра.

Эти последовательности выбираются так, чтобы быть максимально отличными друг на друга, поэтому даже если будет ошибочно принят один чип в 32х разрядной последовательности, то в приёмнике всё равно удастся определить, какая была передана последовательность, а значит и успешно принять информационный символ.

Расширение спектра происходит за счёт увеличения скорости передачи. В стандарте IEEE 802.15 данные передаются со скоростью 250 Кбит/с, значит чипы должны передаваться со скоростью 2Мбит/с. По теореме Шеннона-Хартли скорость передачи данных связана с пропускной способностью канала следующей зависимостью:

, (11)

C – максимально возможная скорость передачи данных

B – пропускная способность канала (ширина спектра)

S и N – энергии сигнала и шума соответственно [13].

Т.к. при передаче чипов вместо битов затраты энергии не изменяются, то увеличение скорости передачи напрямую ведет к расширению спектра передаваемого сигнала.

Такая методика передачи позволяет бороться с узкополосными помехами – это может быть, например, излучение микроволновой печи, или постановщик намеренных помех. Для получения мощной помехи в широком диапазоне частот необходимы большие затраты энергии, поэтому мощные помехи, как правило, узкополосные. При обычном способе передачи частота помехи может совпасть с частотой передаваемого сигнала и полностью заглушить его. При передаче сигналов расширенного спектра узкополосная помеха заглушит лишь часть спектра сигнала, что приведет к потери лишь части полезной энергии, а оставшаяся энергия может быть использована для успешного приёма.

Вероятность ошибки для сигналов стандарта IEEE 802.15.4 с модуляцией OQPSK и с применением расширения спектра DSSS определяется по следующей формуле:

(12)

 

где SNR – отношение сигнал/шум.

(13)

На рисунке 2.6.2 приведено сравнение кривых помехоустойчивости для различных стандартов беспроводной передачи данных:

Рисунок 2.6.2 Сравнение кривых помехоустойчивости для различных стандартов беспроводной передачи данных

Рисунок 2.6.2 показывает то, что начиная с отношениях сигнал/шум равное 0дБ стандарт 802.15.4 демонстрирует наилучшую помехоустойчивость в отличии от остальных стандартов связи. Отметим, что другие стандарты радиосетей заметно проигрывают стандарту ZIGBEE в помехоустойчивости [4].

Величина вектора ошибки

Величина вектора ошибки или EVM является мерой, используемой для количественной оценки эффективности цифрового радиопередатчика или приемника. Сигнал, передаваемый идеальным передатчиком или принимаемый приемником, будет иметь все точки созвездия точно в идеальных местах, однако различные несовершенства в реализации (такие как утечка несущей, низкий коэффициент подавления изображения, фазовый шум и т. Д.) Заставляют фактические точки созвездия отклоняться от идеальных мест. Фактически величина векторной ошибки является мерой различия между идеальным модулированным сигналом и реально переданным сигналом. EVM используется для количественной оценки точности модуляции передатчиком. Согласно стандарту IEEE 802.15.4, среднеквадратическая EVM передатчика не должна превышать 35% [1].

Шум, искажения, паразитные сигналы и фазовый шум ухудшают EVM, поэтому EVM обеспечивает всестороннее измерение качества радиоприемника или передатчика для использования в цифровой связи. Передатчик EVM может измеряться специализированным оборудованием, которое демодулирует принятый сигнал аналогично тому, как это делает настоящий радиомодулятор. Одна из стадий типичного процесса фазовой манипуляции с демодуляцией формирует поток точек I-Q, который может использоваться как достаточно надежная оценка идеального передаваемого сигнала при вычислении EVM[11].

Вектор ошибки - это вектор в плоскости I-Q между идеальной точкой созвездия и точкой, принимаемой приемником. Другими словами, это разница между фактическими принятыми символами и идеальными символами. Средняя амплитуда вектора ошибки, нормированная на амплитуду пикового сигнала, равна EVM. Для процентного формата используется среднее среднеквадратичное значение (RMS). Величина вектора ошибки равна отношению амплитуды вектора ошибки к среднеквадратичной (RMS) амплитуде эталона. Он определяется в дБ следующим образом:

(14)

где - среднеквадратическая амплитуда вектора ошибки,

является амплитуда самой внешней (максимальной) мощности в опорной совокупности сигналов.

Совсем недавно, для модуляции с несколькими несущими, предпочтение определяется как средняя мощность эталонной совокупности. EVM определяется в виде процента таким образом:

(15)

Графическое представление амплитуд представлена на рисунке 3.1.10.

Рисунок 3.1.10 Диаграмма созвездия сигнала

EVM, как это обычно определено для модуляции с одной несущей, представляет собой отношение средней амплитуды к амплитуде пика. Поскольку зависимость между пиковой и средней мощностью сигнала зависит от геометрии созвездия, различные типы созвездий (например, 16-QAM и 64-QAM), подверженные одинаковому среднему уровню помех, будут сообщать разные значения EVM. EVM, как определено для модуляции с несколькими несущими, является, возможно, более удовлетворительным измерением, потому что это отношение двух средних мощностей и нечувствительно к геометрии созвездия. В этой форме EVM тесно связана с коэффициентом погрешности модуляции, отношением средней мощности сигнала к средней мощности ошибки [5].

Конструкторская часть

В настоящей работе строится модель канала связи, имитирующая передачу данных от передатчика по каналу связи с помехами с последующим детектированием переданных данных на приемнике и сравнением переданных и полученных данных. Блок-схему передачи данных, можно видеть на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1

В данной блок-схеме информац


Поделиться с друзьями:

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни...

Состав сооружений: решетки и песколовки: Решетки – это первое устройство в схеме очистных сооружений. Они представляют...

Двойное оплодотворение у цветковых растений: Оплодотворение - это процесс слияния мужской и женской половых клеток с образованием зиготы...

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой...



© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!

0.01 с.