Лекція 14. Розділення сигналів. Бездротова передача
Курс “Теорія інформації та кодування”

В цій лекції ми познайомимось із найбільш використовуваними способами розділення сигналів в спільному середовищі передачі. Також розглянемо сучасні технології бездротової передачі сигналів, в яких як важливий елемент застосовується розділення сигналів.

Розділення сигналів за часом та частотою
Розділення сигналів із розширення спектру
Огляд бездротових систем передачі

14.1 Розділення сигналів за часом та частотою

При передачі сигналів від різних джерел в спільному фізичному середовищі (наприклад в ефірі) виникає задача їх розділення. Ця задача вирішується різними способами, найбільш поширеними з яких є розділення в часі або за частотними діапазонами.

Розділення за частотою (спосіб FDM)
Принцип частотного розділення каналів ЧРК (FDM- Frequency Division Multiplexing) характеризує рис.14.1:

Рисунок 14.1 Схема розділення сигналів за частотою (FDM)

- від кожного k-го джерела повідомлень сигнал надходить на модулятор і накладається на відповідну частоту сигналу-носія fнk, а потім проходить через смуговий частотний фільтр з смугою пропускання ΔFk і через елемент сумування потрапляє в лінію зв'язку. На приймальному боці сигнал виділяється смуговим фільтром, а далі після підсилення відновлюється демодулятором і надходить до приймача;

- на рис.14.1 показано перетворення спектрів сигналів в тракті передачі: після модуляції вихідний спектр симетрично відображується відносно частоти сигналу-носія; потім смуговий фільтр видаляє одну з бічних смуг; в лінії зв'язку сигнали від усіх джерел розташовуються в сусідніх частотних діапазонах і тому не змішуються; нарешті, смуговий фільтр на боці приймача виділяє із безлічі сигналів тільки «свій», а демодулятор відновлює переданий сигнал, використовуючи відому йому частоту сигналу-носія для даного каналу;

- таким чином N сигналів від різних джерел передаються в спільному середовищі каналу, займаючи сумарну полосу частот ΣΔFk. При цьому для різних каналів можуть використовуватись частотні смуги як однакової, так і різної ширини. Слід зауважити, що внаслідок неідеальності частотних характеристик фільтрів частотні смуги окремих каналів беруться із певним запасом (у звязківців це зветься “полосою розфільтровки”).

Спосіб частотного розділення в різних модифікаціях широко використвується в системах передачі повідомлень.

Особливості використання способу FDM
Огляд практичних втілень частотного розділення сигналів наведений на рис.14.2:

Рисунок 14.2 Напрямки реалізації частотного розділення

- в системах дротової аналогової телефонії, які домінували майже сторіччя, спосіб частотного розділення сигналів використовувався для групування первинних телефонних каналів з метою одночасної передачі розмов багатьох абонентів кабелями із широкою смугою пропускання. Зокрема, стандартна група початкового рівню включала 12 первинних телефонних каналів із ширною полоси по 4 кГц. Надалі могли утворюватись групи другого рівня (5х12=60) або третього рівня (5х5х12=300). Такий підхід зокрема забезпечував раціональне використання ресурсу кабелів та уніфікації обладнання (зокрема частотних фільтрів). Надалі подібне рішення застосовувалось в різних системах зв'язку;

- в системах радіомовлення та радіозв'язку частотні смуги для передачі в ефірі є дефіцитним ресурсом, тому їх розподіл зазвичай виконується адміністративно. Зокрема в більшості випадків для доступу в ефір потрібно одержувати ліцензію. Виключення становлять зокрема частотні діапазони в околиці 2,4 ГГц та 5,0 ГГц - так званий діапазон ISM (industrial, scientific and medical), який широко використвується в системах бездротової передачі;

- спосіб частотного розділення в дещо модифікованому варіанті використвується в системах мобільного звязку та мережевих рішеннях. Тут для нього зазавичай використовують позначення FDMA (Frequency Division Multiple Access - множинний доступ із поділом каналів по частоті). В найбільш сучасних рішеннях спосіб FDM застосовується як важливий елемент комплексної технології OFDM - Orthogonal frequency-division multiplexing (мультиплексування з ортогональним частотним поділом каналів). Ця технологія забезпечує паралельну передачу одного повідомлення по кільком частотним каналам для забезпечення гнучкості та надійності (зокрема вона використвується в Wi-Fi та 4G).

Розділення в часі (спосіб TDM)
Принцип часового розділення каналів ВРК (TDM - Time Division Multiplexing - мультиплексування з тимчасовим розділенням) характеризує рис.14.3:

Рисунок 14.3 Розділення сигналів за часом (TDM)

- при розділенні в часі кожному з N джерел повідомлень (в прикладі N = 4) надається квант часу для передачі власної порції сигналів. Така порція називається таймслот. У найпростішому випадку k = 1. Зокрема при передачі оцифрованого мовлення по цифровим телефонним каналам k = 8 (1 байт коду для амплітуди мовного сигналу);

- таймслоти групуються в блоки незмінною довжини N. Якщо в певний період по деяким каналам передача не ведеться, відповідні таймслоти залишаються порожніми, але час під них все одно виділяється. Межі циклу передачі в часі фіксуються за допомогою циклової синхронізації таймслотів. Крім того можуть використовуватися додатковий таймслоти зі службовою інформацією, яка відноситься до даного блоку. У загальному вигляді можна вважати, що цикл передачі поряд з N інформаційними каналами включає також m службових (на рис.14.3 показаний випадок, де m = 1);

- таким чином, тривалість сигналів, які передаються по каналу, при описаному способі збільшується в N + m раз (для випадку, коли довжина службових таймслотов збігається з довжиною інформаційних). Відповідно, ширина частотної смуги, що виділяється для передачі, зростає в N + m раз. В даному випадку економія часу передачі реалізується за рахунок резерву смуги пропускання каналу.

Особливості застосування TDM
Спосіб TDM зокрема широко застосовується в цифровій телефонії. Тут на його базі утворюється ієрархія каналів передачі з різними швидкостями, яку ми розглянемо детальніше (рис.14.4):

Рисунок 14.4 До реалізації розділення сигналів в часі

- первинний стандартний канал для передачі мовлення має швидкість 64 кбіт/с. Така швидкість виходить із того, що при кодуванні амплітуд достатньою є розрядніть 8 бітів, а необхідна частота дискретизації становить 8 кГц (для розбірливості совлення достатня максимальна частота 3,4 кГц, а отже згідно з правилом Найквіста 8 кГц буде достатньо);

- об'єднання 30 інформаційних каналів IK та двох службових каналів CK з тією ж швидкістю згідно з евростандартом утворює так званий груповий канал E1, чия швидкість складає 32х64=2048 кбіт/с. Така швидість зокрема задовольняється частотною смугою 2 МГц, що характерна для розповсюдженого типу телефонних кабелів. Відзначимо, що в США та Японії канал першого рівню включає 24 первинних голосових канали;

- на базі групових каналів може утворюватись ієрархія каналів різної швидкості, які зокрема розміщаються в фізичних носіях із різною шириною частотної смуги. Зокрема, груповий канал E2 містить 4 канали E1, канал E3 - 4 канали E2, а канал E4 - 4 канали E3 (відповідні швидкості передачі складають біля 8, 32 та 128 МГц). Такий підхід дозволяє зокрема уніфікувати обладнання передачі.

Розвитком TDM є метод TDMA (Time Division Multiple Access — множинний доступ із розділенням за часом), який використовується в мобільній телефонії. TDMA надає кожному користувачеві доступ до інтервалу частоти протягом короткого періоду часу (зокрема в стандарті GSM один частотний інтервал ділиться на 8 часових слотів). Нині TDMA є домінуючою технологією для мобільних сотових мереж і застосовується також в системах супутникового зв'язку і в кабельних мережах.

14.2 Розділення сигналів із розширення спектру

Надалі ми розглянемо методи, які разом із функцією розділення сигналів вирішують також задачу захисту передачі від несанкціонованого доступу. Сюди належить зокрема так званий метод частотних стрибків, а також кодового розділення сигналів (метод прямої послідовності).

Метод частотних стрибків
Метод частотних стрибків комбінує застосування часового і частотного розділення сигналів (рис.14.5):

Рисунок 14.5 Метод частотних стрибків

- при використанні цього способу протягом часового інтервалу Tj ("канальний інтервал") для N пар Джерел-Одержувачів виділяються різні частотні канали Fi. У наступному часовому інтервалі ці частотні канали перерозподіляються (виконується так званий "частотний скачок"). Таким чином, для кожного повідомлення його різні фрагменти передаються на різних частотах;

- на рис.14.4 відображено приклад послідовності перемикання частотних каналів для однієї з пар Джерело-Одержувач в блоці з восьми таких пар (в даному випадку для канальних інтервалів від 1 до 8 виділяються послідовно частотні канали 3, 5, 1, 4, 7, 2, 8 , 6). Зрозуміло, що для інших семи пар в ті ж канальні інтервали виділяються всі інші частотні канали. Крім того видно, що поряд з основними частотними і часовими інтервалами передбачено використання захисних інтервалів за часом і частотою;

- перемикання частотних каналів по ходу передачі повідомлення створює додаткові можливості щодо захисту інформації від несанкціонованого доступу («зловмиснику», щоб отримати повідомлення цілком, необхідно знати всю послідовність перемикань для даної пари Джерело-Одержувач). Щоб додатково посилити такий захист послідовності перемикань можуть шифруватися.
Сучасним прикладом використання цього методу є зокрема технологія bluetooth.

Кодове розділення сигналів (CDM)
Кодове розділення застосовується при передачі дискретних сигналів і має ряд переваг перед часовим. Зокрема саме цей метод прийшов на зміну TDMA-FDMA в системах мобільного звязку. Тут він часто називається методом CDMA, а також методом прямої кодової послідовності. Принцип кодового розділення сигналів ілюструє рис.14.6:

Рисунок 14.6 Спосіб прямої послідовності (кодове розділення сигналів)

- вихідні сигнали x (t) в біполярної формі множаться на періодичні послідовності з T (t) опорних сигналів (період їх проходження відповідає такту передачі вихідного сигналу). Зокрема, якщо передане значення x(t)=+1, то передається сигнал x*(t) збігається з опорним, якщо ж x(t)=-1, то він инвертується. Важливо, що опорні послідовності індивідуальні для кожного джерела розділюваних сигналів;

- при розпізнаванні отриманий сигнал у (t) знову множиться на опорний і для кожного періоду обчислюється значення кореляційної функції для «зразків» s (k) сигналу k = «+ 1» і k = «- 1» (вони відповідають ділянкам прямої та инверсної послідовності опорних сигналів). Значення прийнятого сигналу обирається виходячи з умови максимуму кореляційної функції (сигнал більше схожий на даний зразок). При цьому, якщо приймається сигнал від "чужого" джерела, для якого опорні послідовності відрізняються від даного, то кореляція із "зразками" буде відсутня і такий сигнал не розпізнається;

- таким чином, спосіб кодового поділу дозволяє виділяти корисні сигнали даного інформаційного каналу від суміші безлічі сигналів. Оскільки прийом виконується за принципом накопичення, корисний сигнал можна виділити навіть на тлі більш потужного шуму (власно, сигнали від інших джерел інформації також можна розглядати як перешкоди). Платою за таку можливість є багаторазове розширення спектра переданих сигналів. Тому даний метод можна застосовувати, коли широка смуга каналу в принципі є доступною. Наприклад, такій умові відповідає передача в ефірі. У зв'язку з цим спосіб КРК набув широкого застосування в мобільному зв'язку, а також в бездротових технологіях локальних мереж (зокрема Wi-Fi).

Вибір опорних послідовностей сигналів
Важливим завданням для забезпечення кодового розділення є вибір опорних послідовностей сигналів (рис.14.7):

Рисунок 14.7 Вибір опорних послідовностей для кодового розділення

- для забезпечення надійності розпізнавання необхідно, щоб передача від інших джерел мінімально впливала на прийом сигналів від даного джерела. Це досягається в разі, коли відповідні опорні послідовності взаємно ортогональні. Для їх побудови використовуються так звані матриці Адамара, чиї рядки відповідають вимозі ортогональності;

- процедура побудови матриць Адамара ітеративна: вихідна матриця H2 з двох рядків і стовпців включає три «1» і «-1» в правому нижньому кутку. За таким же шаблоном послідовно можуть бути збудують матриці H4 з чотирьох рядків і стовпців, H8 розміром 8х8 і наступні варіанти матриці з розмірністю кратної ступеня двійки. Оскільки рядки таких матриць взаємно ортогональні, всі вони можуть бути використані в якості опорних послідовностей при кодовому поділі;

- на рис.14.7 показаний приклад використання в якості опорної послідовності рядки з номером 2 матриці Адамара H8. При передачі з її використанням значення вихідного сигналу «+1» значення соотвествующей кореляційної функції максимально Kxy (+1) = 8 (саме такий сигнал і буде розпізнано). При цьому для альтернативного значення сигналу Kxy (+1) = - 8 (мінімально). А для всіх інших рядків матриці в силу їх взаємної ортогональності Kxy = 0 (на малюнку наведені приклади для рядків 1 і 3);

- в разі виникнення навіть кількох помилок при передачі величина кореляційної функції все одно буде ближче до вірного значенням і помилки не відбудеться. Таким чином, даний спосіб прийому сигналів (а відповідно і спосіб КРК) володіє значним резервом завадостійкості.

14.3 Огляд бездротових систем передачі


Загальна характеристика бездротової передачі
Після розгляду найбільш поширених способів розділення сигналів перейдемо до ознайомлення із сучасними технологіями бездротової передачі повідомлень, де такі способи застосовуються. Загальна характеристика систем бездротової передачі відображена на рис.14.8:

Рисунок 14.8 Характеристика бездротової передачі

- в цілому системи бездротової передачі нині стрімко розвиваються, навідь відвойовуючи позиції у систем на базі кабелів. Їх головні переваги — економічність (вартість кабельних систем здебільшого пропрорційна відстані передачі), зручність у використанні (дроти часто заважають і не завжди їх прокладка можлива), а також — і це дуже важливо — мобільність доступу, яка дає свободу діяти в русі. Разом з тим до недоліків порівняно із кабельними системами слід віднести меншу швидкість (на всіх етапах паралельного розвитку технологій різниця зазвичай складає біля одного порядку), нижча надійність за рахунок впливу шуму і залежності від атмосферних явищ, а також більшу вразливість до несанкціонованого доступу;

- виділяються три основних напрямки застосування бездротової передачі, які ми надалі розглянемо більш детально. Це по-перше системи мобільної телефонії, які наслідували класичні кабельні телефонні системи. По-друге, це рішення, які базуються на мережевих технологій різного масштабу — від персональних до глобальних. І по-третє це супутникові системи, які забезпечують передачу даних на великі відстані і в цієї якості є необхідним доповненям до перших двох напрямків;

- з позицій нашого курсу важливо, що для всіх тьох напрямків використвуються модифікації базових технологій передачі сигналів (зокрема модуляції та розділення фізичного середовища). Ми побачимо це при розгляді конкретних технологій.

Розвиток мобільного зв'язку
Розвиток технологій мобільного звязку характеризує рис.14.9

Рисунок 14.9 Розвиток мобільного зв'язку

Cтрімке зростання мобільного зв'язку пов'язане зокрема із сотовою схемою передачі сигналів, яка забезпечує обслуговування абонентів на локальній території (соті) завдяки так званим базовим станціям BTS (Base Transceiver Station), а також передачу сигналів на значну відстань “по естафеті” між сотами. Дію базових станцій координує станція-управління BSC (Base Station Controller), яка разом із своїми BTS утворює окрему підсистему. Під час виклику мобільна станція MS користувача «слухає» всі навколишні базові станції і надає безперервні повідомлення про якість прийому до BSC. Це дозволяє контролеру BSC прийняти точне рішення, коли зробити передачу виклику і в яку соту. Групу контролерів BSC обслуговує комутаційний центр мобільного зв'язку MSC (Mobile services Switching Centre).

В еволюції систем мобільного звязку виділяються покоління, які прийнято позначати як хG. Зокрема основні їх характеристики з позицій нашого курсу є такими:
- системи першого покоління 1G (80-роки) були аналоговими і використвували частотну модуляцію сигналів та частотний метод розділення. Вони характеризувались значною потужністю телефонних апаратів (до 3-5 Вт);

- покоління 2G стало уже цифровим (90-роки), що забезпечило значне зростання надійності та зменшило потужність апаратів до 1 Вт. На цьому етапі був прийнятий стандарт GSM. Зокрема він передбачав використання таких методів як сумісне розділення TDMA+FDMA (всередині виділених частотних смуг шириною 200 кГц застосовується часове розділення). Як спосіб маніпуляції застосовується двійкова GMSK – гаусова маніпуляція із мінімальним частотним зсувом;

- для покоління 3G (00-роки) найбільш характерним став перехід до кодування CDMA. Разом із тим передбачене використання маніпуляції 4PSK-16QAM (вид обирається адаптивно в залежності від поточного стану каналу). Потужність мобільних станцій зменшилоась до 0,25 Вт. В цілому в 3G досягаються значно більш високі швидкості (до 2 Мб/с);

- покоління 4G (10-роки) має забезпечувати швидкість передачі до 100 Мбіт/c для мобільних обєктів та 1 Гб/с для стаціонарних. Це досягається зокрема використанням комплексних технологій OFDM (мультиплексування з ортогональним частотним поділом каналів) та MIMO – мультіпотокової передачі повідомлень одразу кількома станціями.

Характеристики наступних поколінь поки що не стандартизовані, однак очевидно, що розвиток передбачає значне зростання швидкості та економічності.

Огляд бездротових мережевих технологій
Класифікацію бездротових мережових технології виконують зазвичай за ознаками відстані та швидкості передачі. Розглянем перший — більш поширений спосіб (рис.14.10)

Рисунок 14.10 Огляд бездротових мережевих технологій

Клас так званих персональних мереж WPAN (Wireless personal area network ) здебільшого асоціюється із популярною технологією Bluetooth. Важливі особливості — досить незначна відстань роботи (зазвичай до 10 метрів). Частотний діапазон 2,4 ГГц при виділенні біля 80 частотних смуг шириною 1 МГц. Використовується спосіб розділення із частотними стрибками (зокрема передбачається 1600 стрибків за секунду), який виконує також функції захисту інформації. Швидкість від 1 до 24 Мб/c.

Локальні мережі WLAN (Wireless local area network ) найбільше асоціюються із технологією Wi-Fi, яка широко використвується при створенні домашніх та офісних мереж. Використовує частотні діапазони 2,4 та 5 ГГц. Типова відстань передачі — порядка 100 м (згідно стандарту до 300 м). Із розвитком технології протягом 20 років швидкість передачі зростала від кількох Мб/c до кілько Гб/c. Зазваичай використовують кодове розділення. Важливими елементами сучасної Wi-Fi є використання технологій OFDM та MIMO. Надалі ми розглянемо особливості цих технологій детальніше.

Міські мережі WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks) надають широкополосний доступ в масштабах міста (зазвичай на відстанях до 100 км). Передбачає використання технології WiMAX. Обмін передбачається на частотах від 2 до 11 ГГц. Швидкості передачі до 75 Мб/с для стаціонарних обєктів і до 75 Мб/с для мобільних. Важливо, що рішення використовує саме неліцензійні частоти на значних відстанях (на відміну від мобільного звязку).

Мережі класу WWAN (Wireless Wide Area Network ) забезпечують передачу на надзначних відстанях за рахунок використання ресурсів мобльного звязку (тобто платно). При цьому вони використвуються саме мережеві технології і відповідні інтерфейси.

О дисциплине ТИК
Почему «Теория информации и кодирования» - одна из самых интересных дисциплин, которые изучают будущие системщики и защитники информации?

В ней сочетаются золотая классика и самая актуальная современность computer-science.

продолжение
О сайте
Здесь вы найдете материалы, которые помогут в изучении дисциплины “Теория информации и кодирования” (ТИК) в том виде, как она преподается на кафедре ЭВМ ДИИТа.

На сайте размещены методические материалы:
  • электронный конспект лекций;
  • методическое обеспечение к лабораторным работам;
  • полезные ссылки.

продолжение
© 2008-2019 • Теория информации и кодирования
UP