Технологія розширеного спектру

Спочатку метод розширеного спектру створювався для розвідувальних і військових цілей. Основна ідея методу полягає в тому, щоб розподілити інформаційний сигнал по широкій смузі радіодіапазоні, що в підсумку дозволить значно ускладнити придушення або перехоплення сигналу. Перша розроблена схема розширеного спектру відома як метод перебудови частоти. Більш сучасною схемою розширеного спектру є метод прямого послідовного розширення. Обидва методи використовуються в різних стандартах і продуктах бездротового зв'язку.

1.2.1 Розширення спектру стрибкоподібної перебудовою частоти

Ідея методу розширення спектра стрибкоподібної перебудовою частоти (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) виникла під час Другої світової війни, коли радіо широко використовувалося для секретних переговорів і для управління військовими об'єктами, наприклад торпедами. Для того щоб радіообмін не можна було перехопити або придушити вузькосмуговим шумом, було запропоновано вести передачу з постійною зміною несучої в межах широкого діапазону частот. В результаті потужність сигналу розподілялася по всьому діапазону, і прослуховування якоїсь певної частоти давало лише невеликий шум. Послідовність несучих частот вибиралася псевдослучайной, відомої тільки передавача і приймача. Спроба придушення сигналу в якомусь вузькому діапазоні також не надто погіршувала сигнал, тому що придушувалася тільки невелика частина інформації.

Ідею цього методу ілюструє малюнок 1.3. Послідовність перебудови частот:

Малюнок 1.3 - Розширення спектру стрибкоподібної перебудовою частоти

Протягом певного фіксованого інтервалу часу передача ведеться на постійній частоті. На кожній несучій частоті для передачі дискретної інформації застосовуються стандартні методи модуляції, такі, як FSK або PSK. Для того щоб приймач синхронізуватися з передавачем, для позначення початку кожного періоду передачі протягом деякого часу передаються сінхробіти. Так що корисна швидкість цього методу кодування виявляється менше через постійні накладних витрат на синхронізацію.

Несуча частота змінюється відповідно до номерами частотних подканалов, що виробляються алгоритмом псевдовипадкових чисел. Псевдослучайная послідовність залежить від деякого параметра, який називають початковим числом. Якщо приймача і передавача відомі алгоритм і значення початкового числа, то вони змінюють частоти в однаковій послідовності, званої послідовністю псевдослучайной перебудови частоти.

Якщо частота зміни подканалов нижче, ніж швидкість передачі даних в каналі, то такий режим називають повільним розширенням спектра (рисунок 1.4, а); в іншому випадку ми маємо справу з швидким розширенням спектра (рисунок 1.4, б).

Метод швидкого розширення спектра більш стійкий до перешкод, оскільки узкополосная перешкода, яка пригнічує сигнал в певному подканале, не призводить до втрати біта, так як його значення повторюється кілька разів в різних частотних підканалах. У цьому режимі не проявляється ефект межсимвольной інтерференції, тому що до часу приходу затриманого уздовж одного з шляхів сигналу система встигає перейти на іншу частоту.

Метод повільного розширення спектра такою властивістю не володіє, але зате він простіше в реалізації і має менші накладні витрати.

Методи FHSS використовуються в бездротових технологіях IEEE 802.11 і Bluetooth.

У методах FHSS підхід до використання частотного діапазону не такий, як в інших методах кодування - замість економного витрачання вузької смуги робиться спроба зайняти весь доступний діапазон. На перший погляд це видається не дуже ефективним - адже в кожен момент часу в діапазоні працює тільки один канал. Однак останнє твердження не завжди справедливо - коди розширеного спектру можна використовувати також і для мультиплексування декількох каналів в широкому діапазоні. Зокрема, методи FHSS дозволяють організувати одночасну роботу декількох каналів шляхом вибору для кожного каналу таких псевдовипадкових послідовностей, щоб в кожен момент часу кожен канал працював на своїй частоті (звичайно, це можна зробити, тільки якщо число каналів не перевищує числа частотних подканалов).

Малюнок 1.4 - Співвідношення між швидкістю передачі даних і частотою зміни подканалов:

а - швидкість передачі даних вище чиповой швидкості;

б - швидкість передачі даних нижче чиповой швидкості.

1.2.2 Пряме послідовне розширення спектра

У методі прямого послідовного розширення спектра (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) також використовується весь частотний діапазон, виділений для однієї бездротової лінії зв'язку. На відміну від методу FHSS весь частотний діапазон займається не за рахунок постійних перемикань з частоти на частоту, а за рахунок того, що кожен біт інформації замінюється N битами, так що тактова швидкість передачі сигналів збільшується в N раз. А це, в свою чергу, означає, що спектр сигналу також розширюється в N раз. Досить відповідним чином вибрати швидкість передачі даних і значення N, щоб спектр сигналу заповнив весь діапазон.

Мета кодування методом DSSS та ж, що методом FHSS - підвищення стійкості до перешкод. Узкополосная перешкода буде спотворювати тільки певні частоти спектра сигналу, так що приймач з великим ступенем ймовірності зможе правильно розпізнати передану інформацію.

Код, яким замінюється біт вихідної інформації, називається розширює послідовністю, а кожен біт такій послідовності - чіпом. Відповідно, швидкість передачі результуючого коду називають чиповой швидкістю. Двійковий нуль кодується інверсним значенням розширює послідовності. Приймачі повинні знати розширює послідовність, яку використовує передавач, щоб зрозуміти передану інформацію.

Кількість бітів в розширює послідовності визначає коефіцієнт розширення вихідного коду. Як і в разі FHSS, для кодування бітів результуючого коду може використовуватися будь-який вид модуляції, наприклад, BFSK.

Чим більше коефіцієнт розширення, тим ширше спектр результуючого сигналу і тим більше ступінь придушення перешкод. Але при цьому зростає займаний каналом діапазон спектра. Зазвичай коефіцієнт розширення має значення від 10 до 100.

Прикладом значення розширює послідовності є послідовність Баркера (Barker), яка складається з 11 біт: 10110111000. Якщо передавач використовує цю послідовність, то передача трьох бітів 110 веде до передачі таких бітів:

10110111000 10110111000 01001000111.

Послідовність Баркера дозволяє приймачу швидко синхронізуватися з передавачем, тобто надійно виявляти початок послідовності. Приймач визначає таку подію, по черзі порівнюючи одержувані біти зі зразком послідовності. Дійсно, якщо порівняти послідовність Баркера з такою ж послідовністю, але зрушеної на один біт вліво або вправо, то ми отримаємо менше половини збігів значень бітів. Значить, навіть при спотворенні декількох бітів з великою часткою ймовірності приймач правильно визначить початок послідовності, а значить, зможе правильно інтерпретувати отриману інформацію.

Метод DSSS в меншій мірі захищений від перешкод, ніж метод швидкого розширення спектра, так як потужна узкополосная перешкода впливає на частину спектру, а значить, і на результат розпізнавання одиниць або нулів.

Архітектура IEEE 802.11

Це найпопулярніший стандарт бездротових локальних мереж - IEEE 802.11. Зауважимо, що в цій галузі існують і інші стандарти (зокрема, інститут ETSI розробив стандарт HIPERLAN 1), проте більшість виробників випускають обладнання у відповідності зі специфікаціями IEEE 802.11 [2].