close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

ziatdinov 008AEDF1D2

код для вставкиСкачать
Федеральное агенТство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
МОБИЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
С КОДОВЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ
КАНАЛОВ
Методические указания
к выполнению лабораторной работы
Санкт-Петербург
2009
Составитель С. И. Зиатдинов
Рецензент кандидат технических наук В. И. Исаков
Методические указания содержат описание лабораторной работы
по дисциплине «Аппаратные средства передачи информации». Изучаются общие принципы построения мобильных систем передачи информации с кодовым способом разделения каналов.
Указания предназначены для студентов информационных специальностей.
Подготовлены кафедрой информационно-сетевых технологий и
рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом университета.
Корректор Т. В. Звертановская
Верстальщик А. Н. Колешко
Сдано в набор 23.12.09. Подписано к печати 24.12.09. Формат 60×84 1/16.
Бумага офсетная. Печ. л. 0,75. Уч.-изд. л.0,7.
Тираж 50 экз. Заказ № 837.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© ГУАП, 2009
Лабораторная работа
Мобильные системы передачи информации
с кодовым разделением каналов
Цель работы: изучение общих принципов построения мобильных систем связи со сложными сигналами.
Общие положения
Мобильная связь – одно из современных направлений в области
связи, получившее интенсивное развитие в течение последних десятилетий.
В настоящее время одно из доминирующих положений на рынке
мобильной связи занимает сотовая связь [1]. Стандарты сотовой связи нового поколения предусматривают технологию частотного разделения каналов (FDMA), когда каждому рабочему каналу в системе выделяют свой частотный диапазон. В стандартах второго поколения используют метод временного разделения каналов (TDMA),
когда каждому каналу выделяют свой временной интервал, либо
частотно-временного (FD/TDMA).
На сегодняшний день системы FDMA и TDMA практически исчерпали свои возможности и не могут обеспечить существенно большую пропускную способность.
Технология кодового разделения каналов (CDMA) благодаря высокой спектрально-корреляционной эффективности является радикальным решением проблемы дальнейшего развития сотовых систем связи. При CDMA-технологии каждый из каналов информационной системы полностью использует весь выделенный частотновременной ресурс. Радиоканалы систем CDMA перекрываются как
по времени, так и по частоте. Разделение сигналов отдельных каналов осуществляется за счет того, что каждый канал имеет свою
адресную кодовую последовательность.
3
Основные принципы построения систем
сотовой связи
В основе организации систем сотовой связи лежит разделение обслуживаемой территории на небольшие зоны – соты (рис. 1). В каждой соте устанавливают приемопередатчик, управляемый контроллером. Приемопередатчик и контроллер образуют функциональную
единицу – базовую станцию (БС).
Сота
Сота
Сота
Сота
Сота
Сота
Сота
Рис. 1. Сотовая структура покрытия обслуживаемой территории
Сотовая технология имеет ряд важных достоинств. Во-первых,
более эффективно используется частотно-временной ресурс: одни
и те же радиоканалы можно использовать в разных сотах, находящихся друг от друга на некотором расстоянии, во-вторых, можно
применять передатчики меньшей мощности как на базовых (БС),
так и на мобильных станциях (МС), находящихся у абонентов.
Сотовая структура системы связи требует контроль за перемещением абонентов как в режиме ожидания (мобильный аппарат просто включен), так и в активном режиме (прием – передача сообщений). Это требует создания центра коммутации мобильных станций, которые решают следующие задачи:
1. Хранение системной информации о МС;
2. Переключение каналов связи при переходе МС в активном состоянии из одной соты в другую.
3. Подключение каналов городской стационарной телефонной
сети общего пользования (ГТС).
4. Обеспечение связи МС внутри собственно сети без обращения
к ГТС.
На рис. 2 показаны основные составляющие систем сотовой связи. Несмотря на разнообразие стандартов сотовой связи, алгоритмы
их функционирования в основном сходны. Когда радиотелефон абонента находится в режиме ожидания (состояние «трубка положена»
обычного телефона), его приемное устройство постоянно сканирует
(просматривает все каналы системы, в том числе управляющие).
4
БС
МС
БС
БС
МС
БС
БС
БС
БС
Центр
коммутации
мобильных
систем
Городская
телефонная
станция
Рис. 2. Основные составляющие системы сотовой связи
Одновременно по одному из управляющих каналов МС к БС передается служебная информация. Сигнал принимается ближайшей
БС и передается в центр коммутации, который фиксирует местоположение (номер соты) мобильного аппарата.
Таким образом происходит регистрация всех МС в сети. Во время набора номера радиотелефон занимает один из свободных каналов ближайшей БС, которая принимает сигнал МС. Далее для вызова
необходимого абонента управляемая коммутационным центром ближайших к МС БС передает сигнал вызова. Сотовый телефон вызываемого абонента при получении этого сигнала отвечает по одному из
свободных каналов управления. В результате центр коммутации переключает разговор на ту БС, где зафиксирован максимальный уровень сигнала сотового радио телефона вызываемого абонента.
По мере удаления абонента от БС или в связи с ухудшением условий распространения радиоволн уровень сигнала уменьшается, что
ведет к ухудшению качества связи. Улучшение качества разговора
достигается путем автоматического переключения абонента на другой канал связи.
При перемещении МС внутри сети происходит эстафетная передача МС от одной БС к другой. Важной мерой, предпринимаемой
для снижения уровня помех и увеличения пропускной способности
сети, служит автоматическое регулирование мощности передатчиков МС и БС. Решение об изменении мощности передатчиков принимают на основании измерения уровня сигнала в специальном контрольном канале.
5
Наличие системы автоматической регулировки мощности передатчиков позволяет эффективно изменять размер сот в зависимости
от плотности размещения абонентов в зоне обслуживания сети.
Свойства сложных сигналов
Сложными называются сигналы, произведение длительности
которых на ширину спектра (база) много больше единицы:
B=T*∆F, B>>1,
где B, T и ∆F – база, длительность и ширина спектра сигнала соответственно.
На применении сложных сигналов основаны технологии, позволяющие использовать уже занятые частотные диапазоны.
Основная идея технологии сложных сигналов базируется на преобразовании узкополосных сигналов с шириной спектра ∆f в широкополосные сигналы шириной спектра ∆F при постоянной энергии
сигналов E, т. е. ∆F >> ∆f при E = const.
На рис. 3 показаны спектральные плотности узкополосного и
широкополосного сигналов.
G(f)
E
∆f
∆f
E
∆F
∆F
Узкополосный
сигнал
Широкополосный
сигнал
f
Рис. 3. Преобразование ширины спектра сигналов
Пусть требуется передать сообщение, спектр которого имеет ширину ∆f, а спектральная плотность мощности может быть оценена
отношением E/∆f. При использовании широкополосной передачи в
эфир излучают сигнал с преднамеренно расширенной полосой ∆F,
так что спектральная плотность энергии каждого сигнала уменьшается в E/∆f раз и составляет E/∆F. При одинаковой длительности
исходного (узкополосного) и излученного (широкополосного) сигналов база сигнала, равная произведению ширины спектра на длительность, возрастает при этом в E/∆f раз.
Из рис. 3 видно, что сложный (шумоподобный) сигнал по отношению к исходному простому представляет собой шум с постоянной в
пределах интервала ∆f спектральной плотностью мощности. Чем
6
больше «растянута» полоса ∆F сложного сигнала при постоянной
энергии E, тем меньше спектральная плотность энергии сигнала.
В итоге получившая широкополосная система сможет оказывать
на работающую в том же диапазоне узкополосную систему сколь
угодно малое влияние.
Сигналы с большой базой обеспечивают ряд преимуществ:
1. Высокую помехозащищенность систем связи.
2. Эффективную борьбу с искажениями сигналов в канале связи.
3. Одновременную работу многих абонентов в общей полосе частот за счет кодового разделения каналов.
4. Более эффективное использование спектра частот на ограниченной территории.
При использовании сложных сигналов возможно выделение сигналов отдельных каналов связи из общей интерференционной картины за счет корреляционной обработки при приеме.
На рис. 4, а показан сложный высокочастотный фазоманипулированный сигнал со скачкообразным изменением фазы на π. На рис.
4, б изображен закон изменения фазы сигнала.
а)
S(t)
t
T
ϕ (τ )
б)
t
T
в)
R(τ )
1
∆F
1
∆F
R(0)
R(τ )
RБ
T
τ
г)
τ
Рис. 4. Сложный сигнал и разделение каналов:
а – фазоманипулированный сигнал; б – изменение фазы сигнала;
в – автокорреляционная функция сигнала;
г – подавление сигнала мешающего канала
7
При этом выходной сигнал коррелятора имеет вид, представленный на рис. 4, в. Этот сигнал соответствует автокорреляционной
функции сигнала (АКФ). В центре АКФ имеется резкий короткий
выброс в виде узкого импульса, называемый центральным пиком,
или основным (главным) лепестком. Его амплитуда R(0), а длительность обратно пропорциональна ширине спектра сигнала:
1
τ~
.
∆F
Чем шире спектр сигнала, тем уже центральный пик.
Оставшуюся область АКФ занимают боковые лепестки с максимальным уровнем RБ.
При кодовом разделении каналов излученный сигнал каждого
канала имеет свою АКФ. На рис. 4, г показана реакция коррелятора
на сигнал другого канала.
В приемнике БС и МС имеется N корреляторов, где N – число информационных каналов.
Тогда конкретный коррелятор на приемной стороне отреагирует
только на ту кодовую комбинацию, эталон которой хранится в приемнике. Отклик коррелятора на сигналы соседних каналов в идеале должен быть нулевым. Примером ансамблей сложных сигналов
может служить ансамбль функций двоичных псевдослучайных последовательностей [2].
Двоичные псевдослучайные последовательности представляют
собой набор из M символов di, каждый из которых может принимать одно из двух значений: +1 или –1. Это значение определяется
взятием с противоположным знаком произведений значений двух
предыдущих символов:
di = – di–n di–k,
где n > k ≥ 1, а i = (n + 1)÷M.
Если взять d1 = d2 = …= dn–1 = –1, а dn =+1, то образуется неповторяющаяся элементарная последовательность {di} из M символов,
где M = 2n – 1.
В качестве примера возьмем сначала простейший случай n = 2:
di = –di–2 di–1.
Тогда, если d1 = –1; d2 = +1, то d3 = +1.
Следовательно, искомая последовательность имеет вид –1, +1,
+1. При этом закон изменения фазы высокочастотного сигнала и
сам фазоманипулированный сигнал имеют вид, показанный соответственно на рис. 5, а, б.
8
а)
ϕ(t)
t
б)
U(t)
t
Рис. 5. Формирование фазоманипулированного сигнала:
а – закон изменения фазы; б – фазоманипулированный сигнал
При n = 3 возможны два правила образования последовательностей:
di = – di–3 di–2 и di = – di–3 di–1,
которые приводят соответственно к следующим элементарным последовательностям из M = 23 – 1 =7 символов:
–1, –1, +1, –1, +1, +1, +1
и
–1, –1, +1, +1, +1, –1, +1.
Число элементов последовательности M с увеличением n резко
возрастает, практически удваиваясь при увеличении n на единицу. При этом общее количество различных комбинаций (последовательностей) для любого n составляет
1
,
N=
nϕ(2n -1)
где ϕ(x) – фи-функция Эйлера.
Длительности последовательностей и их число в зависимости от
n приведены в таблице.
Таблица
n
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
M
1
3
7
15
31
63
127
255
511
1023
2047
N
1
1
2
2
6
6
18
16
48
60
176
Из таблицы видно, что при n = 11 количество различных последовательностей составляет уже 176.
9
Двоичные псевдослучайные последовательности обладают замечательным свойством. Их автокорреляционная функция при максимуме, равном 1, в главном лепестке имеет боковые лепестки на
уровне 1/M, что позволяет эффективно разделять сигналы разных
каналов информационной системы.
На рис. 6 приведена структурная схема одного канала приемника МС для сложного фазоманипулированного сигнала.
Усилитель
Фазовый UФД(t) Коррелятор
демодулятор
Si
Ui (t)
Рис. 6. Приемный канал фазоманипулированного сигнала
Принятый антенной МС сигнал от БС после усиления поступает в фазовый демодулятор, на выходе которого появляется сигнал
UФД(t), соответствующий закону фазовой модуляции входного сигнала.
Далее выходной сигнал фазового демодулятора подается на вход
коррелятора, на второй вход которого поступает из памяти МС опорный сигнал Ui(t) i-го канала. В результате на выходе коррелятора
формируется сигнал Si, соответствующий i-му каналу.
Алгоритм работы коррелятора определяется следующим соотношением
T
Si = ò UÔÄ (t)Ui (t) dt,
0
где UФД(t) – выходной сигнал фазового демодулятора; Ui(t) – опорный сигнал, соответствующий i-му каналу МС; T – длительность
сигнала.
Порядок выполнения лабораторной работы
1. В соответствии с заданием сформировать сложный сигнал.
2. Провести моделирование сложного сигнала.
3. Вычислить и построить автокорреляционную функцию сложного сигнала.
4. Вычислить и построить взаимокорреляционную функцию
двух сложных сигналов.
10
Содержание отчета
1. Представить основные составляющие системы сотовой связи.
2. Привести распечатку программы моделирования сложного
сигнала и расчета авто- и взаимокорреляционной функций сложных сигналов.
3. Представить временную реализацию сложного сигнала.
4. В соответствии с результатами моделирования изобразить автокорреляционную функцию сложного сигнала.
5. Представить взаимную корреляционную функцию двух сложных сигналов.
Контрольные вопросы
1. Принципы построения систем мобильной связи.
2. Основные составляющие систем сотовой связи.
3. Алгоритм работы мобильной системы связи.
4. Понятие и основные характеристики сложных сигналов.
5. Кодовое разделение каналов.
6. Структура и работа приемного канала сотовой мобильной системы.
7. Программы моделирования сложного сигнала и вычисления
его автокорреляционной функции.
Рекомендуемая литература
1. Андрианов В. И., Соколов А. В. Средства мобильной связи. СПб.:
БХВ-Санкт-Петербург, 2001. 256 с.
2. Лезин Ю. С. Введение в теорию и технику радиотехнических
систем. М.: Радио и связь, 2001. 279 с.
11
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
520 Кб
Теги
ziatdinov, 008aedf1d2
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа