GSM-R — единый стандарт ж/д связи
Что такое GSM-R
За основу GSM-R (GSM-Railway) взят стандарт подвижной радиосвязи общего пользования GSM, дополненный функциями для ж/д в соответствии со спецификациями проекта EIRENE (European Integrated Railway Radio Enhanced Network) и MORANE (Mobile Radio for Railways Networks in Europe), финансирование которых осуществляет ЕС:
В 1995 г. Европейский институт стандартизации в области связи (ETSI) выделил для GSM-R две полосы частот в диапазоне 876–880 и 921–925 МГц (рис. 1).
Рис. 1. Диапазон частот для GSM-R
В целях обеспечения совместимости европейских железных дорог и использования единой коммуникационной платформы стандарт GSM-R объединяет все ключевые функции и наработки 35 типов аналоговых систем, использовавшихся ранее. Он является безопасной платформой для голосовой связи и передачи данных между оперативным персоналом ж/д, включая машинистов, диспетчеров, работников маневровой группы, специалистов в составе сопровождения поезда и начальников станций. Такие функциональные возможности GSM-R, как групповые вызовы, трансляция голоса, соединение с абонентом с учетом его местоположения, а также освобождение линии для срочных вызовов, значительно улучшают качество коммуникаций и предоставляют широкие возможности для совместной работы и управления безопасностью движения поездов и персонала.
Построение сети GSM-R
Цифровой стандарт GSM-R с частотновременным разделением каналов имеет восемь временных каналов в полосе 200 кГц. Для системы выделена полоса шириной 4 МГц в диапазоне 876–880 МГц для передачи от подвижной к базовой станции (БС) и 921–925 МГц для передачи от базовой к подвижной станции. Структура построения GSM-R сети представлена на рис. 2.
Рис. 2. Структура построения GSM-R сети
В инфраструктуру сетей GSM-R входят следующие элементы:
ЦКП осуществляет постоянное слежение за мобильными станциями, используя:
Для удовлетворения высоких требований по надежности связи на ж/д БС необходимо устанавливать с 50%-ным перекрытием зон покрытия соседних сот. Схематическое изображение данной топологии приведено на рис. 3.
Рис. 3. Схематическое изображение топологии сети
GSM-R, Tetra, CDMA
Существуют цифровые технологии и стандарты связи, призванные решить проблемы разобщенности систем и обеспечения связи на высоких скоростях. К ним можно причислить стандарты цифровой мобильной связи, такие как TETRA, CDMA, а также специально разработанный в 2000 г. для целей железнодорожной связи стандарт GSM-R.
Системы TETRA хорошо подходят для интеграции технологических систем ж/д, однако они сложны и дороги в развертывании, имеют невысокие скорости передачи данных и не обеспечивают надежность связи на высоких скоростях движения поездов.
Системы CDMA хорошо поддерживают работу на высоких скоростях движения, имеют высокую скорость передачи данных, однако не поддерживают многих технологических приложений, и в целом данный стандарт не имеет перспектив развития.
Кроме того, эти стандарты не получили широкого распространения на сетях общего пользования, поэтому их надежность и безопасность остаются под вопросом. Однако безопасность на железнодорожном транспорте — вещь достаточно серьезная, поэтому Международным союзом железных дорог (UIC) совместно с Европейским институтом стандартизации связи (ETSI) была создана специальная проектная организация EIRINE (Европейская модернизированная интегрированная сеть радиосвязи на железных дорогах), которая начала разработку нового стандарта связи для ж/д, который бы удовлетворял следующим основным требованиям:
После ряда тестовых проектов и сравнений нескольких технологий выбор пал на широко распространенный на рынке систем связи общего пользования стандарт GSM, который был модифицирован с учетом потребностей ж/д. Использование GSM-R хорошо решает следующие задачи:
GSM-R обеспечивает работу различных технологических приложений на ж/д, гарантирует надежную связь на скоростях поездов до 500 км/ч без ощутимых потерь качества связи. Он позволяет заменить более трех десятков разнородных систем связи, которые использовались на железных дорогах Европы в конце XX — начале XXI в.
Но главное состоит в том, что GSM-R принят сегодня как единый стандарт в Европе и внедрен уже во многих странах. Этот же стандарт реализуется в Китае. И если предполагается сделать РЖД частью международных транспортных коридоров, было бы неправильно применять на них другую технологию, которая окажется некоей инородной «вставкой» в транспортном коридоре. Ведь тем самым конкурентное преимущество будет отдано транспорту других стран, которые следуют общим тенденциям.
Поставщики оборудования базовых станций GSM-R
Основной критерий специализированной связи на железных дорогах — надежность и безопасность. Излишне говорить, что любая ошибка в передаче данных или потерянный байт могут вылиться в многомиллионные убытки или привести к человеческим жертвам.
Именно поэтому за основу железнодорожной связи и был выбран стандарт GSM, многократно проверенный на безопасность и надежность на сетях связи общего пользования. Таким образом, ясно, что поставщик должен обладать существенным опытом в реализации телекоммуникационных проектов именно этого стандарта. Кроме того, поставщик должен обладать опытом технического радиопланирования и оптимизации системы GSM-R (желательно не менее трех лет), так как только в этом случае поставляемая им система GSM-R сможет обеспечить необходимую надежность и эффективность.
Поставщик должен обеспечивать совместимость с существующими системами управления движением поездов. Такая интеграция тщательно проверяется в лабораторных условиях и только потом реализуется на действующих ж/д. Должна обеспечиваться совместимость с оборудованием других производителей GSM-R, а также различного технологического оборудования, например диспетчерского (Frequentis, Winzel и др.), систем сигнализации (HFWK, Selex, Alstom и др), мобильных терминалов (Triorail, Selex, Sagem и др.).
К перечисленному стоит добавить, что оборудование системы GSM-R должно иметь соответствующие сертификаты, подтверждающие возможность его применения для различных сценариев на ж/д в разных климатических условиях. В частности, оборудование должно успешно пройти профессиональную сертификацию на соответствие требованиям по электромагнитной совместимости.
Можно указать трех поставщиков, которые в той или иной степени удовлетворяют всем перечисленным требованиям на российском рынке: Nokia Siemens Networks (NSN), Huawei Technologies и Kapsch.
Nokia Siemens Networks
Согласно информации компании NSN, она реализовала проекты GSM-R различной степени вовлеченности для 29 железнодорожных операторов в 20 странах мира. Это, например, контракт между NSN и Banedanmark, государственной железнодорожной компанией Дании. Проект предусматривает поставку коммутаторов, БС, центра передачи SMS, диспетчерских терминалов и звукозаписывающего оборудования для сети GSM-R, а также услуги по проектированию сети, управлению проектом, технической поддержки.
В 2007 г. NSN заключила контракт с Министерством железных дорог Китая для реализации системы GSM-R для планируемой пассажирской линии между городами Ухань и Гуанчжоу на юге Китая. Турецкие железные дороги T.C. Devlet Demiryollari (TCDD) сотрудничают с NSN и компанией Thales (системы безопасности) в проекте модификации системы GSM-R между городами Эскизехир и Анкара. NSN является одним из пионеров разработки систем GSM-R. В конце 90-х годов компания Siemens принимала активное участие в разработке этой технологии. Утверждается, что первые три коммерческих проекта GSM-R в мире принадлежат компании Siemens. Решение GSM-R компании Siemens основано на традиционных коммутаторах GSM c временной коммутацией каналов TDM.
Huawei Technologies
Компания Huawei начала исследования и разработки GSM-R в 2002 г., сразу после принятия данного стандарта. Решение GSM-R от Huawei поддерживает специальные функции для железных дорог, такие как функциональная адресация, матрица доступа, независимость адреса от местоположения устройства, ограничение зоны вызова. Поэтому для железнодорожного оператора нет необходимости в приобретении дополнительной платформы интеллектуальных приложений.
По данным на II кв. 2012 г., покрытие систем GSM-R, построенных компанией Huawei, по всему миру превышает 10 тыс. км. Приведем несколько примеров реализованных компанией проектов:
Kapsch
Австрийская компания Kapsch CarrierCom является одним из мировых лидеров рынка корпоративных систем, в частности интеллектуальных транспортных систем для автотранспорта (Kapsch TrafficCom) и ж/д транспорта (Kapsch CarrierCom). Она также относится к пионерам разработки систем GSM-R и имеет много реализованных проектов, большинство из которых развернуты в Европе. Это такие магистрали, как «Роттердам–Женева», «Неаполь–Гамбург– Стокгольм», «Антверпен–Базель–Лион», «Севилья–Лион–Турин–Триест–Любляна», «Дрезден–Прага–Брно–Вена–Будапешт», «Дуйсбург–Берлин–Варшава». Многие из этих проектов реализовывались совместно с NSN.
Решение GSM-R от Kapsch CarrierCom также основано на традиционной коммутации каналов TDM. Согласно проспектам компании Kapsch CarrierCom, она занимает 52% рынка GSM-R в Европе. Протяженность линий покрытия проектами GSM-R от Kapsch CarrierCom составляет около 70 тыс. погонных километров (порядка 35 тыс. км линейных участков, т. е. двухпутных).
Поставщики абонентского оборудования GSM-R
Компания Triorail основана в 2002 г. Она разрабатывает и производит беспроводные модули и терминалы для стандарта GSM-R, а также унифицирует программное и аппаратное обеспечение беспроводных модулей для решений на базе GSM-R. Triorail — поставщик беспроводных решений (модули, терминалы, телефоны и т. д.), поддерживающих стандарты GSM, GSM-R, GPRS, EDGE и функции ASCI/EIRENE. Выпускаются различные варианты устройств с выходной мощностью 2 и 8 Вт.
Модули GSM-R, разработанные Triorail, прошли полевые испытания во многих странах Европы, что позволяет использовать их в приложениях стандарта GSM-R, таких как контроль, управление, передача данных, мониторинг транспорта и логистика, а также в противопожарной системе, громкоговорителях, установленных на железнодорожных вокзалах, для передачи видеоизображений с железнодорожных станций.
Triorail сотрудничает с международными производителями мобильных телефонов, использующих модули GSM-R. Железнодорожным операторам и поставщикам инфраструктуры предоставляются различные 2- и 8-Вт инструменты тестирования, чтобы проверять, контролировать, оптимизировать и конфигурировать сеть GSM-R.
Решения Triorail для связи GSM-R
Модуль TRM-3a
Компания Triorail производит целую линейку модулей и терминалов для обеспечения связи на ж/д в стандарте GSM-R. TRM-3a — 2-Вт модуль, на базе которого можно построить любые системы GSM-R (рис. 4).
Рис. 4. Модуль TRM-3a
Системные характеристики модуля TRM-3a:
Спецификация на голос:
Отличительная особенность TRM-3a — наличие реализованных в модуле опций:
2-Вт терминалы TRM-3aT
Терминалы серии TRM-3aT — законченные устройства для передачи данных и голоса по GSM-сетям, в том числе в GSM-R диапазоне. Они разработаны на основе модуля TRM-3a. Существует два типа терминалов TRM-3aT: RS-232 и USB (рис. 5, 6). Они отличаются между собой интерфейсом передачи данных (USB или RS-232).
Рис. 5. Терминал TRM-3aT RS-232
Рис. 6. Терминал TRM-3aT USB
Спецификация на голос:
Интерфейсы TRM-3aT RS-232:
Интерфйсы TRM-3aT USB:
Рис. 7. Внешний вид терминала TRC-3 (габариты 70×125×30 мм)
8-Вт терминалы TRС
Triorail производит GSM-терминалы типа TRC-3 трех видов: TRC-3, TRC-3RM, TRC3AP для встраиваемых систем. Между собой они отличаются конструктивным решением (габариты, исполнение, разъемы). Основой терминалов является GSM-R модуль TRM-3a. Поэтому все функции, реализованные в TRM-3a, реализованы в терминалах серии TRC-3 (рис. 7, 8).
Терминал TRC-3
Описание разъемов TRC-3:
Рис. 8. Расположение разъемов TRC-3
Терминал TRC-3RM
TRC-3RM — ультратонкий 8-Вт GSM-R модуль, встраивается в стойки (рис. 9).
Рис. 9. Внешний вид терминала TRC-3RM
Описание разъемов TRC-3RM:
Терминал TRC-3AP
TRC-3AP — суперплоские 8-Вт терминалы GSM-R для встраиваемых конструкций с двумя разъемами антенны (70×125×25 мм) (рис. 10).
Рис. 10. Внешний вид терминала TRC-3AP
Описание разъемов TRC-3AP:
Телефоны TR-C81a
Рассмотрим подробно характеристики телефона TR-C81a (рис. 11).
Рис. 11. Внешний вид телефона TR-C81a
Тестирование сетей GSM-R
Программные и аппаратные инструменты тестирования Triorail обеспечивают различный контроль и тестирование сетей GSM-R как в связке с компьютером Triotrace Test System, так и в мобильном исполнении Triotrace Test Monitor (рис. 12).
Рис. 12. Тестирование сетей GSM-R
Новое поколение модулей Triorail
Для того чтобы справиться с окружающими радиопомехами, Triorail разработала новое, пятое поколение GSM-R, предоставляющее доступ к беспрецедентной производительности приемника, которая превышает рекомендуемый стандарт ETSI.
Помехи создаются общественными GSMсетями, как правило, в диапазоне E-GSM 900 и UMTS 900, точнее, интерференцией диапазона на соседний R-GSM (рис. 13).
Рис. 13. Распределение помех
И если базовые станции общественных GSM-сетей оказываются мощней или находятся ближе к абонентскому ж/д оборудованию, эти помехи могут влиять на их работу. Модули третьего поколения Triorail полностью соответствуют стандартам помехозащищенности ETSI (Европейский институт по стандартизации в области телекоммуникаций). Но компания разработала новые модули, которые обеспечивают практически на 60 дБ лучшую производительность по отношению к 3 дБ в соответствии с рекомендациями ETSI.
Новый модуль, который может решать вопросы помехозащищенности на таком уровне, называется TRM-5. У него есть определенные преимущества:
Рис. 14 иллюстрирует ситуацию, когда из-за смежного поставщика услуг UMTS появляются помехи в диапазоне GSM-R.
Рис. 14. Возникновение помех из-за смежного поставщика:
а) внешний фильтр;
б) модуль TRM-5;
в) помехи от UMTS
На рисунке видно, что решение с внешним фильтром и новое поколение модуля Triorail обеспечивают хорошие результаты, передачу на GSM-R и работают без помех. На рис. 15 показано сравнение модулей TRM-5 и TRM-3.
Рис. 15. Сравнение модулей TRM-5 и TRM-3
Кодовое разделение каналов CDMA — подробный разбор
В этой статье рассмотрим три способа разделения каналов, временное разделение, частотное и кодовое разделение каналов. Особое внимание будет уделено кодовому разделению каналов. Приятного чтения!
Если есть радиотехническая система (РТС) включающая в себя множество устройств и между этими устройствами необходимо выполнять обмен информацией, необходимо разделять каналы.
Для примера рассмотрим сотовую связь.
Есть базовая станция (БС) и множество абонентских устройств. Между БС и мобильными телефонами образуется канал, сколько мобильных устройств столько и каналов. Задача — организовать разделение каналов таким образом, чтобы работа одного устройства, не создавала помех для другого устройства.
Способы разделения каналов:
Временное разделение каналов (TDMA)
При временном разделении каналов информация от каждого абонента делится на пакеты (блоки), и пакеты от разных абонентов передаются по очереди. Передача осуществляется на одной частоте.
На примере представлено, информацию передают 3 абонента. Сначала Абонент 1 передал информацию, потом он закончил и сделал паузу, потом 2 и 3 и так далее. То время, которое выделяется каждому абоненту, называется временной слот (time slot).
А тот временной отрезок, который выделяется для всех абонентов называется кадром. В течении кадра все абоненты передали свои пакеты и когда начнется следующий кадр все начнется заново. Соответственно, сколько временных слотов в кадре столько абонентов и могут передавать информацию.
Частотное разделение каналов FDMA
Если при временном разделении каналов все абоненты вели передачу на одной частоте, в случае частотного разделения каналов, все абоненты передают информацию на разных частотах.
С точки зрения исторического процесса развития радиотехнических систем, частотное разделение каналов — это самый первый способ разделения каналов. Каждому устройству необходимо задать разные частоты и тогда они не будут создавать помех друг для друга. Но так как они передают информацию на разных частотах, следовательно могут работать одновременно.
При частотном разделении каналов информация каждому абоненту выделяется своя частота. Передача может осуществляться одновременно.
Количество частот определяют ёмкость системы, т.е. сколько абонентов могут передавать информацию одновременно.
Комбинация FDMA и TDMA
Часто используется комбинация FDMA и TDMA, т.к. это обеспечивает большее количество каналов.
Представлен пример для комбинированного частотного и временного разделения каналов. Если говорим о GSM то там, на 1 несущую приходится 8 таймслотов, соответственно, если выделена одна частота, одновременно могут разговаривать не более 8 абонентов. Для увеличения ёмкости системы требуется увеличение количества несущих.
В примере ёмкость системы увеличена до 9 абонентов, 9 человек могут одновременно вести переговоры по 3 абонента на каждой частоте и по 3 таймслота в каждом кадре.
Кодовое разделение каналов CDMA
При кодовом разделении каналов на одной фиксированной частоте все абоненты передают информацию одновременно. Они пересекаются по частоте и по времени. Тогда почему они друг другу не мешают?
Как формируются сигналы при CDMA
Рассмотрим? как формируется сигнал для кодового разделения каналов на примере 2-ФМн сигнала и кодах Уолша.
На осциллограмме (1) присутствует информационный сигнал, т.е. полезная информация. Информационный сигнал (1) перемножаем с кодовой последовательностью Уолша (2). У последовательности Уолша есть длина, у нее 8 импульсов на последовательности. Вся длина последовательности должна уложиться в длину символа. Длительность последовательности = длительности символа.
Когда начинает передаваться следующий символ, кодовая последовательность начинает опять циклически повторяться от символа к символу. Когда символы “1” и “2” перемножаем с кодовой последовательностью Уолша получаем модулирующую последовательность (3).
Осциллограмму (3) и будем подавать на модулятор. Если символ “1”, тогда кодовая последовательность какая была, такая и осталась. Если символ “0”, тогда последовательность перевернулась.
Когда осциллограмму (3) подаем на модулятор формируется сигнал с двоичной фазовой модуляцией (2-ФМн), но фаза здесь меняется не каждый информационный символ, а будет определяться частотой следования импульсов кодовой последовательности. Скорость манипуляции — как часто меняется параметра гармонического сигнала. В даннам случае фаза. Здесь скорость манипуляции в 8 раз больше, чем символьная скорость.
Структура модулятора CDMA
На рисунке выше (способ 1) есть последовательно Уолша, Ts — это длительность информационного символа, а Tch — длительность чипа. N — длина кодовой последовательности (КП). Длительность чипа будем 8 раз меньше длительности символа.
Второй пример формирования cdma. Изменен порядок перемножения. Один импульс кодовой последовательности называется чипом. В примере последовательность включает 8 чипов.
Информационный символы (1) подаем на фазовый модулятор и уже сигнал (2) перемножаем с кодовой последовательностью Уолша (3). В этом примере переставили порядок действий, но результат получился тот же самый.
Во втором способе сначала подали сигнал на модулятор, а затем перемножили с последовательность Уолша.
Пример модели в Simulink
На картинке видим источник сигнала (Random Integer), подаем сигнал сначала на модулятор и потом перемножаем (Product) с последовательностью Уолша (Walsh Code Generator).
Кодовые последовательности Уолша
Разберемся каким свойство обладает последовательность Уолша, которая позволяет разделять один канал от другого.
Коды Уолша – совокупность двоичных ортогональных кодовых последовательностей, принимающих значения +1 и −1.
Совокупность, есть множество КП Уолша. Они двоичны и принимаю два значения, иногда пишут, что они принимают значение <1;-1>или <1;0>. Но мы будем использовать <1;-1>.
Коды Уолша применяются для кодового разделения каналов, так как они ортогональны друг с другом. Если возьмем N последовательностей Уолша, эти последовательности тоже будут иметь длину N и вот эта совокупность из N последовательностей будет образовывать ортогональную систему. Например, у нас 8 последовательностей Уолша, и эти 8 последовательностей будут образовывать ортогональную систему. Если из этой системы, любые две последовательности возьмем и посчитаем для них корреляцию и если корреляция будет равна нулю, то последовательности ортогональны.
Четыре последовательности в в каждой последовательности 4 переменные. Если возьмем любые две последовательности и посчитаем для них корреляцию. Рассмотрим ортогональную систему последовательностей Уолша 4×4:
a1 — одна последовательность и a3 — другая последовательность, нужно их посимвольно перемножить одну с другой.
И результат перемножения суммируем. Если в результате получился 0, то такие коды являются ортогональными.
Выделение требуемого канала и демодуляция
Теперь рассмотри, как сигнал принимается, демодулируется.
Есть принятый сигнал CDMA (1) с двоичной фазовой модуляцией, сначала подаем его на фазовый демодулятор (2), получаем двоичную последовательность и нужно осциллограмму (2) перемножить с КП Уолша (3), которая циклически повторяется. В данном случаем последовательность в приемнике такая же, как и последовательность, которая была в передатчике, с помощью которой был сформирован сигнал. В этом случае результат перемножения (2) и (3) даст сигнал на выходе коррелятора (4).
Но процесс демодуляции не закончен. Мы перемножили принятый сигнал (2) и КП Уолша (3), теперь должны все просуммировать. Если каждую точку (4) обозначить S1, S2, S3 … S8 — это результат перемножения. Затем все эти точки нужно просуммировать. И чтобы нормировать поделить все на N.
Другой пример. Формирующая последовательность в передатчике не совпадает с последовательностью на приемнике.
Сигнал тот же самый приняли (1), подали сигнал на демодулятор (2), получили демодулированные последовательности. Процедуру повторяем, сначала перемножаем (4), потом суммируем (5), в результате получим 0. Если последовательность Уолша в приемнике и передатчике не совпадает, то приемник такой сигнал от передатчика не воспринимает. Когда совпадает, сигнал восстанавливается, когда не совпадает сигнала как будто бы нет.
Демодуляция сигнала на примере
В результате кодового разделения каналов, один информационный символ превращается в кодовую последовательность, получается что один информационный символ у одного передатчика будет ортогонален с информационным символом другого передатчика.
РТС включает в себя множество радиотехнических устройств, множество передатчиков и все они работают одновременно. Рассмотрим пример, каждый информационный символ превращается в последовательность Уолша. Если множество передатчиков работают одновременно, то их сигналы в эфире складываются, мы принимаем сумму всех сигналов.
Например, есть 4 передатчика каждый вместо информационного символа передает кодовую последовательность, если передатчик передает информационный символ “1” эта последовательность, какая была такая и осталась, если передается “0”, то у этой последовательности меняется знак.
Рассмотрим, когда все передатчики передают символ “1”. Так как все передатчики работают одновременно сигнал просто суммируется. Выделять информацию приемник будет с первого передатчика (а1). А остальные передатчики (a0 a2 a3) не должны создавать помех.
Получили групповой сигнал 4 0 0 0. Теперь нужно выделить один из каналов, выберем первый (а1). Нужно перемножить с той последовательностью Уолша с которой был сигнал сформирован для первого передатчика. Получим в результате 4 и разделим на длину последовательности на 4, получим 1. Передавался символ “1” приняли тоже “1”.
Рассмотрим случай, когда все передатчики передают символ 1, т.е. значения у a0 a2 и a3 не меняются, а меняется значение на противоположное у передатчика a1.
Структура демодулятора CDMA
Приняли сигнал CDMA из эфира, подали на демодулятор, появилась некоторая демодулированная последовательность и перемножали ее с КП Уолша, а затем результат суммировали. Когда мы что-то перемножаем, потом интегрируем это вычисление корреляции. Мы вычисляли корреляцию между принятым сигналом (групповым) и последовательностью Уолша.
Рассмотрим более сложную структуру демодулятора.
Устройство выборки работает на чиповой скорости. Выделили принятую последовательность и нужно вычислить корреляцию между групповым сигналом и КП Уолша. В корреляторе сначала перемножаем, потом суммируем. Дальше стоит устройство выборки, которое осуществляет работу на символьной скорости. И сигнал поступает на устройство принятия решения.
Расширение спектра
За счет чего идет расширение спектра? Если подавать информационный сигнал напрямую на фазовый модулятор, скорость манипуляции совпадала бы с информационной, символьной скоростью. Но из-за того что мы информационный сигнал перемножаем с КП Уолша, а КП идет быстрее, в нашем случае в 8 раз, то и скорость манипуляции будет быстрее в 8 раз. Фаза в 8 раз чаще изменяет свое положение. Спектр расширяется в N раз, где N — длина кодовой последовательности.
На картинке выше представлен спектр фазоманипулированного сигнала и спектр CDMA сигнала. Средняя мощность у них постоянная. Площадь у графиков одинаковая. Чтобы определить среднюю мощность сигнала по спектральной плотности мощности, нужно рассчитать площадь. Если площадь постоянна, если растягиваем вширь, соответственно высота должна уменьшиться.
Системы с расширенным спектром более устойчивы к узкополосным помехам по частотно-селективным замираниям. Когда говорим о кодовом разделении каналов, расширение спектра происходит как побочное действие, потому что скорость манипуляции увеличивается.
Расширенный спектр дает преимущества. Узкополосная помеха — помеха у которой ширина спектра намного уже, чем ширина сигнала.
На картинке выше спектр без расширения и с расширением и присутствует узкополосная помеха. Из рисунка видно, какую часть повреждает узкополосная помеха без расширения и с расширением. Видим, что у расширенного спектра повреждена совсем малая часть, по сравнению со спектром без расширения.
Замирания появляются при многолучевом распространении, когда сигналы отражаются от множества объектов и в передатчик приходит множество лучей с разными фазами и когда они складываются с разными фазами у них амплитуда может увеличиться либо уменьшиться.
Когда спектр сигнала узкополосный, то вследствие замираний, будем наблюдать, как будто бы у него изменяется амплитуда, вплоть до того, что сигнал может потеряться в шумах и потеряется возможность к демодуляции сигнала.
А когда спектр сигнала широкий, больше мегагерца, десятки МГц, получается не на всех частотах сигнал складывается в одних и тех же фазах. Лучи приходят с одинаковой задержкой, но задержка по времени на частоте f1 и f2 она превращается в разные сдвиги фаз.
С одной стороны, расширение спектра идет, как побочное действие, потому что скорость манипуляции увеличилась, но за счет этого мы получили достоинство.
Необходимость синхронизации
Почему рассинхронизация приводит к увеличению ошибки? Для корректной работы системы с кодовым разделением каналов необходима точная временная синхронизация всех приемников и передатчиков.
Если синхронизация будет нарушена, то сигналы будут неортогональны. Это приведет к тому, что сигналы будут помехой друг для друга.
Рассмотрим пример. На один символ приходит КП из 4-х элементов. На каждом интервале времени равным длительности символа, проверяем ортогональность и выясняем, что они ортогональны, не создают помех друг другу.
Но что будет, если синхронизация нарушится, один сигнал передается с опережением или запаздыванием, т.е. они сдвинуты друг относительно друга. Во втором случае при перемножении и сложении в результате получили значение 4, а не 0, следовательно ортогональность нарушена. И сигналы будут создавать помехи друг другу и увеличится вероятность ошибки.
Ёмкость системы
Емкость системы, т.е. максимальное количество абонентов, которые могут одновременно передавать информацию определяется количеством последовательностей Уолша в ортогональной системе. Каждому передатчику должна быть выделена своя кодовая последовательность.
Если ортогональная система состоит из 8 последовательностей, то только 8 передатчиков могут одновременно передавать информацию и не создавать помеху друг другу.
Длина последовательности Уолша равна количеству последовательностей в ортогональной системе.
Получение последовательностей Уолша. Матрица Адамара
Одним из способов получения последовательностей Уолша – взять матрицу Адамара.
Каждая строка (столбец) матрицы Адамара – это последовательность Уолша.
Матрица Адамара – это полная ортогональная система последовательностей Уолша.
Получение матрицы Адамара:
Для кодового разделения каналов необязательно применение кодов Уолша. Возможно применение других ортогональных кодов и слабо коррелированных кодов.
Слабо коррелированные коды:
Спасибо за прочтение статьи, переходи в раздел “ радиосвязь ”, там много полезной информации.
