Глава 1. Системы радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты: общие принципы

1.1. Краткая характеристика расширения спектра сигналов методом ППРЧ

1.1.1. Основные принципы и методы расширения спектра сигналов

В случае, когда перед исследователями и разработчиками систем радиосвязи (СРС) встает проблема обеспечения надежной связи в условиях организованных и непреднамеренных помех, многолучевого распространения радиоволн, а также осуществления многостанционного доступа при работе в пакетных сетях радиосвязи, наилучшие результаты могут быть получены при использовании в СРС сигналов с расширением спектра [1-17]. Основные принципы известных методов расширения спектра сигналов, адекватно отражающие их физическую сущность, приведены в [4]: ...расширение спектра сигнала есть способ передачи, при котором сигнал занимает полосу частот более широкую по сравнению с полосой, минимально необходимой для передачи информации; расширение полосы частот сигнала обеспечивается специальным кодом, который не зависит от передаваемой информации; для последующего сжатия полосы частот сигнала и восстановления данных в приемном устройстве также используется специальный код, аналогичный коду в передатчике СРС и синхронизированный с ним... Таким образом, способ передачи информации с расширением спектра заключается: на передающей стороне – в одновременной и независимой модуляции параметров сигнала специальным кодом (расширяющей спектр функцией) и передаваемым сообщением; на приемной стороне – в синхронной демодуляции сигнала в соответствии с расширяющей спектр функцией и восстановлении переданного сообщения [3].

Несмотря на то, что принципы расширения спектра сигналов в общем виде были известны уже в 20-30-х годах XX века, теоретической базой для разработки СРС с такими сигналами стала фундаментальная формула К.Е. Шеннона

,                               (1.1)

которая, характеризуя предельные возможности гауссовского канала, кардинальным образом расширяет представление о возможности передачи информации по каналам радиосвязи с ограниченным по полосе аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ).

Так, из (1.1) следует, что пропускная способность  (бит/с) канала радиосвязи, после того как она задана, в условиях действия аддитивной гауссовской помехи (шума) с ограниченной средней мощностью  (Вт) может быть обеспечена либо использованием широкой полосы частот  (Гц) с малым отношением сигнал-помеха , либо – узкой полосы частот  (Гц) с более высоким отношением сигнал-помеха , где  - средняя мощность сигнала. Следовательно, между полосой пропускания канала  и отношением сигнал-помеха  в этом канале возможен взаимообмен. При этом в соответствии с зависимостью (1.1) наиболее целесообразным является обмен мощности сигнала на полосу пропускания канала. Например, требуется обеспечить пропускную способность  бит/с при отношении сигнал-помеха =. На основе (1.1) канал радиосвязи должен иметь полосу  МГц. При большем отношении сигнал-помеха, например , пропускная способность канала радиосвязи  бит/с может быть реализована достаточно узкой полосой частот  кГц. Формула (1.1) указывает и на то, что при заданном отношении сигнал-помеха в канале радиосвязи с АБГШ пропускная способность может быть увеличена путем соответствующего расширения спектра си шала .

При малых отношениях сигнал-помеха  выражение (1.1) принимает вид:

                                                       (1.2а)

где 1,44 - модуль перехода от двоичных логарифмов к натуральным; в случае больших отношений  из (1.1) с хорошим приближением следует, что

.                                                       (1.2б)

Предельное значение пропускная способность  для гауссовского канала радиосвязи имеет при

,                                                   (1.2в)

где  - односторонняя спектральная плотность мощности белого шума.

Выражение (1.2в) указывает на то, что в канале с шумами даже в предельном случае при  отношение сигнал-помеха  должно превышать определенное пороговое значение. Так, для передачи бита информации требуемая энергия сигнала  (или ) [18].

Если пропускная способность  равна требуемой скорости передачи информации , то из (1.1) и (1.2) видно, что при  канал радиосвязи может работать при значительном превышении мощности помехи  над мощностью полезного сигнала . Поэтому методы расширения спектра сигналов находят широкое применение в специальных СРС, которые должны обеспечивать надежную связь в условиях радиоэлектронного подавления (РЭП).

Методы расширения спектра могут базироваться на изменении (модуляции) амплитуды, фазы, частоты и временного положения (задержки) сигнала в соответствии со специальным кодом, формируемым на основе псевдослучайной последовательности.

Однако амплитудная модуляция для формирования сигнала с расширением спектра, как правило, не применяется, так как при этом получается сигнал с большим значением пиковой (мгновенной) мощности, который достаточно легко обнаруживается простыми приемниками станций радиотехнической разведки (РТР) [7].

Из-за недостаточной помехозащищенности самостоятельное применение в СРС не находит и метод расширения спектра за счет модуляции временного положения (задержки) сигнала, так называемый метод псевдослучайной время-импульсной модуляции (ПВИМ) [5,7,16]. При методе ПВИМ расширение спектра достигается путем сжатия информационного сигнала во временной области. Сокращение времени передачи каждого информационного сигнала в  раз приводит к расширению спектра сигнала в   раз и уменьшает до  общее время передачи. Информация передается только в заданные интервалы времени, которые следуют друг за другом в соответствии с выбранным кодом. При использовании метода ПВИМ, как и метода расширения спектра за счет амплитудной модуляции, имеет место большой пикфактор, что приводит к нерациональному расходованию мощности передатчика СРС.

Основными, базовыми методами расширения спектра сигналов, широко применяемыми в современных СРС, системах управления и распределения информации, являются:

- метод непосредственной модуляции несущей псевдослучайной последовательностью (ПСП);

- метод псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ);

- метод совместного (комплексного) использования различных методов; например, метода непосредственной модуляции несущей ПСП и метода ППРЧ; метода ППРЧ и метода ПВИМ и другие сочетания.

При первом методе расширение спектра сигнала достигается за счет непосредственной модуляции несущей частоты ПСП , элементы которой генерируются со скоростью , значительно превышающей скорость передачи  элементов информационной последовательности , и затем накладываются на каждый информационный символ. Типовым примером таких сигналов являются фазоманипулированные широкополосные сигналы (ФМШПС) [1-4,6,7,16]. При прямоугольной форме элементов информационной последовательности  и при использовании ПСП , обеспечивающей расширение спектра сигнала, двоичный ФМШПС можно описать выражением

,

где  - амплитуда, несущая частота и фаза сигнала, соответственно.

На рис.1.1,а,б изображены информационный бит  и элементы ПСП .

Рис. 1.1.

На рис. 1.2 приведены графики спектральной плотности мощности информационного бита  и элемента ПСП .

.

Рис. 1.2.

Широко используемой на практике СРС с ФМШПС является прямопоследовательная псевдошумовая система, структурные схемы передатчика и приемника которой приведены на рис. 1.3,а,б, где ГПС кода – генератор псевдослучайного кода.

Рис. 1.3.

На рис.1.4, а, б в идеализированном виде изображены спектральные плотности мощности сигнала и узкополосной помехи в характерных точках структурных схем передатчика и приемника СРС с ФМШПС.

Рис. 1.4.

На рис. 1.4 видно, как происходит преобразование спектра полезного сигнала и расширение спектра узкополосной помехи в передающем и приемном устройствах СРС с ФМШПС.