99681

Моделирование системы с расширенным спектром с перескоком частоты

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Мы намерены кратко рассмотреть общую структуру мобильной связи на примере которой изучим временное частотное и кодовое разделение каналов при множественном доступе и сформируем концепцию расширения спектра сигнала служащего средством передачи информации от одного пользователя другому. Из записанного соотношения следует что можно увеличивать С или В даже когда мощность сигнала ниже уровня мощности шума так как записанное уравнение не запрещает этого. уровень сигнала может быть значительно ниже уровня шума. 5 Из последнего соотношения...

Русский

2016-10-08

675.6 KB

0 чел.

Лабораторная работа

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ С РАСШИРЕННЫМ СПЕКТРОМ С ПЕРЕСКОКОМ ЧАСТОТЫ

  1.  Краткие теоретические сведения

Эта работа посвящена рассмотрению современных информационных радиотехнологий, использующих сигналы с расширенным спектром, а также временное, частотное и кодовое разделение при множественном доступе (Code Division Multiple Access, CDMA). Основное применение этих радиотехнологий – беспроводная радиосвязь, включая мобильную. Мы намерены кратко рассмотреть общую структуру мобильной связи, на примере которой изучим временное, частотное и кодовое разделение каналов при множественном доступе и сформируем концепцию расширения спектра сигнала, служащего средством передачи информации от одного пользователя другому. Рассмотрение систем связи CDMA с прямой последовательностью, частотным перескоком и модуляцией положением импульса, используя его временные перескоки составит содержание отобранных вопросов из постоянно возрастающего количества сведений прямо или косвенно относящихся к изучаемым радиотехнологиям с расширением спектра, как основным радиотехнологиям XXI века.

1.1.Принцип работы системы с расширением спектра

Принцип работы системы с расширением спектра вытекает из теоремы Шеннона об информационной емкости канала связи

  ,     (1)

где С – емкость канала, измеряемая в бит/с и равная максимальной скорости передачи данных для теоретического значения величины BER (Bit Error Rate), Здесь В – требуемая полоса частот канала, измеряемая в Гц, S/N – отношение сигнал/шум по мощности. Допускают, что значение С, представляющее среднюю передаваемую по каналу информацию, представляет желательную для практики величину. Полоса В – это цена, которую надо платить, так как она является ограниченным ресурсом канала связи. Отношение S/N отражает окружающие условия функционирования канала связи, в том числе и такие его характеристики, как интерференция сигналов, помехи и т.п.

Из записанного соотношения следует, что можно увеличивать С или В, даже когда мощность сигнала ниже уровня мощности шума, так как записанное уравнение не запрещает этого.

Перейдем от двоичного логарифма к натуральному. Тогда

 С/B = (1/ln2)ln(1 + S/N) = 1,443ln(1 + S/N).  (2)

Используя разложение в ряд Маклорена

 ln(1 + x)xx2/2 + x3/3 x4/4 + ... + (–1)k+1xk/k + ...,  (3)

получим

    C/B1,443S/N.    (4)

Для приложений систем с расширением спектра характерно обычно низкое отношение S/N, т.е. уровень сигнала может быть значительно ниже уровня шума. Принимая, что S/N<<1, получим вместо C/B1,443S/N, несколько грубее

    С/B ≈ S/N или N/S ≈ B/C.   (5)

Из последнего соотношения следует, что для передачи информации без ошибок по зашумленному каналу связи достаточно выполнить операцию расширения спектра сигнала, увеличив ширину полосы частот сигнала.

Все рассмотренные выше классические методы узкополосной  модуляции разработаны с целью достичь максимальной спектральной эффективности, т.е. передать возможно больший объем информации в возможно более узкой полосе частот. Проблема заключается в том, что с ростом числа пользователей число каналов, выделенных для связи, должно возрастать. В то же время совершенно понятно, что, с одной стороны, общий частотный ресурс является абсолютно ограниченной величиной, а, с другой стороны, невозможно бесконечно уменьшать полосу частот, в которой осуществляется передача информации.

Кроме проблемы увеличения числа пользователей, фундаментальной проблемой для мобильной радиосвязи в городских условиях является ухудшение связи из-за быстрого затухания и многолучевого распространения.

Движение абонента в среде с препятствиями, к которым относятся здания, туннели, движущийся транспорт создают постоянные и быстрые флуктуации величины сигнала (фединг), которые не всегда могут быть компенсированы избыточной мощностью передатчика или очень высокой чувствительностью приемника. В результате значительно ухудшается или даже нарушается радиосвязь.

Многолучевое распространение, обусловленное множеством препятствий в виде зданий и складок местности   между абонентами, приводит к тому, что приемник получает сразу несколько копий передаваемого сигнала, задержанных на различные промежутки времени. Это также приводит к флуктуациям величины принимаемого сигнала, которые проявляются   в виде ясно слышимого эхо-сигнала.  В случае получения двух равноценных копий сигнала может произойти срыв синхронизации и полная  потеря связи.

Эти и ряд других проблем стимулировали поиск принципиально иных решений организации радиоканала. Одним из методов, позволяющих кардинально увеличить число пользователей в ограниченном частотном спектре и значительно улучшить качество приема в условиях фединга и многолучевого распространения, является использование сигналов с расширенным спектром.

1.2.Основные свойства  сигналов  с расширенным спектром

Основная идея применения сигналов с расширенным спектром заключается в том, чтобы вместо узкополосных сигналов, выделенных для каждого пользователя в ограниченном участке спектра, использовать сигналы с расширенным спектром, занимающим весь выделенный для связи участок спектра, но при этом  значительное количество пользователей может одновременно использовать эту расширенную полосу частот.

В результате возможное количество пользователей в выделенной полосе  частот возрастает по сравнению с методом разбиения выделенной полосы частот на отдельные радиоканалы.

Сигналы с расширенным спектром обладают  двумя  характерными признаками:

- полоса частот передаваемого  сигнала  существенно больше,  чем полоса частот модулирующего цифрового сигнала ;

- расширение  полосы частот  передаваемого сигнала производится  независимым от передаваемой информации   расширяющим сигналом (расширяющей цифровой последовательностью), персонально назначаемой каждому пользователю и заранее известной как в приемнике, так и в передатчике.   

При модуляции сигнала с расширенным спектром создается сигнал со спектром, значительно превышающем ширину спектра исходного сигнала. Существует много методов формирования сигнала с расширенным спектром. Рассмотрим некоторые самые общие технологии расширения спектра, такие, как метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS), расширение  спектра скачками  частоты  (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS), расширение спектра временными перескоками (Time Hop Spread Spectrum, THSS), расширение спектра множеством несущих частот (Multi Carrier Spread Spectrum, MCSS). Конечно, можно создавать технологии формирования гибридного вида, которые будут иметь свои преимущества и недостатки.

В цифровой радиосвязи используется величина отношения , представляющая собой отношение энергии, приходящейся на один бит информации к спектральной плотности шума N0. Величина Eb=ST, где S – средняя мощность сигнала, а Т – длительность сигнала. Битовая скорость передачи информации R=1/T. Тогда можно записать Eb=S/Rи величину отношения можно записать иначе =S/RN0 а если учесть, что N0= Р/W, где N0– мощность шума Р в полосе частот шириной W. Тогда для можно записать новое выражение, именно =SW/РR. Это соотношение можно рассматривать как произведение отношений энергии сигнала Sк мощности шума Р и переданной полосы частот Wк битовой скорости R. Отношение W/R часто называют усилением обработки системы.

Записанные соотношения позволят приближенно оценить емкость радиоканалов в обратном направлении системы, работающей с расширением спектра. Допустим, что система реализует полный контроль мощности, что означает, что переданная мощность сигналов всех обильных пользователей контролируется так, что приемник базовой станции принимает мощность сигналов вех мобильных станций на одном и том же уровне. Основываясь на принятых допущениях, отношение сигнал/шум для одного пользователя можно записать в виде S/Р=1/(M–1), где М – общее число пользователей, так как общая мощность в данной полосе частот равна сумме мощностей сигналов отдельных пользователей. Тогда отношение можно переписать следующим образом =(W/R)/(M–1), откуда M–1=(W/R)/(Eb/N0). Так как M>>1, то .

1.3.Технологии расширения спектра

Технология расширения спектра возникла в результате военных потребностей и находит все более широкое применение в обстановке враждебных проявлений. Рассмотрим преимущества расширения спектра в присутствии гауссовских искажений, называемых джаммером (jammer), т.е. передачу битового потока (bk =±1) по каналу передачи с AGWN шумом. Будем использовать BPSK технологию с несущей частотой ωс. Канал также может разрушаться намеренными (intentional) искажениями. Принятый сигнал r(t) вместе с комплексной огибающей можно представить выражением

r(t)=s(t)+j(t)+n(t) ,          (6)

где

    (7)

– переданный сигнал, n(t) – AGWN шум со спектральной плотностью мощности Фn(ω)=N0,  j(t) – сигнал искажений, Т – длительность символа, Тс – ширина импульса символа, называемого чипом, Δ – переменная с равномерным распределением вероятностей в области [0, T), Р – усредненная переданная мощность. Спектр переданного сигнала можно оценить выражением

,         (8)

если осуществляется моделирование несущей частоты битами, как случайными переменными. Исследуя спектр переданного сигнала, разумно рассматривать всю мощность сигнала джаммера Pj в полосе, совпадающей c шириной главного лепестка спектра сигнала, т.е. от –2π/Тс до 2π/Тс, рад/с. Для простоты допустим, что j(t) – это гауссовский случайный процесс с нулевым средним значением и мощностью Фj(ω)=PjTc в интервале |ω|<2π/Тс и Фj(ω)=0 вне этого интервала. Кроме того, n(t) и j(t) – независимы.

В качестве приемника сигнала используем приемник с согласованным фильтром, структурная схема которого показана на рис. 1, и дискретизированный выход которого соответствует k-му символу и имеет вид

 rk=sk+jk+nk,         (9)

где

 sk= (10)

Видим, что вероятность ошибки не зависит от Δ. Следовательно, безусловная вероятность ошибки – то же, что и условная вероятность. Примем

    ,      (11)

,       (12)

Из принятых выше допущений понятно, что jk и nk не зависят от гауссовского случайного процесса. Надо определить их дисперсию. Дисперсия nk

.       (13)

Для jk заметим, что его дисперсия равна значению автокорреляционной функции компоненты согласованного фильтра j(t) при t=0. Используя соответствие между автокорреляционной функцией и спектральной плотностью мощности, получаем

 

 =.        (14)

sgn(Re[rk])

r(t)=s(t)+j(t)+n(t)

t=(k+1)T+∆

Рис. 1. Приемник с согласованным фильтром для BPSKданных с джаммером

rk=sk+jk+nk

Теперь можно рассчитать символьную (битовую) вероятность ошибки системы связи, описанной выше. По симметрии известно, что средняя символьная вероятность ошибки равна условной символьной вероятности того, что, скажем, bk=1. При условии, что bk=1 статистика решения Re[rk] – это гауссовская случайная переменная со средним и дисперсией . Поэтому вероятность символьной ошибки равна

 .    (15)

В случае приема сигналов с BPSK приемник сравнивает выход Y согласованного фильтра с нулевым пороговым уровнем. Если Y>0, приемник принимает решение, что передан сигнал , в другом случае – что передан сигнал .  Отсчет шума Yn– это случайный гауссовский процесс с нулевым средним значением ε и дисперсией

 .

Принимаем, что послан сигнал s0(t), тогда Y – это гауссовская случайная переменная со средним значением ε и дисперсией . По правилу решения приемник делает ошибку, когда Y≤0. Следовательно,

 =

 ,   (16)

где

 .      (17)

С той же аргументацией можно показать, что Поэтому 

Сравнив (15) и (16), получаем потери в SNR, определяемые выражением 1+0,9028PjTc/N0 относительно случая, когда джаммера в системе нет.

Есть два пути уменьшения потерь в SNR. Для канала с ограниченной полосой можно увеличить мощность Р переданного сигнала. Если увеличение мощности является превалирующей вынужденной мерой, то можно уменьшить длительность импульса Тс. Это соответствует расширению спектра переданного сигнала. В военных приложениях нужно принимать меры, чтобы враг не мог перехватывать или детектировать наши передачи. Чем выше передаваемая мощность, тем больше возможностей для ее перехвата. Поэтому обычно обращаются к расширению спектра излучаемых импульсов вместо повышения мощности передатчика. Это причина, по которой расширенный спектр первоначально рассматривался для использования в военных приложениях.

В зависимости от невосприимчивости джаммерa рассмотренный метод расширения спектра далек от совершенства,  просто уменьшениеТс эффективно только для непрерывного гауссовского джаммера, который исследовался выше. Так как непрерывный гауссовский джаммер распределяет свою мощность на всю длительность излучаемого символа для малых Тс, поэтому приходится интегрировать только малую часть длительности символа и, следовательно, захватывать малую часть энергии джаммера. Однако из-за периодичности передаваемых сигналов врагу облегчается задача определения момента начала передачи сигналов нашим передатчиком. Поэтому враг может включить импульсный передатчик сразу после начала передачи нашей станцией, разрушая наши передачи без увеличения средней мощности джаммера.

Уменьшение Тс не помогает в борьбе с импульсным джаммером. Чтобы блокировать импульсы джаммера, нужно рандомизировать время передачи импульсов внутри длительности символа, чтобы сделать детектирование времени передачи наших сигналов трудным для врага. Без знания времени передачи символов импульсный джаммер теряет свою эффективность.

Таким образом, мы заставляем врага расширять мощность джаммера и по времени и по частоте. В результате снова возвращаемся к непрерывному гауссовскому джаммеру, расширяя спектр излучаемых символов, т.е. переходим к технологии, которая использует модуляцию положением импульсов и поэтому называется временным перескоком (timehopping). Это значит, что время передачи не может быть действительно случайным. Вместо этого используется псевдослучайная последовательность времен передачи, которая предварительно назначается и передатчику, и приемнику. Такая последовательность называется кодом. Технология расширения спектра располагает рядом псевдослучайных кодов, количество которых с каждым годом увеличивается.

1.4.Технология множественного доступа

Понятие множественного доступа связано с организацией использования ограниченного участка спектра многими пользователями. Можно выделить 5 вариантов множественного доступа:

- множественный доступ с временным разделением каналов связи (Time Division Multiple Access, TDMA);

- множественный доступ с частотным разделением каналов связи (Frequency Division Multiple Access, FDMA);

- множественный доступ с кодовым разделением каналов связи (Code  Division Multiple Access, CDMA);

- множественный доступ с пространственным разделением каналов связи (Spase Division Multiple Access, SDMA);

- множественный доступ с поляризационным разделением каналов связи (Polarization Division Multiple Access, PDMA).

Практический интерес представляют только первые три.

Технологии расширения спектра могут быть разными, но общим моментом для них является наличие ключа, под которым подразумевается код или последовательность, присоединяемая к сигналу с целью расширения его спектра вплоть до нескольких порядков. Отношение, измеренное в дБ, между расширенной полосой сигнала и ее исходной величиной называется усилением обработки (processing gain) и составляет величину, изменяющуюся от 10 до 60 дБ.

Бинарный сумматор

Балансный

модулятор

Генератор псевдослучайного кода

Синхронизация

Несущая

частота f0

Переданный сигнал s(t)

Входное сообщение m(t)

Рис. 2. Передатчик с прямой

последовательностью расширения спектра

c(t)

В качестве иллюстрации рассмотрим структурную схему передатчика с прямой последовательностью расширения спектра (Direct  Sequence Spread Spectrum, DSSS), показанную на рис. 2. Длина выбранной последовательности случайных расширяющих кодов c(t) используется, чтобы расширить (умножить) полосу частот модулирующего сигнала m(t). Иногда для решения задачи расширения спектра используется высокоскоростной псевдо-шумовой код. Каждый бит расширяющего кода называется чипом. Длительность чипа Tc значительно меньше длительности информационного бита T. Рассмотрим бинарную фазовую манипуляцию (BPSK), с помощью которой модулируется несущая этим сигналом с расширенным спектром. Если m(t), представляет двоичную информационную битовую последовательность и c(t) является двоичным кодом, представляющим расширяемую бинарную последовательность, операция расширения спектра сводится к сложению по модулю 2 или к операции исключающее ИЛИ. Например, если модулирующий сигнал m(t), имеет скорость 10 Кбит/с и скорость расширяющего кода c(t), составляет 1Mбит/с, то расширенный сигнал d(t), генерируется на скорости 1 Мегачип/с. Основная ширина полосы частот до первого нуля сигнала с расширенным спектром теперь составит 1 МГц. Говорят, что ширина полосы частот исходного сигнала была расширена этой операцией в несколько сотен раз. Этот процесс характеризуется коэффициентом, называемым усилением расширения или усилением процесса (processgain). Процесс усиления в практических системах выбирается, основываясь на требованиях приложений, в которых он используется.

При модуляции BPSK расширенный сигнал становится равным s(t) = d(t)·cosωt. Рис. 3

Дерасшири-

тель

Узкополосный фильтр

Демодулятор сообщения

PN

код

Локальное восстановление синхронизации

Генератор PN кода

s(t)+n(t)

Рис. 3. Приемник с прямой

последовательностью расширения спектра

показывает, какие операции по обработке сигнала с расширенным спектром, нужно выполнить с целью дерасширения его спектра после выполнения операции демодуляции. Отметим, что в приемнике операция дерасширения требует выполнения того же самого кода расширения с фазами не совпадающими с фазами входного сигнала. Модуль синхронизации псевдошумового (pseudonoise, PN) кода, детектирует фазу входной кодовой последовательности, смешанную с информационной последовательностью и выравнивает локально сгенерированную кодовую последовательность подходящим образом. После этой важной операции выравнивания кода (т.е. синхронизации) принятый сигнал подвергается операции дерасширения с локально созданной последовательностью кодового расширения. В результате операции дерасширения получается узкополосный сигнал, промодулированный только информационными битами. Таким образом, такой демодулятор можно использовать для получения оценок сигнала сообщения.

Технология модуляционного расширения спектра сигнала отличается точками включения ключевой последовательности в систему с расширением спектра.

Выбор ключевой последовательности не тривиален. Чтобы гарантировать эффективное расширение спектра ключевая последовательность должна удовлетворять определенным требованиям, таким, как длина, свойства автокорреляционной функции и функции взаимной корреляции, ортогональности и сбалансированности битов. Наиболее популярные последовательности имеют имена: Баркера, m-последовательности, Голда, Адамар-Уолша и т.д. Более сложные ключевые последовательности обеспечивают более надежное и эффективное выполнение расширения спектра сигнала, но требуют более сложной аппаратной реализации. Микросхемы для работы в системах с расширением спектра содержат более миллиона двухвходовых элементов И, переключателей, работающих на частотах до нескольких десятков МГц.

B            W

B

Т

Тс

Частота, f

Время, t

Рис. 4. Иллюстрация FSKсистемы с быстрым перескоком частоты с расширением спектра

а

б

Цифровая радиосвязь традиционно базируется на концепции, что несущая частота много выше, чем ширина полосы передаваемого сигнала. Когда требуемая полоса имеет величину порядка 100 МГц, это приближение наталкивается на многие препятствия. Типично, что в этом случае рабочая частота передатчика должна быть порядка 10 ГГц и поэтому такая передача имела бы большие проблемы, связанные с распространением сигналов при дожде или тумане.

Общеизвестная CDMA система с перескоками частоты представляет собой цифровую систему множественного доступа, в которой индивидуальные пользователи выбирают одну из Q частот внутри широкополосного канала в качестве несущей частоты. Псевдослучайные изменения несущей частоты рандомизируют временное владение определенной полосой частот в данный момент времени, обеспечивая множественный доступ в широкой области частот. В обычных FHSS CDMA системах общая полоса частот W с перескоками делится на Q узких полос, каждая из которых имеет полосу частот В=W/Q. Каждая из Q полос частот определяется как спектральная область с центральной частотой, называемой несущей частотой. Множество возможных несущих частот определяется термином hopset. Полоса частот В – это полоса частот, используемая в hopset, называется мгновенной полосой частот.

Широкополосный спектр W, который перекрывает все перескоки частот, называется общей полосой частотных перескоков (total hopping band width). Информация посылается вместе с перескоком частоты в соответствии с псевдослучайным законом, который известен санкционированному приемнику. В каждом перескоке небольшое число кодовых символов посылается с обычной узкополосной модуляцией перед тем, как несущая частота снова испытает скачок. Промежуток времени между скачками частоты называется длительностью перескока (hop duration) или периодом перескоков (hopping period) и обозначается Тс. Промежуток времени между передачей двух последовательных символов обозначается Т.

B            W

B

Т

Тс

Частота, f

Время, t

Рис. 5. Иллюстрация FSKсистемы с медленным перескоком частоты с расширением спектра: переданный сигнал (а) и сигнал, подготовленный к демодуляции при 4FSK (б)

а

б

Обычно в FHSS CDMA используется частотно манипулированный сигнал (Frequency Shift Keying, FSK). Если в FHSS CDMA системе используется q-FSK, тогда каждая из Q полос частот делится на q подполос частот и в течение каждого скачка одна или несколько центральных частот подполос частот внутри всего диапазона частот излучается вместе с содержащейся в них информацией. Будем называть каждую частотную подполосу передаваемым каналом (transmissionchannel).  Обозначим общее число Qq передаваемых каналов М. Если используется бинарная FSK (BFSK), то M=2Q и пара возможных мгновенных частот изменяется с каждым скачком.

На приемной стороне после того, как несущая частота перескока устраняется из принятого сигнала, формируется сигнал для выполнения над ним операции демодуляции, обозначаемый термином dehopped signal. Если другой пользователь передает в той же полосе частот и в то же время в FHSS CDMA системе, то имеет место коллизия (collision). Частотные перескоки могут быть быстрыми и медленными. Медленный частотный перескок имеет место, если один или больше q-ичных символов передаются во временном интервале между перескоками частоты. Таким образом, медленные частотные перескоки предполагают, что символьная скорость 1/Т превышает скорость перескоков 1с. Быстрый частотный перескок имеет место, если больше, чем один частотный перескок совершается в течение передачи одного символа. Если другой пользователь занимает ту же полосу частот и в то же время, вероятность некорректной передачи соответствующих информационных символов возрастает. Поэтому благоразумно сочетать частотный перескок с перемежением (interliving) и кодированием. Рис. 4 иллюстрирует медленный частотный перескок, если используется FSK в системе и Q=4, q=4 и M=16. На этом рисунке мгновенная частота подполосы (передаваемые каналы) показаны в виде функций времени. Время передачи Т и 4-ичных символов равно Тс/3, где Тс− длительность перескока. Два бита генерируется каждые Т секунд и одна из 4 частот генерируется модулятором. Эта частота передается одной из Q=4 частотной полосы перескоков FHSSмодулятора. В этом примере частотный перескок имеет место после каждой группы 3 символов, или когда 6 битов оказываются переданными. Сигнал, подготовленный для выполнения над ним операции демодуляции, показан на рис. 4, б.

Восстановление переданного сигнала в системе с быстрым перескоком частоты иллюстрирует рис. 4. Выход модулятора данных – один из тонов, как и прежде, но теперь время передачи Т одной группы из 2 битов подразделяется на Т/Тс=4 чипа (перескоков). В этом примере каждый из перескоков передается в течение 4 скачков несущих частот. Здесь рассматривается схема, несколько отличающаяся от обычных схем FHSS CDMA, так как не делается различий между перескоками, вызванными изменениями несущей частоты и изменениями частоты, вызванными передачей нового символа. Иными словами, рассматриваются произвольные мгновенные изменения частоты (передаваемый канал), который собственно и является скачком частоты. Соответственно модифицируем терминологию и назовем множество всех М возможных мгновенных частот hopset. Значение М, отношение общей полосы частот к мгновенной полосе частот назовем размером hopset (hopsetsize). Длительность скачка Тс определим, как временной интервал между двумя последовательными изменениями мгновенных частот. Тогда для медленной схемы перескока частоты рис.3 длительность скачка равна одному временному промежутку Т передачи и будет обозначаться как Тс. Временной интервал между двумя последовательными изменениями несущих частот не учитывается. Для обеих схем частотного перескока рис. 4 и рис. 5 мгновенная полоса частот уменьшается в 4 раза. Это происходит потому, что модификация схемы FHSS CDMA совершенно естественна, так как современные цифровые FHSS CDMAсистемы используют кодирование и информационную битовую скорость, которая, как правило, ниже, чем скорость перескоков.

2.Порядоквыполнениялабораторнойработы

2.1 Моделирование в среде MatLab

В этой лабораторной работе исследуется модель расширения спектра перескоком частоты в среде MatLab. Здесь показано, как будет выглядеть сигнал с расширенным спектром, а также приведены все необходимые шаги, требующиеся для создания такого сигнала.

В системе с расширеннымспектром перескоком частоты (РСПЧ), частота передатчикаперемещается между доступными частотами согласно указанному алгоритму, который может быть как случайным, так и предварительно запланированным. Передатчик и приемник находятся в синхронизме, т.е. приемник остается настроенным на ту же центральную частоту, что и передатчик. Кратковременная передача данных выполняетсяс помощью узкополосной связи. Затем передатчик настраивается на другую частоту и передача осуществляется снова. Tаким образом, приемник способен к скачкообразному движению его частоты в данной области несколько раз в секунду. В течение определенного периода времени осуществляется передача  на одной частоте, затем происходит скачок к другой частоте и передача повторяется снова. Скачкообразный перескок частоты требует намного более широкой пропускной способности, чем для передачи той же информации, используя только одну несущую частоту. Расширенный спектр с  перескоком частоты представляет собой метод передачи радиосигналов путем быстрого переключения несущейчастоты сигнала, которая выбираетсяиз многих частотных каналов, сиспользованием алгоритма, известного как  передатчику, так и приемнику.

Лабораторная работа посвященапостроению сигнала с расширенным спектром.  Случайные биты генерируютсясистемой MATLAB с помощью функции случайных чисел, формирующей двоичные данные.

Несущая частота сигнала представлена косинусоидальной функцией. Используется двоичная фазовая модуляцияпри модуляции двоичных данных. Используется шесть разных несущих частот, несмотря на то, что может использоваться любое число частот, но для моделирования достаточно шести. Случайным образом распределены сигналы различных частот, чтобы распространить спектр сигнала и, наконец, использовали умножение между модулированным  и расширенным сигналом, чтобы  сформировать сигнал, который скачкообразно перемещается от частоты к частоте. Использовано быстрое преобразование Фурье, позволяющее оценить частотусгенерированного сигнала. На рис. 6 приведена структурная схема системы расширения спектра

Рис. 6. Структурная схема системы расширения спектра

Сигнал с перескоком частоты очень трудно обнаружить, потому что в реальных условиях его уровень лежит ниже уровня шума окружающей среды, а случайный скачок известен только передатчику и приемнику, и не зная об этом скачке нельзя восстановить информацию полностью.Труднодоступность данных, передаваемых при помощи такой технологии подтверждает наша модель.

Код:

%Генерация битового образца

s=round(rand(1,25));    % генерирование 25 битов

signal=[];  % пустой массив для переменной signal

carrier=[]; % пустой массив для переменной carrier

t=[0:2*pi/119:2*pi];     % создание 60 отсчетов на периоде несущей

fork=1:25                      % создание цифрового сигнала или сигнала данных

ifs(1,k)==0

sig=-ones(1,120);    % 120 отрицательных единиц для 0 бита

else

sig=ones(1,120);     % 120 единицдля 1 бита

end

c=cos(t);   % cos(t) несущая функция

carrier=[carrier c];

signal=[signal sig];

end

subplot(4,1,1);  %упрощённое графическое изображение

plot(signal);

axis([-100 3100 -1.5 1.5]);

title('\bf\it Original Bit Sequence');

% BPSK Modulation of the signal

bpsk_sig=signal.*carrier;   % Модуляциясигналаприпомощидетальногоумножения

subplot(4,1,2);

plot(bpsk_sig)

axis([-100 3100 -1.5 1.5]);

title('\bf\it BPSK Modulated Signal');

% Preparation of 6 new carrier frequencies

t1=[0:2*pi/9:2*pi];

t2=[0:2*pi/19:2*pi];

t3=[0:2*pi/29:2*pi];

t4=[0:2*pi/39:2*pi];

t5=[0:2*pi/59:2*pi];

t6=[0:2*pi/119:2*pi];

c1=cos(t1);

c1=[c1 c1c1c1c1c1c1c1c1c1c1 c1];

c2=cos(t2);

c2=[c2 c2c2c2c2 c2];

c3=cos(t3);

c3=[c3 c3c3 c3];

c4=cos(t4);

c4=[c4 c4 c4];

c5=cos(t5);

c5=[c5 c5];

c6=cos(t6);

% Random frequency hops to form a spread signal

spread_signal=[];

for n=1:25

   c=randint(1,1,[1 6]);

switch(c)

case(1)

spread_signal=[spread_signal c1];

case(2)

spread_signal=[spread_signal c2];

case(3)

spread_signal=[spread_signal c3];

case(4)

spread_signal=[spread_signal c4];

case(5)        

spread_signal=[spread_signal c5];

case(6)

spread_signal=[spread_signal c6];

end

end

subplot(4,1,3)

plot([1:3000],spread_signal);

axis([-100 3100 -1.5 1.5]);

title('\bf\it Spread Signal with 6 frequencies');

% Spreading BPSK Signal into wider band with more frequencies

freq_hopped_sig=bpsk_sig.*spread_signal;

subplot(4,1,4)

plot([1:3000],freq_hopped_sig);

axis([-100 3100 -1.5 1.5]);

title('\bf\it Frequency Hopped Spread Spectrum Signal');

% Expressing the FFTs to know about the frequency content of the signal

figure,subplot(2,1,1)

plot([1:3000],freq_hopped_sig);

axis([-100 3100 -1.5 1.5]);

title('\bf\it Frequency Hopped Spread Spectrum signal and its FFT');

subplot(2,1,2);

plot([1:3000],abs(fft(freq_hopped_sig)));

Результаты работы программы приведены на рис. 7 и рис. 8.

а)

б)

в)

г)

Рис. 7. Сигналы: исходного сообщения (а), бинарного фазоманипулированного напряжения (б), с расширенным спектром, включающем 6 частот (в), с расширенным спектром в результате перескока частот (г)

а)

б)

Рис. 8. Сигнал с расширенным спектром (а) и его преобразование Фурье (б)

2.2. Моделирование сигнала с расширенным спектром с перескоком частоты в среде MATLAB-Simulink

Рассматриваемый РСПЧ приёмопередатчик предназначен для обеспечения безопасной работы с доменом связи. Эта система очень популярна, потому что она является безопасной коммуникационной моделью, которая использует псевдослучайную шумовую (ПШ) последовательность для передачи сигнала и канал связи, используемый в качестве канала с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ), В приемнике данные восстанавливаются так же, как и частота битовой ошибки (коэффициент битовой ошибки, BER) оценивается в приемнике. Общий вид моделируется с помощью пакета MATLAB-Simulink.

Чтобы повысить производительность беспроводной связи малого радиуса действия, качество канала должно быть улучшено, с помощью подавления помех и многолучевого замирания. Расширение спектра перескоком частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) представляет собой метод передачи сигнала, где несущая частота перескакивает с одного значения на другое. Для скачкообразной перестройки частоты алгоритм работы должен быть сконструирован таким образом, чтобы данные могли быть переданы в канал связи. Адаптивная скачкообразная перестройка частоты – это метод, который используется для повышения устойчивости к влиянию частотных помех. Математическое моделирование используется для графического представления, анализа характеристик сигнала и улучшения производительности с помощью расширения спектра перескоком частоты. При этом используются известные схемы модуляции, а также исследования ситуации перескока канала.

Система с расширенным спектром должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Модулированный сигнал имеет более высокую пропускную способность чем минимальная пропускная способность, необходимая для отправки данных.

2. Спектр распространения сигнала осуществляется посредством введения широкополосного сигнала, который часто называют кодовый сигнал, не зависящий от данных.

3. В приемнике сжатие спектра выполняется с использованием той же кодовой последовательности, которая работает синхронно с передатчиком.

Некоторым приложениям необходима система для передачи исходной информации без потерь данных, а также защита от получения этой информации нежелательными пользователями. Это называется защищенная связь.

Такая связь очень важна в военных приложениях, где используются технологии расширения спектра. Эта технология используется и в коммерческих целях. Помеха в канале передачи может быть непреднамеренной, а также вызванной тем, что пользователь может передавать информацию через тот же самый канал. Иногда помехи создаются намеренно вражеским передатчиком для «глушения» передачи. Все эти проблемы решаются использованием сигнала с расширенным спектром.

2.2.1 Методология или блок-схема проекта

Описание проекта

Описание блочного уровня

                            Описание уровня логических элементов

Проект с использованием MATLAB-Simulink

                           Проверка модели приёмо-передатчика

                         Подсчёт коэффициента битовой ошибки

Рис. 9. Блок-схема модели FHSS

- Проводим анализ лабораторной работы, для чего используем Matlab R2014a.

- В этом случае система будет разработана с использованием  блоков.

- Блоки будут описаны с помощью логических элементов, что помогает проектировать систему анализируя логические схемы.

- Модель логических элементов анализируется, а затем с помощью Matlab-Simulink проектируется FHSS приёмопередатчик.

- Результаты тестируются и проверяются.

2.2.2 Обзор системы FHSS

Структурная схема FHSS системы

Рис. 10. Структура FHSS

В модуляторе основной сигнал объединяется с несущей частотой, сгенерированной блоком со скачкообразной перестройкой частоты. Несущая частотабудет случайна, так как ею управляет генератор последовательностей PN. Модулируемый сигнал является суммой двух предыдущихчастот, распространенных по всей полосе пропускания. В приёмнике демодулятор возвращает кодированный сигнал из широкополосного сигнала. Для этого демодулятору необходимо использовать ту же последовательность, что и при передаче. Следовательно генераторы случайной последовательности со стороны передатчика и приёмника должны работать в синхронизации друг с другом. Декодер в приёмнике возвращает последовательность двоичной информации. Полученные и исходные данные передаются блоку вычисления ошибки, чтобы получить коэффициент ошибок канала, и это выводится на экран при помощи дисплея BER. Рис. 10 показывает высокоуровневую структурную схему единственного пользователя FHSS.

B.  Модель  FHSS  выполненая в Simulink

В модели широкополосной системы со скачкообразной перестройкой частоты сделанной с помощью Simulink - как показано на рисунке ????3, входные данные сгенерированы при помощи двоичного генератора Бернулли. Он генерирует двоичные значения т.е. ,,1’’ и ,,0’’ при помощи выражения Бернулли. Вывод двоичного генератора закодирован при помощи циклического кодера и двоичной ,,1’’ и ,,0’’ структуры, чтобы сделать передачу проще. Двоичные значения модулируются, используя частотно манипулированный сигнал (Frequency Shift Keying, FSK), который использует переносы в качестве сигнала со скачкообразной перестройкой частоты, тогда сигнал передан по каналу Аддитивного белого нормально распределенного шума (AWGN) и вывод передатчика получен, используя быстрое преобразование Фурье.

Со стороны приёмника этот сигнал демодулируется, используя тот же сигнал со скачкообразной перестройкой частоты.Сигнал разбивается, затем декодируется, используя циклическое декодирование, и вычисляется BER (Коэффициент битовых ошибок) , используя вычислитель ошибок и выводя результаты на экран при помощи дисплея BER.

2.2.3 Выполнение модели приёмопередатчика FHSS системы

Попытайтесь восстановить работоспособность приведенной на рисунке 11 схему приёмопередатчика FHSS системы.

 

Рис. 11. Структурная схема приёмопередатчика FHSS системы

Для этого нужно установить начальные условия для каждого элемента структурной схемы, воспользовавшись данными системы MATLAB-Simulink.

Например, найдите блок, который называется BernoulliBinary, исходные данные которого по умолчанию приведены на рис. 12.

Рис. 12 Структура со скачкообразной перестройкой частоты

Рис. 13. Структурная схема модулятора

Рис. 14. Структурная схема демодулятора

Необходимо получить результаты, показанные на рис. 15.

   2.2.4 Результаты моделирования

a

б

в

Рис. 15 Результаты FHSS передатчика на разных временных интервалах показанные в пунктах a, б и в.

Результат передатчика FHSS как показано на рис. 15, есть пик во всех вышеупомянутых рисунках, которые предоставляют данные о сигнале, который передан по каналу AWGN и который перескакивает в частотном диапазоне.

Этот проект предполагает разработку и реализацию широкополосного передатчика со скачкообразной перестройкой частоты и приёмника, используя Matlab―Simulink, потому что у них есть ограничения на небольшом диапазоне передачи, что не противоречит предыдущей  части работы. Чтобы достичь этого, при помощи различных технологий таких как технология с временным разделением каналов связи (Time Division Multiple Access, TDMA), которая может быть разработана, используя систему FHSS, этот проект реализован на Matlab—Simulink. Запланированные передача и прием информации по технологии FHSS достигнуты.

3.Содержание отчета

Отчет о выполненной работе должен содержать следующее:

- структурную схему системы расширения спектра перескока частоты

- спектрограмму, по которой можно оценить величины используемых частот в алгоритме перестройки

- структурную схему модулятора

- структурную схему демодулятора

- результаты работы в виде эскизов осциллограмм

4. Контрольные вопросы

1.Назовите основное применение радиотехнологий, использующих сигналы с расширенным спектром.

2.С какой целью разработаны классические методы узкополосной  модуляции?

3.Назовите характерные признаки сигналов с расширенным спектром.

4.Зачем используются отношения W/Rи?

5.Чему равна средняя символьная вероятность ошибки?

6.Каким требованием должна удовлетворять система с расширенным спектром.

7.Назовите виды технологий множественного доступа  и объясните их различия.

8.Как определяется информационная емкость канала связи.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

67569. Протоколы локальных вычислительных сетей. Принципы построения протоколов локальных вычислительных сетей 109 KB
  Стандарты протоколов для взаимодействия ЛВС с сетями передачи данных разрабатывает МККТТ международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии. Основные принципы взаимодействия объектов на уровнях модели ВОС При взаимодействии двух уровней сети в частности сетевых уровней все время...
67570. Протоколы подуровня управления логическим каналом 103 KB
  Протоколы ПУЛК без установления логического соединения. Протоколы ПУЛК с установлением логического соединения. Протоколы подуровня управления логическим каналом без установления логического соединения При таком типе связи подуровень УЛК предоставляет сетевому уровню услугу по передаче кадров.
67572. Понятие бинарной алгебраической операции 161 KB
  Примерами таких операций могут служить обычные операции сложения вычитания или умножения на множестве всех действительных или комплексных чисел операция умножения на множестве всех квадратных матриц данного порядка операция композиции на множестве всех перестановок из N элементов операция векторного...
67573. Смежные классы; разложение группы по подгруппе 179.5 KB
  Множество xH называется левым а Hx правым смежным классом группы по подгруппе. Например очевидно что H=H=H так что подгруппа Н сама является одним из смежных классов. Свойства смежных классов Отображение определенное формулой является взаимно однозначным для всякого.
67574. Изоморфизмы и гомоморфизмы 290 KB
  Напомним, что отображение называется инъективным, если оно переводит различные элементы из X в различные элементы Y и сюръективным, если его образ совпадает со всем Y. Например, естественный гомоморфизм группы на подгруппу сюръективен. Из определения сразу следует, что гомоморфизм...
67575. Циклические группы 169 KB
  Определение Группа G называется циклической если все ее элементы являются степенями одного элемента. Примеры циклических групп: Группа Z целых чисел с операцией сложения. Группа всех комплексных корней степени n из единицы с операцией умножения. Поскольку группа является циклической и элемент g = образующий.
67576. Коммутативные группы с конечным числом образующих 181.5 KB
  Группа Q рациональных чисел с операцией сложения не является г.к.о. В самом деле, если - любые рациональные числа, записанные в виде отношения целых, то, приводя к общему знаменателю сумму, получим дробь, знаменатель которой не превосходит...
67577. Коммутативные группы с конечным числом образующих. Классификация 209.5 KB
  Для нулевой матрицы теорема очевидно верна. Будем считать, что А0. Выберем из множества ненулевых элементов А любой из наименьших по модулю и назовем его главным элементом А. Абсолютная величина главного элемента будет обозначаться h(A). Таким образом для любого ненулевого элемента этой матрицы.