 |
Широкополосные системы связи
|
|
|
|
Определение широкополосных систем связи
В системах связи с ШПС ширина спектра ШПС F всегда много больше ширины спектра передаваемого сообщения. В цифровых системах связи, передающих информацию в виде двоичных символов, длительность ШПС и скорость передачи информации R связаны соотношением Т= 1/R. Поэтому база ШПС
В=F/R (10)
характеризует расширение спектра ШПС относительно спектра сообщения. В аналоговых системах связи, у которых верхняя частота сообщения равна W и частота отсчета равна 2W,
В = F/2W. (11)
И если B ≥ 1, F >> R и F >> 2W. Именно поэтому системы связи с ШПС в зарубежной литературе получили название системы связи с расширенным (или распределенным) спектром, а в отечественной литературе - широкополосные системы связи [1]. В дальнейшем термин «широкополосные системы связи (ШCC)» будет относиться только к системам связи с ШПС.
Помехоустойчивость ШСС
Она определяется широко известным соотношением, связывающим отношение сигнал-помеха на выходе приемника (на выходе согласованного фильтра или коррелятора) q2 с отношением сигнал-помеха на входе приемника 
:
, (12)
где 
(
- мощности ШПС и помехи),
,
Е - энергия ШПС,
- спектральная плотность мощности помехи в полосе ШПС.
Соответственно 
а 
B - база ШПС.
Отношение сигнал-помеха на выходе q2 определяет рабочие характеристики приема ШПС, а отношение сигнал-помеха на входе р2 - энергетику сигнала и помехи. Величина q2 может быть получена согласно требованиям к системе (10...30 дБ) даже если р2 << 1. Для этого достаточно выбрать ШПС с необходимой базой В, удовлетворяющей (12). Как видно из соотношения (12), прием ШПС согласованным фильтром или коррелятором сопровождается усилением сигнала (или подавлением помехи) в 2В раз. Именно поэтому величину
|
|
|
(13)
называют коэффициентом усиления ШПС при обработке или просто усилением обработки. Из (12), (13) следует, что усиление обработки 
. В ШСС прием информации характеризуется отношением сигнал-помеха 
, т.е.
(14)
Соотношения (12), (14) являются фундаментальными в теории систем связи с ШПС. Они получены для помехи в виде белого шума с равномерной спектральной плотностью мощности в пределах полосы частот, ширина которой равна ширине спектра ШПС. Вместе с тем эти соотношения справедливы для широкого круга помех (узкополосных, импульсных, структурных), что и определяет их фундаментальное значение. В общем случае, усиление обработки ШПС для произвольных помех
, (15)
где степень приближения зависит как от вида помех, так и от базы ШПС.
На рисунке 5 приведены графики помехоустойчивости систем связи с ШПС, с частотной модуляцией (ЧМ) и с амплитудной модуляцией (AM).
Рисунок 5- Помехоустойчивость систем связи с ШПС: ЧМ и АМ
Для сравнения ЧМ и ШПС взяты одинаковые полосы частот, что соответствует В=100. Помехоустойчивость системы связи с ШПС рассчитана согласно (12), причем положено, что информация передается с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Известно, ЧМ обладает высокой помехоустойчивостью и обеспечивает высокое качество воспроизведения информации при условии, что отношение сигнал-помеха на входе выше порогового значения 
= 10...15 дБ. При уменьшении р2 ниже порогового значения помехоустойчивость системы связи с ЧМ резко падает. Система с AM и эквивалентной базой В=1 работает лишь при р2 > 0 дБ, зависимость q2 от р2 линейная. Система связи с ШПС обеспечивает надежный прием информации и при р2 < 0 дБ. Например, если положить q2= 10 дБ, то система связи будет работать при отношении сигнал-помеха на входе -13 дБ, т.е. р2=0,05. Таким образом, одним из основных назначений систем связи с ШПС является обеспечение надежного приема информации при воздействии мощных помех, когда отношение сигнал-помеха на входе приемника р2 может быть много меньше единицы [1].
|
|
|
Необходимо еще раз отметить, что приведенные соотношения строго справедливы для помехи в виде гауссовского случайного процесса с равномерной спектральной плотностью мощности («белый» шум).
Скрытность системы связи
Это способность противостоять обнаружению и измерению параметров. Скрытность - понятие очень емкое, так как включает в себя большое множество особенностей обнаружения ШПС и измерения их параметров. Поскольку обнаружение ШПС и измерение параметров возможны при различной первоначальной осведомленности (априорной неопределенности) о системе связи, то можно указать только основные соотношения, характеризующие скрытность. Когда известно, что в данном диапазоне частот может работать система связи, но параметры ее неизвестны, то в этом случае можно говорить об энергетической скрытности системы связи, так как ее обнаружение возможно с помощью анализа спектра (энергетическое обнаружение). Характеристика обнаружения (вероятности ложной тревоги и пропуска сигнала) полностью определяется отношением сигнал-помеха на входе приемника-анализатора р2= 
, где помеха представляет собой собственный шум приемника 
, a k - постоянная Больцмана, 
- температура окружающей среды, 
- коэффициент шума приемника. Время обнаружения ШПС при условии р2 << 1 приближенно определяется соотношением
, (16)
где размерная постоянная 
зависит как от шумовых свойств приемника, мощности сигнала на входе, так и от требуемого отношения сигнал-помеха на выходе q2. Таким образом, чем шире ширина спектра ШПС, тем больше время обнаружения, тем выше энергетическая скрытность системы связи.
|
|
|
Если ШПС системы связи воспроизводятся приемником-анализатором уверенно, то время анализа приближенно определяется соотношением, аналогичным по виду соотношению (16), но 
, b - постоянная величина. Чем шире спектр ШПС, тем больше база, тем больше время анализа, тем выше параметрическая скрытность системы связи.
Таким образом, чем шире спектр ШПС и чем больше его база, тем выше как энергетическая, так и параметрическая скрытность. Для борьбы с радиоразведкой в помехозащищенных системах связи применяют также смену ШПС. Частота смены ШПС, их выбор из некоторого ансамбля (системы сигналов) определяется многими требованиями к системе связи и не может быть однозначно определен. Однако полагают, что число сигналов в системе (или объем системы сигналов) должно быть много больше базы ШПС. Можно предположить, что для помехозащищенных систем связи объем системы сигналов L определяется степенным законом:
L~Bm, (17)
где m - некоторое число, по крайней мере удовлетворяющее условию m ≥ 2, хотя для работы может использоваться гораздо меньшее число ШПС.
Следовательно, использование ШПС повышает помехоустойчивость и скрытность системы связи, т.е. её помехозащищенность. Как следует из материалов зарубежной печати, ШПС используют в спутниковых системах связи, в авиационных системах связи, в радиорелейных линиях, в спутниковых навигационных системах. По-видимому, применение ШПС в помехозащищенных системах связи будет расширяться.
Борьба с многолучевостью
Применение ШПС в системах связи позволяет бороться с многолучевостью распространения радиоволн. Многолучевость возникает в том случае, если радиоволны приходят в точку приема, отразившись от различных препятствий на пути распространения (слои ионосферы, здания, холмы и т.п.). Из-за различия в длине пути эти радиоволны приходят с различным запаздыванием. В результате, если сигналы, пришедшие по разным путям, перекрываются во времени, то между ними возникает интерференция, которая в свою очередь вызывает глубокие замирания результирующего сигнала. Обычно для компенсации замираний предусматривают увеличение мощности сигнала на 20 дБ. Иначе обстоит дело при использовании ШПС, поскольку при обработке ШПС согласованным фильтром происходит сжатие ШПС по времени, что иллюстрируется рисунке 6. На рисунке 6 (а) изображен ШПС с частотной модуляцией длительностью Т. На рисунке 6 (б) изображено напряжение на выходе согласованного фильтра - отклик фильтра на ШПС. Этот отклик называется автокорреляционной функцией (АКФ) ШПС. Хотя АКФ имеет длительность 2T, то в ней можно выделить две резко отличающиеся структуры. В центре АКФ резкий выброс в виде узкого импульса, называемого центральным пиком. Его амплитуда равна V, а длительность
|
|
|
. (18)
Чем шире спектр ШПС, тем короче центральный пик. Вторую область составляют боковые пики с максимальным значением 
. Шумоподобные сигналы с большими базами обладают свойствами, которые записываются двумя соотношениями:
, (19)
(20)
где б - некоторая постоянная, в общем случае зависящая от базы В.
Рисунок 6- Шумоподобный сигнал (а), автокорреляционная функция (б) и разделение лучей (в)
Соотношение (19) определяет сжатие ШПС - отношение длительности ШПС Т к длительности центрального пика. Сжатие ШПС равно, примерно, базе. Поэтому при T=const увеличение F приводит к уменьшению длительности центрального пика 
и к увеличению сжатия.
Соотношение (20) характеризует подавление боковых пиков. Оно равно отношению амплитуды центрального пика V к амплитуде максимального бокового пика . Чем больше база, тем больше подавление боковых пиков. И в пределе АКФ ШПС с ростом базы стремится к узкому дельта-импульсу. Такую АКФ имеет широкополосный шум, что и послужило причиной названия - «шумоподобные сигналы».
На рисунке 6 (в) изображен отклик согласованного фильтра на несколько ШПС, пришедших по различным путям. Если задержка между лучами ∆t больше длительности центрального пика 
, то лучи разделяются и центральные пики различных лучей можно разделить один от другого, а затем и объединить, устранив задержку между ними. Такой принцип борьбы с многолучевостью был использован в одной из первых систем связи с ШПС «RAKE». Таким образом, условие ∆t > 
обеспечивает разделение лучей. Поскольку и F связаны соотношением (18), то условие разделения лучей записывается следующим образом:
|
|
|
F∆t > 1. (21)
Например, если при распространении радиоволн существуют два луча - прямой и отраженный от некоторого объекта, то задержка 
, где с- скорость света, R - расстояние между передатчиком и приемником, d - расстояние между отражающим объектом и прямым лучом. В этом случае необходимо использовать ШПС с шириной спектра
(22)
Чем больше d, тем меньше F. Может оказаться, что при малых d могут потребоваться ШПС с очень широкими спектрами, что не всегда можно реализовать на практике.
|
|
|
