Принцип кодового разделения каналов

   1. Принцип кодового  разделения каналов

   При кодовом разделении каналов  каждому  индивидуальному каналу назначается  свой характерный ключевой признак (код). Таким признаком может быть номер приемника получателя информации. Затем индивидуальные каналы объединяются в передатчике в групповой сигнал, который передается по каналу связи. Каждому индивидуальному каналу выделяется одна и та же самая широкая полоса частот, так что во время передачи каналы накладываются друг на друга, но поскольку их коды отличаются, они могут быть легко выделены на приемной стороне. Принцип кодового разделения каналов реализован в системах сотовой радиосвязи, использующей технологию многостанционного доступа CDMA.

     Принципы  кодового разделения каналов связи  основаны на использовании широкополосных сигналов (ШПС), полоса которых значительно превышает полосу частот, необходимую для обычной передачи сообщений, например, в узкополосных системах с частотным разделением каналов (FDMA). Основной характеристикой ШПС является база сигнала, определяемая как произведение ширины его спектра F на его длительность Т : В= F*T

       В цифровых системах связи,  передающих информацию в виде  двоичных символов, длительность  ШПС Т и скорость передачи сообщений С связаны соотношением: Т = 1/С. Поэтому база сигнала В = F/C характеризует расширение спектра ШПС относительно спектра сообщения. Расширение спектра частот передаваемых цифровых сообщений может осуществляться двумя методами или их комбинацией:

      1. прямым расширением спектра  частот;

      2. скачкообразным изменением частоты несущей.

       При первом способе узкополосный  сигнал (рис. 1) умножается на псевдослучайную  последовательность (ПСП) с периодом  повторения Т, включающую N бит последовательности длительностью to каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП В-Т/tо = N.

     

Рисунок 1 - Прямое расширение спектра частот

     Скачкообразное  изменение частоты несущей (рис. 2), как правило, осуществляется за счет быстрой перестройки выходной частоты  синтезатора в соответствии с законом формирования псевдослучайной последовательности.

     

Рисунок 2  - Скачкообразное изменение частоты несущей

     Прием ШПС осуществляется оптимальным  приемником, который для сигнала  с полностью известными параметрами  вычисляет корреляционный интеграл:

     

     где x(t) - входной сигнал, представляющий собой сумму полезного сигнала u(t) и помехи n(t) (в данном случае белый шум). Затем величина Z сравнивается с порогом zq. Значение корреляционного интеграла находится с помощью коррелятора (рис. 3) или согласованного фильтра. Коррелятор осуществляет "сжатие" спектра широкополосного входного сигнала путем умножения его на эталонную копию u(t) с последующей фильтрацией в полосе 1/Т, что и приводит к улучшению отношения сигнал/шум на выходе коррелятора в В раз по отношению ко входу. При возникновении задержки между принимаемыми и опорными сигналами амплитуда выходного сигнала коррелятора уменьшается и приближается к нулю, когда задержка становится равной длительности элемента ПСП tq. Это изменение амплитуды выходного сигнала коррелятора определяется видом АКФ - автокорреляционной функции (при совпадающих входной и опорной ПСП) и ВКФ- взаимнокорреляционной функции (при отличающихся входной и опорной ПСП).

     

Рисунок 3 – Коррелятор

     Выбирая определенный ансамбль сигналов с "хорошими" взаимными и автокорреляционными  свойствами можно обеспечить в процессе корреляционной обработки (свертки  ШПС) разделение сигналов. На этом основан  принцип кодового разделения каналов  связи.

       В существующих и разрабатываемых системах сотовой связи преимущественно используются ШПС, формирование которых осуществляется по методу прямого расширения спектра (DS – CDMA – Direct Sequence CDMA), в этом случае адресность абонентов определяется формой псевдослучайной последовательности, используемой для расширения полосы спектра частот. Радиосигнал, сформированный в этом случае (рис. 1), называется фазоманипулированным широкополосным сигналом (ФМн ШПС).

       Доминирующее значение в выборе  вида ПСП для формирования ШПС в системах подвижной радиосвязи играют прежде всего взаимные и автокорреляционные характеристики ансамбля сигналов, его объем, простота реализации устройств формирования и "сжатия" (свертки) сигналов в приемнике. В этой связи для формирования ФМн ШПС преимущественно используются линейные М-последовательности и их сегменты. Для расширения объема ансамбля сигналов часто используют составные ПСП, сформированные, например, на основе М-последовательностей и последовательностей Уолша.

     2. Принцип работы  системы сотовой связи стандарта CDMA

     

Рисунок 4 - Упрощенная структурная схема, поясняющая принцип работы системы стандарта CDMA.

     Информационный  сигнал кодируется по Уолшу, затем смешивается  с несущей, спектр которой предварительно расширяется перемножением с сигналом источника псевдослучайного шума. Каждому информационному сигналу назначается свой код Уолша, затем они объединяются в передатчике, пропускаются через фильтр, и общий шумоподобный сигнал излучается передающей антенной.

       На вход приемника поступают  полезный сигнал, фоновый шум,  помехи от БС соседних ячеек  и от МС других абонентов.  После ВЧ-фильтрации сигнал поступает  на коррелятор, где происходит  сжатие спектра и выделение  полезного сигнала в цифровом  фильтре с помощью заданного кода Уолша. Спектр помех расширяется, и они появляются на выходе коррелятора в виде шума. На практике в ПС используется несколько корреляторов для приема сигналов с различным временем распространения в радиотракте или сигналов, передаваемых различными БС.

     В системах, использующих метод CDMA, изменяя  синхронизацию источника псевдослучайного шума, можно использовать один и  тот же участок полосы частот для  работы во всех ячейках сети. Такое 100%-ное использование доступного частотного ресурса - один из основных факторов, определяющих высокую абонентскую емкость сети стандарта CDMA и упрощающих ее организацию. Системы на базе CDMA имеют динамическую абонентскую емкость. И хотя имеется 64 кода Уолша, этот теоретический предел не достигается в реальных условиях, и абонентская емкость системы ограничивается внутрисистемной интерференцией, вызванной одновременной работой подвижных и базовых станций соседних ячеек.

     2. Параметры антенн

     Любая радиолиния включает в себя передающее и приемное устройства, неотъемлемым элементом которых являются антенны, обеспечивающие излучение и прием электромагнитных волн. Эти антенны называются соответственно передающими и приемными. Передающая антенна преобразует энергию высокочастотных колебаний токов или полей, поступающих от передатчика, в энергию излучаемых в пространство электромагнитных волн. Приемная антенна преобразует энергию электромагнитных волн, принятых из окружающего ее пространства, в энергию высокочастотных колебаний токов или полей, поступающих от антенны во входные цепи приемника. Антенны (кроме активных) обладают свойством обратимости, т.е. любая из них, в принципе, может работать как в режиме приема, так и в режиме передачи. 
 

     Параметры и характеристики передающих антенн

     Принципиальным  отличием передающей антенны от других, применяемых в радиотехнической аппаратуре устройств, является создание с ее помощью электромагнитного волнового поля излучения.

     Антенна по отношению к передатчику с  одной стороны выполняет функцию  нагрузки, поглощающей вырабатываемую им энергию. При этом, в общем случае, входное сопротивление антенны является  комплексным.

         (2)

     где – активная составляющая входного сопротивления, равная сумме сопротивлений излучения и потерь, отнесенных к входным клеммам антенны;

       - реактивная составляющая входного сопротивления,  соответствующая мощности реактивных полей вокруг антенны .

     С другой стороны часть потребляемой энергии излучается антенной в виде свободно распространяющихся электромагнитных волн. Принимая во внимание эти два обстоятельства, антенну следует считать преобразователем энергии важнейшей характеристикой которого является коэффициент полезного действия (КПД).

     КПД антенны называют отношение излучаемой мощности к общей мощности, подводимой к антенне:

         (3)

     Способность антенны излучать электромагнитные волны с различной интенсивностью в разных направлениях характеризуется  ее направленными свойствами.

     Создаваемое антенной в дальней зоне электромагнитное поле характеризуется амплитудой, поляризацией и фазой вектора электрической напряженности . Эти величины зависят от расстояния и направления излучения, то есть от углов и сферической системы координат. Зависимость амплитуды напряженности поля от направления в пространстве на одинаковом достаточно большом расстоянии от антенны называется характеристикой направленности, то есть

               (4)

     Обычно характеристику направленности нормируют к единице путем деления ее на величину максимальной напряженности поля, создаваемой в направлении максимума излучения:

      .  (5)

     Иногда  пользуются понятием характеристики направленности по мощности, которая равна квадрату характеристики направленности по полю. Графическое изображение характеристики направленности называют диаграммой направленности.

     Построение  диаграммы направленности возможно в полярной или прямоугольной  системах координат. В общем случае может быть построена пространственная диаграмма направленности, но так как данная процедура весьма затруднительна, то на практике ограничиваются изображением ее наиболее характерных сечений, например сечений двумя ортогональными плоскостями, проходящими через максимум излучения.

     Степень концентрации электромагнитной энергии  в главном направлении характеризуется  шириной главного лепестка (шириной  диаграммы направленности). Шириной  диаграммы направленности называют угол между двумя направлениями, в пределах которого напряженность поля уменьшается в раз, а мощность - в два раза по сравнению с ее максимальным значением.

     Для количественной оценки свойства антенны  концентрировать излучение энергии  ЭМВ в определенном направлении  вводят понятие коэффициент направленного действия (КНД), который определяется отношением мощности излучения некоторой воображаемой ненаправленной антенны к мощности излучения данной антенны , создающих в направлении максимума излучения на одинаковом расстоянии равные напряженности поля:

                       ,                                 (6)

     Для произвольного направления КНД  определяется соотношением:

         (7)

     КНД показывает выигрыш по мощности, который получается в направлении главного максимума излучения за счет концентрации излучения в этом направлении и ослабления в других, но при этом не учитывает возможных потерь в направленной антенне.

     Для суждения о выигрыше, даваемом антенной, при учете как ее направленного  действия, так и потерь в ней, служит параметр, называемый коэффициентом  усиления антенны (КУ).

     КУ  принято обозначать через  и количественно определять соотношением:

         (8)

     Таким образом, коэффициент усиления показывает, во сколько раз нужно уменьшить (или увеличить) мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению  с мощностью, подводимой к идеальной  ненаправленной антенне без потерь, для того чтобы получить одинаковую напряженность поля в рассматриваемом направлении.

     Коэффициент, связывающий напряженность электрического поля, создаваемого антенной в направлении  главного излучения, с током в  передающей антенне, имеет размерность  длины и называется действующей длиной антенны. С физической точки зрения действующую длину антенны можно представить как длину некоторой воображаемой антенны с равномерным распределением тока, равным току на ее зажимах, создающей в направлении максимума излучения ту же напряженность поля, что и рассматриваемая антенна.