Métodos de espectro ensanchado. Ampliación del espectro por salto de frecuencia. Espectro ensanchado en serie directo. codigo de DIVISION DE ACCESO multiple
Métodos de espectro extendido
Inicialmente, los métodos de espectro ensanchado (PC o SS - Spread-Spectrum) se utilizaron en el desarrollo de sistemas de comunicaciones y control militar. Durante la Segunda Guerra Mundial, se utilizó espectro ensanchado en los radares para combatir interferencias intencionales. En los últimos años, el desarrollo de esta tecnología se explica por el deseo de crear sistemas de comunicación por radio eficaces que garanticen una alta inmunidad al ruido al transmitir señales de banda estrecha a través de canales ruidosos y complicar su interceptación.
El sistema de comunicación es un sistema de espectro ensanchado en los siguientes casos:
La banda de frecuencia utilizada durante la transmisión es mucho más amplia que el mínimo requerido para transmitir información actual. En este caso, la energía de la señal de información se expande por toda la banda de frecuencia con una relación señal-ruido baja, lo que hace que la señal sea difícil de detectar, interceptar o interferir con su transmisión mediante la introducción de interferencias. Aunque la potencia total de la señal puede ser grande, la relación señal-ruido en cualquier rango de frecuencia es pequeña, lo que hace que la señal de espectro ensanchado sea difícil de detectar en las comunicaciones por radio y, en el contexto de la información oculta mediante técnicas esteganográficas, difícil de discernir mediante humanos.
La difusión del espectro se realiza mediante la denominada señal de difusión (o código), que es independiente de la información que se transmite. La presencia de energía de señal en todos los rangos de frecuencia hace que la señal de radio de espectro ensanchado sea resistente a las interferencias, y la información incrustada en el contenedor utilizando el método de espectro ensanchado es resistente a su eliminación o extracción del contenedor. La compresión y otros ataques a un sistema de comunicaciones pueden eliminar la energía de la señal de algunas partes del espectro, pero debido a que la energía se ha distribuido por todo el espectro, todavía hay suficientes datos en otras bandas para recuperar la información. Como resultado, si, por supuesto, no revela la clave que se utilizó para generar la señal del código, la probabilidad de que personas no autorizadas extraigan información se reduce significativamente.
La reconstrucción de la información primaria (es decir, el "estrechamiento del espectro") se lleva a cabo comparando la señal recibida y una copia sincronizada de la señal codificada.
Hay tres métodos principales de extensión del espectro utilizados en las comunicaciones por radio:
Usando PSP directo (RSPP);
Usando salto de frecuencia;
Uso de compresión mediante modulación de frecuencia lineal (LFM).
Al expandir el espectro por secuencia directa, la señal de información se modula mediante una función que toma valores pseudoaleatorios dentro de los límites establecidos y se multiplica por una constante de tiempo: la frecuencia (velocidad) de repetición de parcelas elementales (elementos de señal). Esta señal pseudoaleatoria contiene componentes en todas las frecuencias que, cuando se expanden, modulan la energía de la señal en un amplio rango.
En el método de espectro ensanchado por salto de frecuencia, el transmisor cambia instantáneamente una frecuencia de la señal portadora a otra. La clave secreta en este caso es la ley pseudoaleatoria de los cambios de frecuencia.
Con la compresión chirp, la señal es modulada por una función cuya frecuencia varía con el tiempo.
Es obvio que cualquiera de estos métodos puede ampliarse para su uso en el dominio espacial al construir sistemas esteganográficos.
Consideremos una de las opciones para implementar el método RSPP, cuyos autores son J.R. Smith y V.O. El algoritmo de modulación es el siguiente: cada bit del mensaje está representado por alguna función base, dimensión, multiplicada, dependiendo del valor del bit (1 o 0), por +1 o -1:
(11.7)
El mensaje modulado recibido en este caso se suma píxel a píxel con una imagen contenedora, que es una imagen de semitonos de tamaño . El resultado es una imagen de stegan, con 
.
1.1. Breve descripción de la ampliación del espectro de señales mediante el método de salto de frecuencia.
1.1.1. Principios básicos y métodos de ampliación de señal.
En el caso de que los investigadores y desarrolladores de sistemas de comunicación por radio (RCS) se enfrenten al problema de garantizar una comunicación confiable en condiciones de interferencia organizada e involuntaria, propagación de ondas de radio por trayectos múltiples, así como la implementación del acceso múltiple cuando se trabaja en redes de radio por paquetes. , los mejores resultados se pueden obtener cuando se utilizan en señales RCS de espectro ensanchado. Los principios básicos de los métodos conocidos para ensanchar el espectro de señales, que reflejan adecuadamente su esencia física, se dan en: ...ensanchar el espectro de una señal es un método de transmisión en el que la señal ocupa una banda de frecuencia que es más ancha que la banda mínima requerida para transmitir información; la extensión de la banda de frecuencia de la señal se proporciona mediante un código especial que no depende de la información transmitida; para la posterior compresión de la banda de frecuencia de la señal y la recuperación de datos, también se utiliza un código especial en el dispositivo receptor, similar al código en el transmisor CPC y sincronizado con él... Así, el método de transmisión de información con espectro ensanchado consiste en : en el lado transmisor - en modulación simultánea e independiente de parámetros señal con un código especial (función de expansión del espectro) y un mensaje transmitido; en el lado receptor, en la demodulación síncrona de la señal de acuerdo con la función de expansión del espectro y la restauración del mensaje transmitido.
A pesar de que los principios de ampliar el espectro de señales en su forma general ya se conocían en los años 20 y 30 del siglo XX, la base teórica para el desarrollo del SRS con tales señales fue la fórmula fundamental de K.E. shannon
que, al caracterizar las capacidades limitantes de un canal gaussiano, amplía radicalmente la comprensión de la posibilidad de transmitir información a través de canales de comunicación por radio con ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN) de banda limitada.
Por lo tanto, de (1.1) se deduce que la capacidad (bit/s) de un canal de comunicación por radio, una vez especificada, bajo la influencia de interferencia (ruido) gaussiana aditiva con potencia promedio limitada (W) se puede garantizar utilizando una banda de frecuencia ancha ( Hz) con una relación señal-interferencia baja, o - una banda de frecuencia estrecha (Hz) con una relación señal-interferencia más alta, donde está la potencia promedio de la señal. Por lo tanto, puede haber un equilibrio entre el ancho de banda del canal y la relación señal-interferencia de ese canal. En este caso, de acuerdo con la dependencia (1.1), lo más apropiado es intercambiar la potencia de la señal por el ancho de banda del canal. Por ejemplo, es necesario proporcionar un rendimiento de bit/s con una relación señal-ruido =. Con base en (1.1), el canal de radiocomunicación debe tener una banda de MHz. Con una relación señal/interferencia mayor, por ejemplo, la capacidad del canal de comunicación por radio puede realizarse en una banda de frecuencia de kHz bastante estrecha. La fórmula (1.1) también indica que para una determinada relación señal-interferencia en un canal de comunicación por radio con AWGN, el rendimiento se puede aumentar ampliando correspondientemente el espectro de la señal.
Para relaciones señal/ruido pequeñas, la expresión (1.1) toma la forma:
(1.2a)
donde 1,44 es el módulo de transición de logaritmos binarios a naturales; en el caso de razones grandes, se deduce de (1.1) con una buena aproximación que
. (1.2b)
La capacidad máxima para un canal de comunicación por radio gaussiano es de
, (1,2v)
¿Dónde está la densidad espectral de potencia unidireccional del ruido blanco?
La expresión (1.2c) indica que en un canal ruidoso, incluso en el caso límite at, la relación señal/interferencia debe exceder un cierto valor umbral. Por tanto, para transmitir un bit de información, la energía de señal requerida es (o).
Si el rendimiento es igual a la velocidad de transmisión de información requerida, entonces de (1.1) y (1.2) está claro que el canal de comunicación por radio puede funcionar con un exceso significativo de potencia de interferencia sobre la potencia de señal útil. Por lo tanto, los métodos para ampliar el espectro de señales se utilizan ampliamente en SRS especiales, que deben proporcionar una comunicación confiable en condiciones de interferencia electrónica (ERS).
Los métodos de espectro ensanchado pueden basarse en cambiar (modular) la amplitud, fase, frecuencia y posición temporal (retraso) de la señal de acuerdo con un código especial generado sobre la base de una secuencia pseudoaleatoria.
Sin embargo, la modulación de amplitud, por regla general, no se utiliza para generar una señal de espectro ensanchado, ya que produce una señal con una gran potencia máxima (instantánea), que es bastante fácil de detectar mediante receptores simples de estaciones de reconocimiento de radio (RTR).
Debido a una inmunidad al ruido insuficiente, el método de expandir el espectro modulando la posición temporal (retraso) de la señal, el llamado método de modulación de pulso de tiempo pseudoaleatorio (PVPM), no encuentra una aplicación independiente en CRS. Con el método PVIM, la expansión del espectro se logra comprimiendo la señal de información en el dominio del tiempo. Reducir el tiempo de transmisión de cada señal de información en un factor conduce a una expansión del espectro de la señal en un factor y reduce el tiempo total de transmisión. La información se transmite solo en intervalos de tiempo específicos, que se suceden de acuerdo con el código seleccionado. Cuando se utiliza el método PVIM, así como el método de expansión del espectro debido a la modulación de amplitud, se produce un factor de cresta grande, lo que conduce a un desperdicio de energía del transmisor SRS.
Los métodos principales y básicos para ampliar el espectro de señales, ampliamente utilizados en los sistemas SRS, de control y de distribución de información modernos, son:
Método de modulación directa de una portadora mediante una secuencia pseudoaleatoria (PSR);
Método de sintonización pseudoaleatoria de la frecuencia de funcionamiento (PRFC);
Método de uso conjunto (integrado) de varios métodos; por ejemplo, el método de modulación directa de la portadora PSP y el método de salto de frecuencia; Método PPRF y método PVIM y otras combinaciones.
En el primer método, la ampliación del espectro de la señal se logra mediante la modulación directa de la frecuencia portadora del PSP, cuyos elementos se generan a una velocidad significativamente mayor que la velocidad de transmisión de los elementos de la secuencia de información y luego se superponen a cada símbolo de información. Un ejemplo típico de tales señales son las señales de banda ancha codificadas por desplazamiento de fase (WWPS). Con una forma rectangular de los elementos de la secuencia de información y utilizando el PSP, que asegura la expansión del espectro de la señal, el PMSHPS binario se puede describir mediante la expresión
La Figura 1.4, a, b muestra de forma idealizada las densidades de potencia espectral de la señal y la interferencia de banda estrecha en puntos característicos de los diagramas estructurales del transmisor y receptor del SRS con FMSPS.
En la Fig. La Figura 1.4 muestra cómo se convierte el espectro de la señal útil y se expande el espectro de interferencia de banda estrecha en los dispositivos transmisores y receptores del SRS con FMSPS.
La mayoría de las cámaras digitales modernas ofrecen a los usuarios la posibilidad de elegir entre utilizar el rango ISO nativo y un modo ISO extendido.
Los fotógrafos experimentados entienden bien qué funciones de la cámara son realmente útiles y cuáles prácticamente no se utilizan en su trabajo y fueron agregadas por el fabricante como una estrategia de marketing. Los principiantes, al elegir una cámara, pueden confundirse fácilmente con toda la variedad de opciones, por ejemplo, qué es ISO y cómo elegir el rango ISO de trabajo correcto.
Elija entre rango ISO nativo y extendido
Al cambiar el valor ISO en una cámara digital, el usuario ajusta la intensidad de la señal, cambiando así la relación entre la ganancia forzada y la capacidad de recepción de luz del sensor. Existen ciertos valores de ganancia ISO mínimos y máximos; este rango se denomina estándar. Una vez que se reducen o superan los valores estándar, los sensores de la cámara no podrán leer adecuadamente los datos.
Hasta hace algún tiempo, el umbral superior del valor de fotosensibilidad se consideraba inquebrantable, pero el rápido desarrollo del hardware y software de las cámaras modernas nos ha permitido alcanzar alturas increíbles. Lo mismo se aplica al valor más bajo del rango ISO: la tecnología moderna puede reducirlo significativamente. En esencia, tomar fotografías utilizando un rango ISO extendido es similar a posprocesar una fotografía en una computadora, solo que este proceso se lleva a cabo directamente en la cámara.
Cómo un rango ISO aumentado puede afectar a tus fotos
Las cámaras con un rango ISO largo utilizan sensores con sensibilidad a la luz estándar, los mismos que los de las cámaras convencionales. Los rangos ISO ampliados, como ISO 12800, ISO 25600, ISO 51200, ISO 102400, se logran mediante el uso de sensores convencionales y circuitos electrónicos cuya sensibilidad a la luz se mejora mediante software. De ello se deduce que el rango ISO ampliado no es más que una estrategia de marketing.
Las afirmaciones de que una cámara puede disparar hasta ISO 102400 son impresionantes para los fotógrafos en ciernes, pero eso no significa que cuando compran una cámara estén comprando un sensor con una sensibilidad a la luz tan alta. De hecho, estos valores se consiguen gracias al software y, a menudo, se manifiestan en imágenes de baja calidad y con mucho ruido digital.
Las fotos tomadas con ISO extremadamente altos sólo se verán bien en blanco y negro, anulando esa ventaja de las cámaras con rangos ISO extendidos.
Un usuario atento seguramente notará que la cámara en el rango ISO ampliado toma fotogramas en formato JPEG, pero no en RAW. Esto se debe al hecho de que al disparar en modo RAW, se forma un negativo digital con un procesamiento mínimo, ya que esto amplía las posibilidades de posprocesamiento de fotogramas mediante editores de fotografías. (Vale la pena mencionar, sin embargo, que algunos fabricantes permiten la posibilidad de utilizar un rango ISO extendido al disparar en formato RAW).
Puede resultar beneficioso utilizar un rango ISO más amplio para los fotógrafos JPEG que no postprocesan las imágenes. Aún así hay que tener en cuenta que habrá que cerrar los ojos ante la calidad.
Al ensanchar el espectro utilizando el método de espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS), después de procesar la señal fuente con un código de ensanchamiento, a cada bit fuente se le asignan varios bits de la señal transmitida. El grado de expansión del espectro es directamente proporcional al número de bits de código. En otras palabras, un código de 10 bits amplía el ancho de banda de la señal 10 veces más que un código de 1 bit.
Un método para aplicar DSSS es combinar el flujo de información digital y la secuencia de bits del código de ensanchamiento utilizando OR exclusivo. La operación OR exclusiva se realiza según las siguientes reglas:
Un ejemplo de tal combinación se muestra en la Fig. 7.6. Tenga en cuenta que un bit de datos igual a uno invierte los bits de código; si el bit de datos es cero, los bits del código de extensión se transmiten sin cambios. La combinación de dos secuencias de bits tiene la misma velocidad de transmisión que la secuencia de código de ensanchamiento. Por lo tanto, el ancho de banda de la secuencia combinada es mayor que el ancho de banda de la secuencia de datos. En este ejemplo, la velocidad de transmisión de una secuencia de bits de código es cuatro veces mayor que la de los bits de datos.
DSSSusandoBPSK
Consideremos el uso del esquema DSSS en la práctica, asumiendo el uso de modulación BPSK. Para denotar datos binarios, sería más conveniente utilizar no cero y uno, sino “+1” y “−1”, respectivamente. Como se muestra en la ecuación (6.5), la señal BPSK se puede describir mediante la siguiente fórmula:
A- amplitud de la señal;
F C- Frecuencia de carga;
d(t) es una función discreta que toma el valor +1 si el bit correspondiente del flujo de datos es 1, y −1 cuando el bit de datos es 0.
Arroz. 7.6. Ejemplo de espectro ensanchado
método de secuencia directa
Para obtener la señal DSSS necesitas multiplicar s d (t) funcionar C(t), que corresponde a una secuencia pseudoaleatoria y toma valores −1 y +1:
Cuando llega una señal al receptor, se vuelve a multiplicar por C(t). Desde C(t) × C(t) = 1, como resultado de la multiplicación se restaurará la señal original:
La fórmula (7.5) se puede interpretar de dos maneras, lo que implica dos implementaciones del método descrito. Primera interpretación - multiplicación C(t) en d(t) seguido del uso de modulación BPSK (este es el enfoque discutido anteriormente). También puede utilizar un enfoque alternativo: modulación BPSK del flujo de datos. d(t) seguido de la multiplicación de la función resultante s d (t) en C(t).
Arroz. 7.7. Sistema de espectro ensanchado
secuencia directa
La implementación de la segunda interpretación se muestra en la Fig. 7.7 Un ejemplo del uso de este enfoque se muestra en la Fig. 7.8.
Arroz. 7.8. Ejemplo de un sistema de espectro ensanchado
secuencia directa (modulaciónBPSK)
Análisis de rendimiento
La dispersión espectral cuando se utiliza un esquema DSSS es bastante sencillo de determinar (Fig. 7.9). En nuestro ejemplo, el ancho de banda de un bit de la señal de información es t, que corresponde a una tasa de transferencia de datos de 1/ t. Por tanto, dependiendo de la codificación, el ancho del espectro de la señal será del orden de 2/ t. De manera similar, el espectro de una señal pseudoaleatoria es 2/ t Con . El espectro ampliado resultante se muestra en la Fig. 7.9, v. El grado de expansión depende directamente de la velocidad de transmisión de la secuencia pseudoaleatoria.
Al igual que con el diseño del FSSS, se puede obtener una idea de la eficacia del DSSS analizando la resistencia a las interferencias del sistema de comunicación. Supongamos que la interferencia intencional se coloca en la frecuencia central del sistema DSSS. La señal de interferencia tiene la siguiente forma:
.
La señal recibida se puede representar de la siguiente manera:
s(t) - señal transmitida;
s j (t) - señal de interferencia intencional;
norte(t) - ruido blanco aditivo;
S j - potencia de la señal de interferencia.
Arroz. 7.9. Espectro de señal aproximadoDSSS
Un despreader en el receptor multiplica s r (t) en C(t). La componente de la señal correspondiente a la interferencia intencionada se puede escribir de la siguiente manera:
Así, tenemos una aplicación sencilla de la modulación BPSK al tono portador. Por lo tanto, la potencia portadora S j distribuido en una franja cuyo ancho es aproximadamente igual a 2/ t Con . Al mismo tiempo, el demodulador BPSK (Fig. 7.7), siguiendo al desensanchador, incluye un filtro de paso de banda con un ancho de banda de 2/ t, que es consistente con los datos de BPSK. Esto significa que la mayor parte de la potencia perturbadora se filtra. Aunque se debe tener estrictamente en cuenta la influencia de muchos factores, la potencia de la interferencia intencional que no ha sido eliminada por un filtro de paso de banda se puede escribir aproximadamente:
Por tanto, el uso del espectro ensanchado ha reducido el poder de la interferencia intencional en ( t C /t) una vez. El inverso de este coeficiente expresa la ganancia en la relación señal-ruido:
.
(7.6)
R C - tarifa de datos del código de extensión;
R - velocidad de transferencia de datos;
W. d - ancho de banda de la señal;
W. s - ancho de banda de la señal de espectro ensanchado.
El resultado es similar al obtenido anteriormente para el esquema FHSS (Ecuación (7.3)).
SISTEMAS DE ESPECTRO AMPLIADO
El término espectro ensanchado se ha utilizado en numerosos sistemas de comunicaciones militares y comerciales. En los sistemas de espectro ensanchado, cada señal portadora de mensajes requiere un ancho de banda de radiofrecuencia significativamente mayor que una señal modulada convencional. Una banda de frecuencia más amplia le permite obtener algunas propiedades y características útiles que son difíciles de lograr por otros medios.
El espectro ensanchado es un método para generar una señal de espectro ensanchado mediante el uso de una etapa de modulación adicional no solo para ampliar el espectro de la señal, sino también para reducir su influencia sobre otras señales. La modulación adicional no tiene nada que ver con el mensaje transmitido.
Los sistemas de banda ancha se utilizan debido a las siguientes ventajas potenciales:
Mayor inmunidad al ruido;
Posibilidad de proporcionar división de código de canales para acceso múltiple basado en él en sistemas que utilizan tecnología CDMA;
Secreto energético debido al bajo nivel de densidad espectral;
Alta resolución al medir distancias;
Seguridad de las comunicaciones;
Capacidad para resistir los efectos de una interferencia intencional;
Mayor capacidad y eficiencia espectral en algunos sistemas de comunicaciones personales celulares;
Una disminución gradual de la calidad de la comunicación con un aumento en el número de usuarios que ocupan simultáneamente el mismo canal HF;
Bajo costo de venta;
Disponibilidad de base de elementos modernos (circuitos integrados).
Figura 6.1 – Estructura de un sistema de espectro ensanchado directo
Según la arquitectura y los tipos de modulación utilizados, los sistemas de espectro ensanchado se pueden dividir en los siguientes grupos principales.
Espectro ensanchado directo basado en secuencia pseudoaleatoria (PRS), incluidos sistemas CDMA,
Agilidad de frecuencia (salto de frecuencia), incluidos sistemas CDMA con agilidad de frecuencia lenta y rápida,
Acceso múltiple con detección de operador (CSMA),
Con la reestructuración de la posición temporal de las señales (tiempo de "salto"),
Con modulación de frecuencia lineal de señales (modulación de chip),
Con métodos de dispersión de espectro mixto.
Expansión directa del espectro utilizando secuencias pseudoaleatorias.
La Figura 6.1 muestra un diagrama conceptual de un sistema directo de espectro ensanchado basado en secuencias pseudoaleatorias (a - transmisor de señal PSK con espectro posterior, b - transmisor de espectro ensanchado en banda base, c - receptor). El primer modulador realiza manipulación por desplazamiento de fase (PSK) de la señal de frecuencia intermedia con una señal digital binaria del mensaje transmitido d(t) en formato sin retorno a cero (NRZ) con una frecuencia de símbolo f b = 1/T b .
Dentro de una célula de un sistema de comunicación por radio móvil se encuentran por regla general varios abonados que utilizan la comunicación al mismo tiempo, cada uno de los cuales utiliza la misma frecuencia portadora RF y ocupa la misma banda de frecuencia RF.
El proceso de generación de señales de espectro ensanchado en sistemas de acceso múltiple se produce en dos etapas: modulación y espectro ensanchado (o modulación secundaria vía PSP). La modulación secundaria se lleva a cabo utilizando la operación de multiplicación ideal g(t)s(t). Con esta multiplicación se forma una señal bidireccional modulada en amplitud y con portadora suprimida. El primer y segundo modulador se pueden intercambiar sin cambiar las características potenciales del sistema.
La señal de espectro ensanchado g(t)s(t) se convierte a la frecuencia de radio deseada. Aunque la conversión de frecuencia ascendente y descendente es un proceso casi necesario para la mayoría de los sistemas, no es un paso crítico. Por lo tanto, en el futuro asumiremos que la señal g(t)s(t) se transmite y recibe en una frecuencia intermedia, excluyendo de consideración el subsistema de conversión de frecuencia ascendente y descendente.
Así, la entrada del receptor recibe una suma de M señales independientes de espectro ensanchado que ocupan la misma banda de RF.
El concepto de sistemas de espectro ensanchado mediante la sintonización de software de la frecuencia operativa es en muchos aspectos similar al concepto de sistemas de espectro ensanchado directo. Aquí, el generador binario de PSP controla el sintetizador de frecuencia, con la ayuda del cual se realiza una transición ("salto") de una frecuencia a otra de las muchas frecuencias disponibles. Así, aquí el efecto de expansión del espectro se logra mediante la sintonización pseudoaleatoria de la frecuencia portadora, cuyo valor se selecciona entre las frecuencias disponibles f1,...,fN, donde N puede alcanzar valores de varios miles o más. . Si la tasa de sintonización de mensajes (la tasa de cambio de frecuencia) excede la tasa de transmisión de mensajes, entonces tenemos un sistema con sintonización de frecuencia rápida. Si la tasa de sintonización es menor que la tasa de transmisión del mensaje, de modo que se transmiten varios bits en el intervalo de sintonización, entonces tenemos un sistema con sintonización de frecuencia lenta.
Si se selecciona un conjunto de señales PSP no correlacionadas, después de la operación de compresión del espectro sólo se retiene la señal útil modulada. Todas las demás señales, al no estar correlacionadas, conservan la banda ancha y tienen un ancho espectral que excede el ancho de banda de corte del filtro demodulador. La Figura 6.2 muestra diagramas espectrales y de temporización simplificados que ilustran cualitativamente los procesos de expansión y compresión del espectro de la señal. En particular, carecen de señal portadora.
Figura 6.2 - Diagramas de expansión del espectro
En los sistemas de espectro ensanchado, al sintonizar la frecuencia de funcionamiento, esta última permanece constante durante cada intervalo de sintonización, pero cambia abruptamente de un intervalo a otro. Las frecuencias de transmisión son generadas por un sintetizador de frecuencia digital controlado por un código (“palabras”), que llegan en forma serial o paralela y contienen m símbolos binarios (bits). Cada palabra de m bits o parte de ella corresponde a una de M = 2 m de frecuencias. . Aunque hay M = 2 m, m = 2, 3 frecuencias disponibles para sintonización de frecuencia, no todas se utilizan necesariamente en un sistema en particular. Los sistemas con expansión del espectro mediante sintonización de software de la frecuencia operativa se dividen en sistemas con velocidades de sintonización lenta, rápida y media.
En sistemas con sintonización lenta, la tasa de sintonización fh es menor que la tasa de transmisión de mensajes fb. Por lo tanto, en el intervalo de sintonización, se pueden transmitir dos bits de mensaje o más (en algunos sistemas más de 1000 en algunos sistemas) antes de cambiar a otra frecuencia. En sistemas con velocidad de sintonización media, la velocidad de sintonización es igual a la velocidad de transmisión. Los sistemas más utilizados son los sistemas con ajuste rápido y lento de la frecuencia de funcionamiento.
Para sincronizar receptores cuando reciben señales de espectro ensanchado, es posible que se requieran tres dispositivos de sincronización:
Sincronización de fase de portadora (recuperación de portadora);
Sincronización simbólica (recuperación de la frecuencia del reloj);
Sincronización horaria de generadores que generan código o secuencias pseudoaleatorias.
La sincronización horaria se realiza en dos etapas, durante las cuales se realiza lo siguiente:
Búsqueda (sincronización inicial y aproximada);
Seguimiento (sincronización precisa).
La Figura 6.3 muestra diagramas de bloques de las partes transmisoras y receptoras del sistema con sintonización de frecuencia.
Figura 6.3 - Sistema con sintonización de frecuencia por software
El estándar GSM utiliza codificación de desplazamiento mínimo gaussiano (GMSK) espectralmente eficiente. La manipulación se denomina gaussiana porque la secuencia de bits de información antes del modulador pasa a través de un filtro de paso bajo (LPF) con una característica gaussiana, lo que resulta en una reducción significativa en la banda de frecuencia de la señal de radio emitida. La formación de una señal de radio GMSK se realiza de tal manera que en el intervalo de un bit de información la fase de la portadora cambia 90°. Este es el cambio de fase más pequeño posible detectable con un tipo determinado de modulación. Cambiar continuamente la fase de una señal sinusoidal da como resultado una modulación de frecuencia con un cambio discreto de frecuencia. El uso de un filtro gaussiano permite obtener "transiciones suaves" con un cambio discreto de frecuencia. El estándar GSM utiliza modulación GMSK con un ancho de banda normalizado. VT = 0.3, donde EN- filtrar el ancho de banda al nivel -3 dB, t- duración de 1 bit de mensaje digital. El diagrama funcional del modulador se muestra en la Figura 6.4.
Figura 6.4 - Diagrama funcional del modulador
La base del modelador de señal GMSK es un modulador de cuadratura (1/Q). El circuito consta de dos multiplicadores y un sumador. El propósito de este circuito es proporcionar una modulación de fase continua y precisa. Un multiplicador cambia la amplitud de una oscilación sinusoidal y el segundo, una oscilación coseno. La señal de entrada antes del multiplicador se divide en dos componentes en cuadratura. La descomposición se produce en dos bloques denominados "sin" y "cos".
En la Figura 4.9 se muestran diagramas que ilustran la formación de una señal GMSK.
La modulación GMSK tiene las siguientes propiedades que son preferibles para las comunicaciones móviles:
La envolvente tiene un nivel constante, lo que permite el uso de dispositivos de transmisión eficientes con amplificadores de potencia en modo clase C;
Espectro compacto a la salida del amplificador de potencia del dispositivo transmisor, lo que garantiza un bajo nivel de radiación fuera de banda;
Buenas características de inmunidad al ruido del canal de comunicación.
Figura 6.5 - Generación de señal GMSK
Procesamiento del habla. El procesamiento de voz en el estándar GSM se lleva a cabo para garantizar una alta calidad de los mensajes transmitidos e implementar capacidades de servicio adicionales. El procesamiento de la voz se lleva a cabo en el marco del sistema adoptado de transmisión intermitente de la voz (Transmisión Discontinua - DTX), que asegura que el transmisor se enciende cuando el usuario inicia una conversación y se apaga durante las pausas y al final de la misma. la conversación. DTX funciona con un detector de actividad de voz (VAD), que detecta y separa el habla con ruido y el ruido sin voz, incluso cuando el nivel de ruido es comparable al nivel del habla. El sistema de transmisión intermitente de voz también incluye un dispositivo para generar un ruido confortable, que se enciende y escucha durante las pausas del habla cuando el transmisor está apagado. Se ha demostrado experimentalmente que apagar el ruido de fondo en la salida del receptor en pausas cuando el transmisor está apagado irrita al abonado y reduce la inteligibilidad del habla, por lo que se considera necesario el uso de ruido confortable en pausas. El proceso DTX en el receptor implica la interpolación. Fragmentos de voz perdidos debido a errores en el canal.
