 |
Заключение. 2.10 Фильтрация в многоканальных системах связи. Введение. Применение FDM. Уменьшение Ширины Полосы Канала
|
|
|
|
Заключение
Как было показано, шум в физическом канале может негативно влиять на возможность восстановления начального потока битов. Кроме того, мы увидели, как от M-арности системы зависит устойчивость системы под влиянием канального шума. Наконец, мы проиллюстрировали, как сделать оптимальный выбор между скоростью передачи данных и устойчивостью к шуму.
2. 10 Фильтрация в многоканальных системах связи
Введение
Этот раздел иллюстрирует важность фильтрации в устранении утечки спектра, уменьшении полосы канала и ослаблении помех от смежных каналов.
Многие протоколы цифровой связи созданы таким образом, что каждый канал занимает определенный диапазон частот. Такая реализация называется частотным мультиплексированием или уплотнением с частотным разделением (frequency division multiplexing) (FDM). В идеальном случае при такой реализации сигнал, генерируемый в одном канале, не будет интерферировать с сигналами в соседних каналах. В этой демонстрации мы покажем, что для ограничения частотного спектра сигнала можно использовать формирующий фильтр (pulse shaping). Кроме этого, мы проиллюстрируем устранение влияния смежных частотных каналов с помощью полосового фильтра на стороне приемника.
Применение FDM
FDM обычно используется в различных протоколах связи, включая Bluetooth и протоколы сотовой связи, такие как GSM, TDMA и CDMA. Первый пример - Bluetooth, протокол цифровой связи, который используется сотовыми телефонами, ноутбуками и карманными компьютерами. Он работает в нелицензируемом диапазоне 2, 4 ГГц и использует FDM, определяя 79 каналов с частотами от 2, 402 ГГц до 2, 480 ГГц, которые расположены с интервалом 1 МГц. Ограничение полосы каждого канала осуществляется с помощью гауссовского фильтра.
|
|
|
Второй пример использования FDM – применение в протоколе GSM, который является стандартом сотовой связи 3G. В GSM частотный диапазон разделен на каналы передачи от базовой станции к абонентам в диапазоне 890 - 915 МГц и каналы обратной передачи в диапазоне 935 - 960 МГц. Кроме того, эти полосы частот делятся на 124 канала, расположенных с интервалом 200 кГц. Полоса каждого из каналов ограничивается с помощью фильтра с косинусоидальным сглаживанием (root raised cosine filter).
Почти для всех протоколов с цифровой модуляцией возможно многоканальное исполнение с применением фильтров. Фактически, фильтры должны применяться как в передатчике, так и в приемнике с тем, чтобы ограничивать каждый канал выделенной ему полосой. На передающей стороне применяется формирующий фильтр для IQ сигнала при передаче каждого символа. На приемной стороне для ограничения частотного диапазона и устранения интерференции от смежных каналов используется полосовой фильтр. Ниже мы опишем требования и эффективность обоих типов фильтров.
Для выполнения двух важных требований, предъявляемых к беспроводным каналам связи, необходимо использовать формирующие («pulse shaping») фильтры. Эти требования: 1) генерация в ограниченных по частоте каналах и 2) уменьшение межсимвольной интерференции (ISI) при многолучевых отражениях сигнала. Фактически, фильтр в виде функции sync, показанный ниже, удовлетворяет этим требованиям, поскольку он эффективно использует частотную область, и благодаря финитности функции, действующей на каждом символьном периоде модулированного сигнала. Импульс sync с FFT-спектром показан ниже.
Как видно из рисунка, импульс sync периодичен и имеет максимальную амплитуду в середине символьного интервала. Кроме того, в частотной области импульс будет выглядеть как прямоугольник, который может эффективно ограничить канал связи в определенном частотном диапазоне.
|
|
|
Уменьшение Ширины Полосы Канала
По существу, модуляция несущей синусоиды приводит к постоянным изменениям (переходам) в её фазе и амплитуде. Ниже показана временная область несущей синусоиды с частотой символов, равной половине частоты несущей. Это видно из того, что переходы фазы и амплитуды происходят на каждом втором периоде несущей. Можно видеть, что без использования фильтрации происходят резкие переходы.
|
Известно, что резкие перепады амплитуды сигнала приводят к возникновению высокочастотных компонентов в частотной области. В многоканальных системах связи концентрация мощности модулированной несущей в ширине полосы канала чрезвычайно важна по нескольким причинам. Во-первых, мощность передачи уменьшается, когда сигнал более сконцентрирован в частотном диапазоне. Кроме того, канал, ограниченный в определенной полосе частот, не оказывает влияния на соседние каналы.
Применение формирующего фильтра к модулированной синусоиде сглаживает резкие переходы и ограничивает результирующий сигнал определенной полосой частот. Ниже показана модулированная синусоида во временной области.
|
Как показывает этот рисунок, при использовании фильтрации переходы фазы и амплитуды происходят более плавно. В результате, частотная информация синусоиды становится более сконцентрированной в определенной полосе частот.
|
|
|
