Hajaspektrijärjestelmän avainelementti on. Laajennettu ISO-alue: todella hyödyllinen ominaisuus vai näppärä markkinointitemppu? Hajaspektrijärjestelmien edut

Nykyaikaisin digikameroita tarjoavat käyttäjille mahdollisuuden valita sovellusten välillä vakioalue ISO ja sen laajennettu tila.

Kokeneet valokuvaajat ymmärtävät hyvin, mitkä kameran toiminnot ovat todella hyödyllisiä ja mitä ei käytännössä käytetä heidän työssään ja valmistaja lisäsi ne markkinointitempuna. Aloittelijat voivat helposti hämmentyä kameraa valitessaan erilaisista vaihtoehdoista, esimerkiksi siitä, mikä on ISO ja kuinka valita oikea toimiva ISO-alue.

Valitse alkuperäisen tai laajennetun ISO-alueen välillä

Kun digitaalikameran ISO-arvoa muutetaan, käyttäjä säätää signaalin voimakkuutta ja muuttaa siten pakotetun vahvistuksen suhdetta anturin valon vastaanottokykyyn. ISO-vahvistuksen vähimmäis- ja enimmäisarvot ovat tietyt - tätä aluetta kutsutaan standardiksi. Kun standardiarvoja pienennetään tai ylitetään, kameran anturit eivät pysty lukemaan tietoja riittävästi.

Jonkin aikaa valoherkkyysarvon ylärajaa pidettiin horjumattomana, mutta nykyaikaisten kameroiden laitteiston ja ohjelmiston nopea kehitys on antanut meille mahdollisuuden saavuttaa uskomattomia korkeuksia. Sama koskee ISO-alueen alempaa arvoa - moderni teknologia voit vähentää sitä merkittävästi. Pohjimmiltaan valokuvien ottaminen laajennetulla ISO-alueella on samanlaista kuin valokuvan jälkikäsittely tietokoneella, vain tämä prosessi tapahtuu suoraan itse kamerassa.

Kuinka suurentunut ISO-alue voi vaikuttaa valokuviin

Kameroissa, joissa on suuri ISO-alue, käytetään antureita, joiden valoherkkyys on sama kuin perinteisissä kameroissa. Laajennetut ISO-alueet, kuten ISO 12800, ISO 25600, ISO 51200, ISO 102400, saadaan käyttämällä perinteisiä antureita ja elektroniset piirit, jonka valoherkkyyttä lisätään ohjelmiston avulla. Tästä seuraa, että laajennettu ISO-alue ei ole muuta kuin markkinointitemppu.

Väitteet, että kamera pystyy kuvaamaan ISO 102400:aan asti, ovat vaikuttavia aloitteleville valokuvaajille, mutta se ei tarkoita, että he ostavat kameraa ostaessaan sensorin, jolla on niin korkea valoherkkyys. Itse asiassa nämä arvot saavutetaan kiitos ohjelmisto, ja ne näkyvät usein huonolaatuisissa kuvissa iso määrä digitaalista kohinaa.

Erittäin korkealla ISO-herkkyydellä otetut valokuvat näyttävät hyvältä vain mustavalkoisena, mikä tekee tyhjäksi tämän laajennetun ISO-alueen kameroiden edun.

Huomaavainen käyttäjä huomaa varmasti, että kamera ottaa kuvia laajennetulla ISO-alueella JPEG-muodossa, mutta ei RAW-muodossa. Tämä johtuu siitä, että kun ammutaan sisään RAW-tila digitaalinen negatiivi muodostetaan minimaalisella käsittelyllä, mikä laajentaa mahdollisuuksia kehysten jälkikäsittelyyn valokuvaeditorien avulla. (On kuitenkin syytä mainita, että jotkut valmistajat sallivat mahdollisuuden käyttää laajennettua ISO-aluetta kuvattaessa RAW-muodossa.)

Suuremman ISO-alueen käyttämisestä voi olla hyötyä JPEG-valokuvaajille, jotka eivät jälkikäsittele kuvia. On silti tarpeen ottaa huomioon, että joudut sulkemaan silmäsi laadulta.

HAJETTAVAT SPEKTRIJÄRJESTELMÄT

Termiä hajaspektri on käytetty lukuisissa sotilaallisissa ja kaupallisissa viestintäjärjestelmissä. Hajaspektrijärjestelmissä jokainen viestin kantoaaltosignaali vaatii huomattavasti enemmän radiotaajuuskaistanleveyttä kuin perinteinen moduloitu signaali. Laajempi taajuuskaista mahdollistaa jonkin verran hyödyllisiä ominaisuuksia ja ominaisuuksia, joita on vaikea saavuttaa muilla keinoin.

Hajaspektri on menetelmä hajaspektrisignaalin generoimiseksi käyttämällä lisämodulaatioastetta signaalin spektrin laajentamisen lisäksi myös vähentämään sen vaikutusta muihin signaaleihin. Lisämodulaatiolla ei ole mitään tekemistä lähetetyn viestin kanssa.

Laajakaistajärjestelmiä käytetään seuraavien mahdollisten etujen vuoksi:

Lisääntynyt melunsieto;

Mahdollisuus tarjota kanavien koodijako monikäyttöä varten sen perusteella käyttävissä järjestelmissä CDMA-tekniikkaa;

Energiasalaisuus alhaisen spektritiheyden vuoksi;

Korkea resoluutio etäisyyksiä mitattaessa;

Viestinnän turvallisuus;

Kyky kestää tahallisen häiriön vaikutuksia;

Lisääntynyt suorituskyky ja spektrinen tehokkuus joissakin solujärjestelmät henkilökohtainen viestintä;

Viestinnän laadun asteittainen heikkeneminen samalla kun samaa HF-kanavaa käyttävien käyttäjien määrä kasvaa;

alhaiset myyntikustannukset;

Modernin saatavuus elementtipohja(integroidut piirit).

Kuva 6.1 – Suorahajaspektrijärjestelmän rakenne

Käytetyn arkkitehtuurin ja modulaatiotyyppien mukaan hajaspektrijärjestelmät voidaan jakaa seuraaviin pääryhmiin.

Pseudosatunnaissekvenssi (PRS) -pohjainen suora hajaspektri, mukaan lukien CDMA-järjestelmät,

Perestroikan kanssa toimintataajuus("hyppytaajuudella"), mukaan lukien CDMA-järjestelmät, joissa on hidas ja nopea taajuushyppely,

Carrier Sense Multiple Access (CSMA),

Signaalien aikapaikan uudelleenjärjestelyllä ("hyppy" aika),

Signaalien lineaarisella taajuusmodulaatiolla (sirumodulaatio),

Sekaspektrihajotusmenetelmillä.

Suora laajennus spektrin pseudosatunnaisia ​​sekvenssejä käyttäen

Kuva 6.1 esittää käsitteellisen kaavion suorahajaspektrijärjestelmästä, joka perustuu näennäissatunnaisiin sekvensseihin (a - PSK-signaalin lähetin myöhemmällä spektrillä, b - kantataajuushajaspektrilähetin, c - vastaanotin). Ensimmäisessä modulaattorissa välitaajuuden signaalin vaihesiirtoavainnus (PSK) suoritetaan binääristi. digitaalinen signaali lähetetty viesti d(t) palautumattomassa nollaan (NRZ) -muodossa symbolitaajuudella fb = 1/Tb.

Matkaviestinjärjestelmän yhdessä solussa on pääsääntöisesti useita samanaikaisesti viestintää käyttäviä tilaajia, joista jokainen käyttää samaa kantoaaltotaajuutta RF ja varaa saman taajuuskaistan RF.

Hajaspektrisignaalien generointi monipääsyjärjestelmissä tapahtuu kahdessa vaiheessa: modulaatio ja hajaspektri (tai toissijainen modulaatio PSP:n kautta). Toissijainen modulaatio suoritetaan käyttämällä ideaalista kertolaskuoperaatiota g(t)s(t). Tällä kertolaskulla muodostuu amplitudimoduloitu kaksisuuntainen signaali, jossa on vaimennettu kantoaalto. Ensimmäinen ja toinen modulaattori voidaan vaihtaa järjestelmän mahdollisia ominaisuuksia muuttamatta.

Hajaspektrisignaali g(t)s(t) muunnetaan halutulle radiotaajuudelle. Vaikka ylös- ja alastaajuusmuunnos on lähes välttämätön prosessi useimmissa järjestelmissä, se ei ole kriittinen vaihe. Siksi oletetaan tulevaisuudessa, että signaali g(t)s(t) lähetetään ja vastaanotetaan välitaajuudella, jättäen huomioimatta taajuuden ylös- ja alasmuunnosalijärjestelmän.

Siten vastaanottimen tulo vastaanottaa M riippumattoman hajaspektrisignaalin summan, jotka käyttävät samaa RF-kaistaa.

Hajaspektrijärjestelmien käsite toimintataajuuden ohjelmistovirityksellä on monella tapaa samanlainen kuin suorien hajaspektrijärjestelmien käsite. Tässä binäärinen PSP-generaattori ohjaa taajuussyntetisaattoria, jonka avulla suoritetaan siirtymä ("hyppy") joukosta taajuudesta toiselle. käytettävissä olevat taajuudet. Tässä spektrin laajennuksen vaikutus saavutetaan siten kantotaajuuden näennäissatunnaisella virityksellä, jonka arvo valitaan käytettävissä olevista taajuuksista f1,...,fN, joissa N voi saavuttaa useita tuhansia tai enemmänkin arvoja. . Jos viestin viritysnopeus (taajuuden muutoksen nopeus) ylittää viestin lähetysnopeuden, meillä on järjestelmä nopealla taajuuden virityksellä. Jos säätönopeus vähemmän nopeutta viestin lähetys, niin että viritysvälissä lähetetään useita bittejä, niin meillä on järjestelmä hitaan taajuuden virityksellä.

Jos valitaan joukko korreloimattomia PSP-signaaleja, niin spektrin pakkaustoiminnon jälkeen säilytetään vain moduloitu hyödyllinen signaali. Kaikki muut signaalit, jotka ovat korreloimattomia, säilyttävät laajakaistan ja niiden spektrin leveys ylittää demodulaattorisuodattimen rajakaistanleveyden. Kuva 6.2 esittää yksinkertaistettuja ajoitus- ja spektrikaavioita, jotka havainnollistavat kvalitatiivisesti signaalispektrin laajennus- ja pakkausprosesseja. Erityisesti heiltä puuttuu kantoaaltosignaali.

Kuva 6.2 - Kaaviot spektrin laajentamiseen

Hajaspektrijärjestelmissä toimintataajuutta virittämällä jälkimmäinen pysyy vakiona jokaisen viritysvälin ajan, mutta muuttuu äkillisesti intervallista toiseen. Lähetystaajuudet generoidaan digitaalisella taajuussyntetisaattorilla, jota ohjaa koodi ("sanat"), joka saapuu sarja- tai rinnakkaismuodossa ja sisältää m binaarisymbolia (bittiä). Jokainen m-bittinen sana tai sen osa vastaa yhtä M = 2m taajuuksista . Vaikka taajuuksien virittämiseen on käytettävissä M = 2m, m = 2, 3 taajuutta, kaikkia ei välttämättä käytetä erityinen järjestelmä. Järjestelmät, joissa spektriä laajennetaan ohjelmiston toimintataajuuden säädöllä, jaetaan järjestelmiin, joissa on hidas, nopea ja keskinopeus perestroika.

Järjestelmissä, joissa on hidas viritys, viritysnopeus fh on pienempi kuin viestin lähetysnopeus fb. Näin ollen viritysvälissä voidaan lähettää kaksi tai enemmän viestibittiä (joissakin järjestelmissä yli 1000 joissakin järjestelmissä) ennen siirtymistä toiselle taajuudelle. Keskitason viritysnopeuden järjestelmissä viritysnopeus on yhtä suuri kuin lähetysnopeus. Yleisimmin käytetyt järjestelmät ovat järjestelmiä, joissa toimintataajuutta säädetään nopeasti ja hitaasti.

Vastaanottimien synkronoimiseksi hajaspektrisignaaleja vastaanotettaessa voidaan tarvita kolme synkronointilaitetta:

Kantoaallon vaiheen synkronointi (kantoaallon palautus);

Symbolinen synkronointi (palautus kellotaajuus);

Koodia tai näennäissatunnaisia ​​sekvenssejä luovien generaattoreiden aikasynkronointi.

Aikasynkronointi on kahdessa vaiheessa, joiden aikana suoritetaan seuraavaa:

Haku (alkuperäinen, karkea synkronointi);

Seuranta (tarkka synkronointi).

Kuva 6.3 näyttää lohkokaavioita järjestelmän osien lähettäminen ja vastaanottaminen taajuuden virityksellä.

Kuva 6.3 - Järjestelmä, jossa on ohjelmiston taajuuden viritys

SISÄÄN GSM-standardi spektrisesti tehokasta Gaussin minimisiirtoavainnointia (GMSK) käytetään. Manipulointia kutsutaan Gaussiseksi, koska informaatiobittien sekvenssi ennen kuin modulaattori kulkee Gaussin ominaisuudella varustetun alipäästösuodattimen (LPF) läpi, mikä johtaa lähetetyn radiosignaalin taajuuskaistan merkittävään pienenemiseen. GMSK-radiosignaalin muodostus suoritetaan siten, että yhden informaatiobitin välissä kantoaaltovaihe muuttuu 90°. Tämä on pienin mahdollinen vaihemuutos, joka voidaan tunnistaa milloin tämä tyyppi modulaatio. Jatkuva muutos siniaallon vaihe johtaa taajuusmodulaatioon diskreetillä taajuuden muutoksella. Gauss-suodattimen käyttö mahdollistaa "sujuvien siirtymien" saavuttamisen diskreetillä taajuuden muutoksella. GSM-standardi käyttää GMSK-modulaatiota normalisoidulla kaistanleveydellä VT = 0,3, missä SISÄÄN- suodattimen kaistanleveys tasolla -3 dB, T- kesto 1 bitti digitaalinen viesti. Toiminnallinen kaavio modulaattori on esitetty kuvassa 6.4.

Kuva 6.4 - Modulaattorin toimintakaavio

GMSK-signaalin muotoilijan perusta on kvadratuurimodulaattori (1/Q). Piiri koostuu kahdesta kertoimesta ja yhdestä summaimesta. Tämän piirin tarkoituksena on tarjota jatkuva tarkka vaihemodulaatio. Yksi kertoja muuttaa sinivärähtelyn amplitudia ja toinen - kosinivärähtelyä. Tulosignaali ennen kuin kerroin jaetaan kahteen kvadratuurikomponenttiin. Hajoaminen tapahtuu kahdessa lohkossa, jotka on nimetty "sin" ja "cos".

GMSK-signaalin muodostumista kuvaavat kaaviot on esitetty kuvassa 4.9.

GMSK-modulaatiolla on seuraavat ominaisuudet, joita suosivat: matkaviestintä:

Verhokäyrä on tasatasoinen, mikä mahdollistaa tehokkaiden lähetyslaitteiden käytön tehovahvistimilla C-luokan tilassa;

Kompakti spektri lähettävän laitteen tehovahvistimen lähdössä, joka tarjoaa matala taso kaistan ulkopuolinen säteily;

Hyvät ominaisuudet viestintäkanavan häiriönkestävyys.

Kuva 6.5 - GMSK-signaalin generointi

Puheenkäsittely. GSM-standardin puheenkäsittely suoritetaan lähetettyjen viestien korkean laadun varmistamiseksi ja lisäpalveluominaisuuksien toteuttamiseksi. Puheenkäsittely suoritetaan jaksoittaisen puheensiirron järjestelmän (Discontinuous Transmission - DTX) puitteissa, joka varmistaa, että lähetin kytketään päälle, kun käyttäjä aloittaa keskustelun, ja sammuttaa sen taukojen aikana ja keskustelun lopussa. keskustelu. DTX:tä ohjaa Voice Activity Detector (VAD), joka havaitsee ja erottaa puheen kohinalla ja kohinalla ilman puhetta, vaikka kohinataso on verrattavissa puheen tasoon. Jaksottaiseen puheensiirtojärjestelmään kuuluu myös mukavan kohinan tuottava laite, joka kytkeytyy päälle ja jota kuunnellaan puhetaukojen aikana, kun lähetin sammutetaan. On kokeellisesti todistettu, että sammuttaminen taustamelu vastaanottimen lähdössä tauoissa, kun lähetin on kytketty pois päältä, ärsyttää tilaajaa ja heikentää puheen ymmärrettävyyttä, joten miellyttävän kohinan käyttö tauoissa katsotaan tarpeelliseksi .

Menetelmä spektrin laajennus puuskittaista rakennemuutosta taajuuksia (FHSS – Frequency Hopping Hajaspektri) perustuu jatkuvaan kantoaallon vaihtoon laajalla taajuusalueella.

Kantoaaltotaajuus F1, …, FN satunnaisesti muuttuu läpi tietty ajanjakso aika, soitti katkaisuaika (siru) , valitun algoritmin mukaisesti näennäissatunnaisen sekvenssin muodostamiseksi. Modulaatiota sovelletaan kullakin taajuudella (FSK tai PSK). Lähetys yhdellä taajuudella suoritetaan kiinteän ajanjakson ajan, jonka aikana siirretään tietty osa dataa (Data). Kunkin lähetysjakson alussa synkronointibittejä käytetään synkronoimaan vastaanotin lähettimen kanssa, mikä vähentää hyödyllistä lähetysnopeutta.

Kantoaallon muutosnopeudesta riippuen on olemassa kaksi spektrin laajennustilaa:

· hidas spektrin hajautus – useita bittejä lähetetään yhdessä katkaisujaksossa;

· nopea spektrin hajautus - yksi bitti lähetetään useiden katkaisujaksojen aikana, eli toistetaan useita kertoja.

Ensimmäisessä tapauksessa tiedonsiirtoaika Vähemmän sirun siirtoaika, toisessa - enemmän.

Menetelmä nopea laajentuminen spektri tarjoaa luotettavamman tiedonsiirron häiriöiden läsnä ollessa, koska sama bittiarvo toistuu toistuvasti eri taajuuksilla, mutta se on monimutkaisempi toteuttaa kuin hitaan hajaspektrin menetelmä.

Suora sarjahajaspektri

Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) -menetelmä on seuraava.

Jokainen "yksi" bitti lähetetyssä datassa korvataan binäärisekvenssillä N bittiä, jota kutsutaan levityssekvenssi , ja "nolla"-bitti on koodattu hajotussekvenssin käänteisarvolla. Tässä tapauksessa lähetyksen kellonopeus kasvaa N kertaa, siksi myös signaalispektri laajenee N kerran.

Tietäen varattu langaton lähetys(tietoliikennelinja) taajuusalue, voit valita baudinopeuden ja arvon sen mukaan N niin, että signaalispektri täyttää koko alueen.

DSSS-koodauksen, kuten FHSS:n, päätarkoitus on lisätä kohinansietokykyä.

Sirun nopeus– tuloksena olevan koodin lähetysnopeus.

Laajenemiskerroin– bittien määrä N laajenevassa järjestyksessä. Yleensä N on välillä 10-100. Mitä enemmän N, sitä suurempi on lähetettävän signaalin spektri.

DSSS on vähemmän immuuni häiriöille kuin nopea hajaspektri.

Useita pääsy koodijako

Hajaspektritekniikoita käytetään laajasti matkapuhelinverkot, erityisesti kun toteutetaan CDMA (Code Division Multiple Access) -pääsymenetelmää – monikäyttöinen pääsy koodilla erotettuna . CDMA:ta voidaan käyttää yhdessä FHSS:n kanssa, mutta langattomissa verkoissa sitä käytetään useammin DSSS:n kanssa.

Jokainen verkkosolmu käyttää omaa hajotussekvenssiään, joka valitaan siten, että vastaanottava solmu voi poimia dataa kokonaissignaalista.

CDMA:n etuna on tiedonsiirron lisääntynyt turvallisuus ja salassapito: ilman leviämissekvenssiä on mahdotonta vastaanottaa signaalia ja joskus jopa havaita sen läsnäolo.

WiFi-tekniikka. WiMax-tekniikka. Langaton henkilökohtaiset verkostot. Bluetooth-tekniikka. ZigBee-tekniikka. Langaton anturiverkot. Langattomien teknologioiden vertailu.

WiFi-tekniikka

Wireless LAN (WLAN) -teknologian määrittelee IEEE 802.11 -protokollapino, joka kuvaa fyysistä kerrosta ja linkkikerros kahdella alikerroksella: MAC ja LLC.

Päällä fyysinen taso Useita erittelyvaihtoehtoja on määritelty, jotka eroavat toisistaan:

· käytetty taajuusalue;

· koodausmenetelmä;

· tiedonsiirtonopeus.

Vaihtoehdot 802.11-standardin mukaisten langattomien lähiverkkojen, nimeltään WiFi, rakentamiseen.

IEEE 802.11 (vaihtoehto 1):

· siirtoväline – IR-säteily;

· näköyhteys;

· Käytetään kolmea säteilyn leviämisvaihtoehtoa:

Omnisuuntainen antenni;

Heijastus katosta;

Fokusoiva suunnattu säteily ("pisteestä pisteeseen").

IEEE 802.11 (vaihtoehto 2):

· koodausmenetelmä – FHSS: jopa 79 taajuusaluetta leveä

1 MHz, joiden kunkin kesto on 400 ms (kuva 3.49);

· 2 signaalitilassa se tarjotaan läpijuoksu siirtoväline nopeudella 1 Mbit/s, 4 – 2 Mbit/s.

IEEE 802.11 (vaihtoehto 3):

· lähetysväline – mikroaaltoalue 2,4 GHz;

· koodausmenetelmä – DSSS 11-bittisellä koodilla hajautussekvenssinä: 10110111000.

IEEE 802.11a:

1) taajuusalue – 5 GHz;

2) siirtonopeudet: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbit/s;

3) koodausmenetelmä – OFDM.

Virheet:

· liian paljon kalliita laitteita;

· joissakin maissa tämän alueen taajuudet ovat lisensoinnin alaisia.

IEEE 802.11b:

1) taajuusalue – 2,4 GHz;

2) siirtonopeus: jopa 11 Mbit/s;

3) koodausmenetelmä – modernisoitu DSSS.

IEEE 802.11g:

1) taajuusalue – 2,4 GHz;

2) suurin nopeus siirto: jopa 54 Mbit/s;

3) koodausmenetelmä – OFDM.

Syyskuussa 2009 IEEE 802.11n -standardi hyväksyttiin. Sen käyttö lisää tiedonsiirtonopeutta lähes nelinkertaiseksi verrattuna 802.11g-standardin laitteisiin. Teoriassa 802.11n pystyy tarjoamaan tiedonsiirtonopeudet jopa 600 Mbps. Toimintasäde langattomat nettiyhteydet IEEE 802.11 – jopa 100 metriä.

WiMax-tekniikka

WiMaxin laajakaistaista langatonta laajakaistaliityntätekniikkaa edustaa IEEE 802.16 -standardiryhmä, ja se oli alun perin tarkoitettu alue- tai suurkaupunkiverkkojen luokkaan kuuluvien pitkän matkan (jopa 50 km) langattomien verkkojen rakentamiseen.

IEEE 802.16 tai IEEE 802.16-2001 (joulukuu 2001), ensimmäinen point-to-multipoint -standardi, keskittyi toimimaan taajuudella 10-66 GHz, ja sen seurauksena lähettimen ja vastaanottimen oli oltava näköyhteydessä , mikä on merkittävä haitta varsinkin kaupunkiolosuhteissa. Kuvattujen spesifikaatioiden mukaan 802.16-verkko voisi palvella jopa 60 asiakasta T-1-kanavanopeudella (1,554 Mbit/s).

Myöhemmin ilmestyivät IEEE 802.16a, IEEE 802.16-2004 ja IEEE 802.16e (mobiili WiMax) -standardit, joissa lähettimen ja vastaanottimen välistä näköyhteyttä koskeva vaatimus poistettiin.

Lueteltujen WiMax-tekniikkastandardien pääparametrit.

Katsotaanpa pääasiaa teknisiä eroja WiMax WiFistä.

1. Matala liikkuvuus. Standardi kehitettiin alun perin kiinteisiin kohteisiin langaton kommunikaatio päällä pitkät matkat ja käyttäjien liikkuvuutta rakennuksen sisällä. Vasta vuonna 2005 kehitettiin IEEE 802.16e -standardi, jonka tavoitteena oli mobiilikäyttäjille. Tällä hetkellä kehitetään uusia spesifikaatioita 802.16f ja 802.16h liityntäverkkoihin, jotka tukevat mobiiliasiakkaiden toimintaa jopa 300 km/h nopeuksissa.

2. Parempien radiovastaanottimien ja lähettimien käyttö aiheuttaa korkeampia kustannuksia verkon rakentamiseen. 3. Pitkät matkat tiedonsiirto vaatii useita ratkaisuja erityisiä ongelmia: signaalin generointi eri teho, useiden modulaatiomenetelmien käyttö, tietoturvaongelmat.

4. Iso luku käyttäjiä yhdessä solussa.

5. Suurempi läpimeno tarjotaan käyttäjälle.

6. Korkealaatuinen multimedialiikenteen huolto.

Alun perin uskottiin, että IEEE 802.11 – mobiili analoginen Ethernet, 802.16 – langaton kiinteä analogi kaapelitelevisio . WiMax (IEEE 802.16e) -teknologian ilmaantuminen ja kehitys mobiilikäyttäjien tukemiseksi tekee tästä lausunnosta kuitenkin kiistanalaisen.

Venäjän federaation liikenneministeriö
Valtion oppilaitos
Korkeampi ammatillinen koulutus
Volgan osavaltion vesiliikenteen akatemia

Informatiikan, ohjausjärjestelmien ja tietoliikenteen laitos

Kurssityö aiheesta:
"Hajaspektrimodulaatio. Suora hajaspektri"

Valmis
ryhmän R-312 opiskelija
Aminov A.R.

Tarkistettu
Preobrazhensky A.V.

N. Novgorod
2009

Hajaspektrimodulaatio.
Langattomien verkkojen yleisyys, hotspot-infrastruktuurin kehittyminen, mobiiliteknologioiden ilmaantuminen sisäänrakennetulla langattomalla ratkaisulla (Intel Centrino) on johtanut siihen, että loppukäyttäjät (puhumattakaan) yritysasiakkaat) alkoi kiinnittää yhä enemmän huomiota langattomiin ratkaisuihin. Tällaisia ​​ratkaisuja pidetään ennen kaikkea langattomien ja kiinteiden langattomien paikallisverkkojen käyttöönoton keinona sekä nopean pääsyn Internetiin. Loppukäyttäjä, joka ei ole verkonvalvoja, ei kuitenkaan yleensä ole kovin perillä verkkoteknologiat, minkä vuoksi hänen on vaikea tehdä valintoja ostaessaan langatonta ratkaisua, varsinkin kun otetaan huomioon nykyään tarjolla olevien tuotteiden valikoima.
Langattoman viestintätekniikan nopea kehitys on johtanut siihen, että käyttäjät, joilla ei ole aikaa tottua yhteen standardiin, joutuvat vaihtamaan toiseen, joka tarjoaa entistä enemmän suuret nopeudet siirrot. Puhumme tietysti IEEE 802.11 -nimistä langattomien tietoliikenneprotokollien perheestä, joka sisältää seuraavat protokollat: 802.11, 802.11b, 802.11b+, 802.11a, 802.11g. Viime aikoina on puhuttu 802.11g-protokollan laajentamisesta.
Erityyppiset langattomat verkot eroavat toisistaan ​​kantaman, tuetun yhteysnopeuksien ja tiedon koodaustekniikan osalta. Näin ollen IEEE 802.11b -standardi tarjoaa maksimiyhteysnopeuden 11 Mbit/s, IEEE 802.11b+ -standardi - 22 Mbit/s, IEEE 802.11g- ja 802.11a -standardit - 54 Mbit/s.
802.11a-standardin tulevaisuus on melko epäselvä. Tämä standardi ei varmasti tule yleistymään Venäjällä ja Euroopassa, ja USA:ssa, jossa sitä tällä hetkellä käytetään, tulee todennäköisesti lähitulevaisuudessa siirtymään vaihtoehtoisiin standardeihin. Mutta uudella 802.11g-standardilla on merkittävä mahdollisuus saada tunnustusta kaikkialla maailmassa. Toinen uuden 802.11g-standardin etu on, että se on täysin yhteensopiva standardien 802.11b ja 802.11b+ kanssa, eli kaikki 802.11g-standardia tukevat laitteet toimivat (tosin pienemmillä yhteysnopeuksilla) 802.11b/b+-verkoissa. ja laite, joka tukee 802.11b/b+-standardia, on 802.11g-verkoissa, vaikka yhteysnopeudella on pienempi.
802.11g- ja 802.11b/b+-standardien yhteensopivuus johtuu ensinnäkin siitä, että niissä käytetään samaa taajuusaluetta, ja toiseksi siitä, että kaikki 802.11b/b+-protokollien tarjoamat tilat ovat otettu käyttöön myös 802.11-standardissa g. Siksi 802.11b/b+-standardia voidaan pitää 802.11g-standardin osana.
802.11-protokollan fyysinen kerros
On suositeltavaa aloittaa 802.11b/g-protokollaperheen tarkastelu 802.11-protokollalla, jota, vaikka sitä ei enää löydy puhtaassa muodossaan, on samalla kaikkien muiden protokollien kanta. 802.11-standardi, kuten kaikki muutkin tämän perheen standardit, mahdollistaa taajuusalueen käytön 2400-2483,5 MHz, eli 83,5 MHz leveän taajuusalueen, joka, kuten alla esitetään, on jaettu useisiin taajuusalikanaviin. .
Hajaspektritekniikka
Kaikki 802.11-perheen langattomat protokollat ​​perustuvat Spread Spectrum (SS) -tekniikkaan. Tämä tekniikka tarkoittaa, että alun perin kapeakaistainen (spektrin leveydellä mitattuna) hyödyllinen informaatiosignaali muunnetaan lähetyksen aikana siten, että sen spektri on huomattavasti leveämpi kuin alkuperäisen signaalin spektri. Eli signaalispektri on ikään kuin "tahroitu". taajuusalue. Samanaikaisesti signaalispektrin laajenemisen kanssa tapahtuu signaalin spektrienergiatiheyden uudelleenjakauma - myös signaalienergia "hajautuu" koko spektriin. Tämän seurauksena muunnetun signaalin maksimiteho on merkittävästi pienempi kuin alkuperäisen signaalin teho. Tässä tapauksessa hyödyllisen informaatiosignaalin taso voi vaihdella kirjaimellisesti verrattuna luonnolliseen melutasoon. Tämän seurauksena signaalista tulee tietyssä mielessä "näkymätön" - se yksinkertaisesti katoaa luonnollisen kohinan tasolla.
Itse asiassa juuri signaalin spektrienergiatiheyden muuttamisessa on ajatus spektrin laajentamisesta. Tosiasia on, että jos lähestymme tiedonsiirron ongelmaa perinteisellä tavalla, eli tavalla, jolla se tehdään radiossa, jossa jokaiselle radioasemalle on määritetty oma lähetysalue, kohtaamme väistämättä ongelman, että jakamiseen tarkoitettu rajoitettu radiokanta on mahdotonta "majoittaa" kaikkia. Siksi on tarpeen löytää menetelmä tiedon siirtoon, jossa käyttäjät voisivat olla rinnakkain samalla taajuusalueella eivätkä häiritse toisiaan. Juuri tämän ongelman spektriä laajentava teknologia ratkaisee.
Hajaspektrijärjestelmien edut
- Korkea melunsieto. Häiriön spektritiheyden rajoitetulla kaistalla signaali/kohinasuhde kasvaa G p = P w / P kertaa, missä P on alkuperäisen signaalin kaista, P w on signaalikaista spektrin laajennuksen jälkeen, G p on spektrin laajennustekijä. Jos häiriöspektri on tasainen (valkoinen kohina), signaali-kohinasuhde ei parane.
- Viestinnän luottamuksellisuus. Viestiä ei voi lukea tietämättä hajaspektrialgoritmia.
- Mahdollisuus lähettää useita viestejä samanaikaisesti yhdellä kantoaaltotaajuudella koodijakojärjestelmässä ( CDMA (Englanti Code Division Multiple Access) - monikäyttö koodijaolla.
Liikennekanavat tällä välineen jakamismenetelmällä luodaan antamalla jokaiselle käyttäjälle erillinen numerokoodi, joka jaetaan koko kaistanleveydelle. Aikajakoa ei ole, kaikki tilaajat käyttävät jatkuvasti koko kanavan leveyttä. Yhden kanavan taajuuskaista on hyvin laaja, tilaajien lähetykset menevät päällekkäin, mutta koska niiden koodit ovat erilaiset, ne voidaan erottaa toisistaan.
Koodijakomonipääsytekniikka on ollut tunnettu jo pitkään. Neuvostoliitossa ensimmäisen tälle aiheelle omistetun teoksen julkaisi vuonna 1935 D. V. Ageev.)
- Mahdollisuus vähätehoiseen signaalinsiirtoon. Signaalienergia pidetään korkeana lisäämällä signaalin kestoa. Viestinnän energiasalaisuus varmistetaan. Signaalia ei havaita, mutta se havaitaan kohinaksi.
- Korkea aikaresoluutio(mitä leveämpi spektri, sitä jyrkempi signaalirintama). Signaalin alkamishetki määritetään erittäin tarkasti, mikä on tärkeää signaalin matka-aikaan perustuvissa etäisyysmittausjärjestelmissä sekä lähettimen ja vastaanottimen synkronoinnissa.
Yleisimmät hajaspektrimenetelmät
- Suora hajaspektri(suora sekvensointi) käyttämällä signaalia moduloivaa binaarista näennäissatunnaista sekvenssiä (PSR). Spektrin leveyttä rajoittaa perus-PSP-symbolin teknisesti mahdollista vähimmäiskesto. Spektri laajenee kymmeniin megahertseihin.
- Kantoaallon taajuushyppely(taajuushyppely).M-ary-taajuusmuutosavainnointia käytetään yleisesti. M symbolia vastaa M taajuutta, jotka ovat välin päässä toisistaan D f. Tämän alueen keskustaajuus f 0 muuttuu hyppyissä PSP:n ohjauksessa virityskaistalla useita kertoja yhden viestisymbolin lähetyksen aikana (nopea viritys) tai useiden symbolien keston verran (hidas viritys). Taajuushyppely vaikeuttaa signaalin koherenssin ylläpitämistä. Siksi demodulaatio on yleensä epäkoherentti. Signaalien ortogonaalisuuden varmistamiseksi taajuuksien välisen etäisyyden on täytettävä ehto D f = m/Ts, m on kokonaisluku. Spektriä voidaan laajentaa useisiin gigahertseihin: spektrin laajennuskerroin on suurempi kuin suoralaajennuksella.
Suora hajaspektri
Potentiaalikoodauksella informaatiobitit - loogiset nollat ​​ja ykköset - lähetetään suorakaiteen muotoisina jännitepulsseina. Suorakaiteen muotoisella pulssilla, jonka kesto on T, on spektri, jonka leveys on kääntäen verrannollinen pulssin kestoon. Siksi mitä lyhyempi informaatiobitin kesto on, sitä suuremman spektrin tällainen signaali käyttää.
Laajentaakseen tarkoituksella alun perin kapeakaistaisen signaalin spektriä DSSS-tekniikka upottaa kirjaimellisesti sekvenssin niin kutsuttuja siruja jokaiseen lähetettyyn informaatiobittiin (looginen 0 tai 1). Jos informaatiobitit - loogiset nollat ​​tai ykköset - potentiaalisen informaation koodauksen aikana voidaan esittää suorakulmaisten pulssien sarjana, niin jokainen yksittäinen siru on myös suorakulmainen pulssi, mutta sen kesto on useita kertoja lyhyempi kuin informaatiobitin kesto. Sirujen sekvenssi on suorakaiteen muotoisten pulssien sarja, eli nollia ja ykkösiä, mutta nämä nollat ​​ja ykköset eivät ole informatiivisia. Koska yhden sirun kesto on n kertaa pienempi kuin informaatiobitin kesto, muunnetun signaalin spektrin leveys on n kertaa lisää leveyttä alkuperäisen signaalin spektri. Tässä tapauksessa lähetetyn signaalin amplitudi pienenee n kertaa.
Informaatiobitteihin upotettuja sirujaksoja kutsutaan kohinakoodeiksi (PN-sequences), mikä korostaa sitä tosiasiaa, että tuloksena oleva signaali muuttuu kohinaiseksi ja sitä on vaikea erottaa luonnollisesta kohinasta.
On selvää, kuinka signaalin spektriä voidaan laajentaa ja tehdä siitä erottumattomaksi luonnollisesta melusta. Tätä varten voit periaatteessa käyttää mielivaltaista (satunnaista) sirusekvenssiä. Herää kuitenkin kysymys: kuinka vastaanottaa tällainen signaali? Loppujen lopuksi, jos siitä tulee meluinen, poimi siitä hyödyllinen informaatiosignaali ei niin yksinkertaista, jos suinkin mahdollista. Osoittautuu, että se on mahdollista, mutta tätä varten sinun on valittava sirusekvenssi vastaavasti. Signaalispektrin laajentamiseen käytettyjen sirusekvenssien on täytettävä tietyt autokorrelaatiovaatimukset. Termi autokorrelaatio matematiikassa viittaa funktion samankaltaisuuden asteeseen itsensä kanssa eri ajankohtina. Jos valitset sirusekvenssin, jonka autokorrelaatiofunktiolla on selvä huippu vain yhden ajankohdan ajan, tällainen informaatiosignaali on mahdollista eristää kohinatasolla. Tätä varten vastaanotettu signaali kerrotaan vastaanottimessa samalla sirusekvenssillä, eli lasketaan signaalin autokorrelaatiofunktio. Tämän seurauksena signaalista tulee jälleen kapeakaistainen, joten se suodatetaan kapealla taajuuskaistalla ja kaikki häiriöt, jotka osuvat alkuperäisen laajakaistasignaalin kaistalle sirusekvenssillä kertomisen jälkeen, päinvastoin muuttuvat laajakaistaiseksi ja katkeavat. suodattimilla, ja vain osa häiriöistä putoaa kapealle informaatiokaistalle, tehon mukaan on huomattavasti pienempi kuin vastaanottimen sisäänmenoon vaikuttava häiriö.
PSP:n perusvaatimukset
- Merkkien 1 ja 0 esiintymisen arvaamattomuus, jonka vuoksi signaalin spektristä tulee tasainen, ja PSP:n muodostamisalgoritmin määrittäminen sen rajoitetun pituuden perusteella on mahdotonta.
- Suuri joukko samanpituisia muistikaistanleveyksiä on saatavilla rakennuskoodinjakojärjestelmille.
- PSP:n hyvät korrelaatioominaisuudet, joita kuvaavat autokorrelaation (AFC) ja ristikorrelaation (MCC) funktiot, jaksolliset ja aperiodiset.
Pseudosatunnaisten sekvenssien (PSR) ominaisuudet
PSP:n ominaisuudet ovat autokorrelaatio (AC) ja ristikorrelaatio (MCC) -funktiot, jaksolliset ja jaksolliset. FAC ja FVK lasketaan laskemalla ero verrattujen PSP:iden yhteensopivien ja ei-yhteensopivien bittien lukumäärässä, kun yksi niistä on siirtynyt.
Säännöllinen FAK ja FVK
jne.................

Hajautettaessa spektriä suorasekvenssihajaspektri (DSSS) -menetelmällä, lähdesignaalin hajotuskoodilla käsittelyn jälkeen kullekin lähdebitille osoitetaan useita lähetetyn signaalin bittejä. Spektrin laajennusaste on suoraan verrannollinen koodibittien lukumäärään. Toisin sanoen 10-bittinen koodi laajentaa signaalin kaistanleveyttä 10 kertaa enemmän kuin 1-bittinen koodi.

Yksi menetelmä DSSS:n soveltamiseksi on yhdistää digitaalinen informaatiovirta ja hajotuskoodibittisekvenssi käyttämällä yksinomaista TAI:ta. Yksinomainen TAI-toiminto suoritetaan seuraavien sääntöjen mukaisesti:

Esimerkki tällaisesta yhdistelmästä on esitetty kuvassa. 7.6. Huomaa, että databitti, joka on yhtä suuri kuin yksi, invertoi koodibitit; jos data bittiä yhtä kuin nolla, laajennuskoodibitit lähetetään muuttumattomina. Kahden bittisekvenssin yhdistelmällä on sama lähetysnopeus kuin hajotuskoodisekvenssillä. Siksi yhdistetty sekvenssin kaistanleveys on suurempi kuin datasekvenssin kaistanleveys. Tässä esimerkissä koodibittien sekvenssin lähetysnopeus on neljä kertaa suurempi kuin databittien.

DSSSkäyttämälläBPSK

Tarkastellaan DSSS-mallin käyttöä käytännössä olettaen, että käytetään BPSK-modulaatiota. Binaaridatan merkitsemiseksi olisi kätevämpää käyttää ei nollaa ja yhtä, vaan "+1" ja "-1". Kuten yhtälöstä (6.5) näkyy, BPSK-signaali voidaan kuvata seuraavalla kaavalla:

A- signaalin amplitudi;

f c- kantoaallon taajuus;

d(t) on diskreetti funktio, joka saa arvon +1, jos datavirran vastaava bitti on 1, ja −1, kun databitti on 0.

Riisi. 7.6. Esimerkki hajaspektristä

suora sekvenssimenetelmä

Saadaksesi DSSS-signaalin sinun on kerrottava s d (t) toimia c(t), joka vastaa näennäissatunnaista sekvenssiä ja saa arvot −1 ja +1:

Kun signaali saapuu vastaanottimeen, se kerrotaan uudelleen c(t). Koska c(t) × c(t) = 1, kertomisen seurauksena alkuperäinen signaali palautetaan:

Kaava (7.5) voidaan tulkita kahdella tavalla, mikä merkitsee kuvatun menetelmän kahta toteutusta. Ensimmäinen tulkinta - kertolasku c(t) päällä d(t), jota seuraa BPSK-modulaation käyttö (tämä on edellä käsitelty lähestymistapa). Voit myös käyttää vaihtoehtoista lähestymistapaa - tietovirran BPSK-modulointia d(t), jota seuraa tuloksena olevan funktion kertominen s d (t) päällä c(t).

Riisi. 7.7. Hajaspektrijärjestelmä

suora sekvenssi

Toisen tulkinnan toteutus on esitetty kuvassa. 7.7 Esimerkki tämän lähestymistavan käytöstä on esitetty kuvassa. 7.8

Riisi. 7.8 Esimerkki hajaspektrijärjestelmästä

suora sekvenssi (modulaatioBPSK)

Suorituskykyanalyysi

Spektrin hajautus DSSS-mallia käytettäessä on melko yksinkertainen määrittää (kuva 7.9). Esimerkissämme informaatiosignaalin yhden bitin kaistanleveys on T, joka vastaa tiedonsiirtonopeutta 1/ T. Siksi signaalin spektrin leveys on koodauksesta riippuen luokkaa 2/ T. Vastaavasti näennäissatunnaisen signaalin spektri on 2/ T Kanssa . Tuloksena oleva laajennettu spektri on esitetty kuvassa. 7.9, V. Laajentumisen aste riippuu suoraan näennäissatunnaisen sekvenssin lähetysnopeudesta.

Kuten FSSS-suunnittelussa, DSSS:n tehokkuudesta voidaan saada käsitys analysoimalla viestintäjärjestelmän häirintävastus. Oletetaan, että tahallinen häiriö on sijoitettu DSSS-järjestelmän keskitaajuudelle. Häiriösignaalilla on seuraava muoto:

Vastaanotettu signaali voidaan esittää seuraavasti:

s(t) - lähetetty signaali;

s j (t) - signaali tahallisesta häiriöstä;

n(t) - additiivinen valkoinen kohina;

S j - häiriösignaalin teho.

Riisi. 7.9. Likimääräinen signaalispektriDSSS

Vastaanottimessa oleva kokooja moninkertaistuu s r (t) päällä c(t). Tahallista häiriötä vastaava signaalikomponentti voidaan kirjoittaa seuraavasti:

Näin ollen meillä on yksinkertainen BPSK-modulaation sovellus kantoaaltoääneen. Siksi kantoaallon teho S j jaettu kaistaleeksi, jonka leveys on suunnilleen 2/ T Kanssa . Samaan aikaan BPSK-demodulaattori (kuva 7.7), joka seuraa hajautuslaitetta, sisältää kaistanpäästösuodattimen, jonka kaistanleveys on 2/ T, mikä on yhdenmukainen BPSK-tietojen kanssa. Tämä tarkoittaa, että suurin osa häiriötehosta suodatetaan pois. Vaikka monien tekijöiden vaikutus on otettava tiukasti huomioon, tahallisen häiriön voima, jota kaistanpäästösuodatin ei ole eliminoinut, voidaan kirjoittaa likimääräisesti:

Siten hajaspektrin käyttö on vähentänyt tahallisten häiriöiden tehoa ( T c /T) kerran. Tämän kertoimen käänteisarvo ilmaisee vahvistuksen signaali-kohinasuhteessa:

R c - laajennuskoodin datanopeus;

R - tiedonsiirtonopeus;

W d - signaalin kaistanleveys;

W s - hajaspektrisignaalin kaistanleveys.

Tulos on samanlainen kuin aiemmin FHSS-kaaviolla saatu tulos (yhtälö (7.3)).