Расширенный диапазон ISO: действительно полезная функция или хитрый маркетинговый ход? Основы беспроводной технологии

Министерство транспорта Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
Волжская государственная академия водного транспорта

Кафедра информатики, систем управления и телекоммуникаций

Курсовая работа по теме:
«Модуляция с расширением спектра. Прямое расширение спектра»

Выполнил
студент группы Р-312
Аминов А.Р.

Проверил
Преображенский А.В.

Н.Новгород
2009г.

Модуляция с расширением спектра.
Повсеместное распространение беспроводных сетей, развитие инфраструктуры хот-спотов, появление мобильных технологий со встроенным беспроводным решением (Intel Centrino) привело к тому, что конечные пользователи (не говоря уже о корпоративных клиентах) стали обращать все большее внимание на беспроводные решения. Такие решения рассматриваются, прежде всего, как средство развертывания мобильных и стационарных беспроводных локальных сетей и средство оперативного доступа в Интернет. Однако конечный пользователь, не являющийся сетевым администратором, как правило, не слишком хорошо разбирается в сетевых технологиях, поэтому ему трудно сделать выбор при покупке беспроводного решения, особенно учитывая многообразие предлагаемых сегодня продуктов.
Бурное развитие технологии беспроводной связи привело к тому, что пользователи, не успев привыкнуть к одному стандарту, вынуждены переходить на другой, предлагающий еще более высокие скорости передачи. Речь, конечно же, идет о семействе протоколов беспроводной связи, известном как IEEE 802.11, куда входят следующие протоколы: 802.11, 802.11b, 802.11b+, 802.11a, 802.11g. В последнее время стали говорить и о расширении протокола 802.11g.
Различные типы беспроводных сетей отличаются друг от друга и радиусом действия, и поддерживаемыми скоростями соединения, и технологией кодирования данных. Так, стандарт IEEE 802.11b предусматривает максимальную скорость соединения 11 Мбит/с, стандарт IEEE 802.11b+ - 22 Мбит/с, стандарты IEEE 802.11g и 802.11a - 54 Мбит/с.
Будущее стандарта 802.11a довольно туманно. Наверняка в России и в Европе этот стандарт не получит широкого распространения, да и в США, где он сейчас используется, скорее всего, в ближайшее время произойдет переход на альтернативные стандарты. А вот новый стандарт 802.11g имеет значительные шансы завоевать признание во всем мире. Другое преимущество нового стандарта 802.11g заключается в том, что он полностью совместим со стандартами 802.11b и 802.11b+, то есть любое устройство, поддерживающее стандарт 802.11g, будет работать (правда, на меньших скоростях соединения) и в сетях стандарта 802.11b/b+, а устройство, поддерживающее стандарт 802.11b/b+ - в сетях стандарта 802.11g, хотя и с меньшей скоростью соединения.
Совместимость стандартов 802.11g и 802.11b/b+ обусловлена, во-первых, тем, что они предполагают использование одного и того же частотного диапазона, а во-вторых, что все режимы, предусмотренные в протоколах 802.11b/b+, реализованы и в стандарте 802.11g. Поэтому стандарт 802.11b/b+ можно рассматривать как подмножество стандарта 802.11g.
Физический уровень протокола 802.11
Обзор протоколов семейства 802.11b/g целесообразно начать именно с протокола 802.11, который, хотя уже и не встречается в чистом виде, в то же время является прародителем всех остальных протоколов. В стандарте 802.11, как и во всех остальных стандартах данного семейства, предусмотрено использование частотного диапазона от 2400 до 2483,5 МГц, то есть частотный диапазон шириной 83,5 МГц, который, как будет показано далее, разбит на несколько частотных подканалов.
Технология расширения спектра
В основе всех беспроводных протоколов семейства 802.11 лежит технология уширения спектра (Spread Spectrum, SS). Данная технология подразумевает, что первоначально узкополосный (в смысле ширины спектра) полезный информационный сигнал при передаче преобразуется таким образом, что его спектр оказывается значительно шире спектра первоначального сигнала. То есть спектр сигнала как бы «размазывается» по частотному диапазону. Одновременно с уширением спектра сигнала происходит и перераспределение спектральной энергетической плотности сигнала - энергия сигнала также «размазывается» по спектру. В результате максимальная мощность преобразованного сигнала оказывается значительно ниже мощности исходного сигнала. При этом уровень полезного информационного сигнала может в буквальном смысле сравниваться с уровнем естественного шума. В результате сигнал становится, в каком то смысле, «невидимым» - он просто теряется на уровне естественного шума.
Собственно, именно в изменении спектральной энергетической плотности сигнала и заключается идея уширения спектра. Дело в том, что если подходить к проблеме передачи данных традиционным способом, то есть так, как это делается в радиоэфире, где каждой радиостанции отводится свой диапазон вещания, то мы неизбежно столкнемся с проблемой, что в ограниченном радиодиапазоне, предназначенном для совместного использования, невозможно «уместить» всех желающих. Поэтому необходимо найти такой способ передачи информации, при котором пользователи могли бы сосуществовать в одном частотном диапазоне и при этом не мешать друг другу. Именно эту задачу и решает технология уширения спектра.
Преимущества систем с расширением спектра
- Высокая помехоустойчивость. При ограниченной полосе спектральной плотности помехи отношение сигнал /шум увеличивается в G p = П ш /П раз, где П –полоса исходного сигнала, П ш - полоса сигнала после расширения спектра, G p - коэффициент расширения спектра. Если спектр помехи равномерен (белый шум), отношение сигнал /шум не улучшается.
- Конфиденциальность связи. Сообщение нельзя прочитать, не зная алгоритма расширения спектра.
- Возможность одновременной передачи многих сообщений на одной несущей частоте в системе с кодовым разделением каналов (CDMA (англ. Code Division Multiple Access) - множественный доступ с кодовым разделением.
Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются присвоением каждому пользователю отдельного числового кода, который распространяется по всей ширине полосы. Нет временного разделения, все абоненты постоянно используют всю ширину канала. Полоса частот одного канала очень широка, вещание абонентов накладывается друг на друга но, поскольку их коды отличаются, они могут быть дифференцированы.
Технология множественного доступа с кодовым разделением каналов известна давно. В СССР первая работа, посвящённая этой теме, была опубликована ещё в 1935 году Д. В. Агеевым .)
- Возможность передачи маломощного сигнала. Энергия сигнала сохраняется высокой за счет увеличения длительности сигнала. Обеспечивается энергетическая скрытность связи. Сигнал не обнаруживается, а воспринимается как шум.
- Высокая разрешающая способность по времени (чем шире спектр, тем круче фронт сигнала). Момент начала сигнала определяется очень точно, что важно для систем измерения расстояния по времени прохождения сигнала и для синхронизации передатчика и приемника.
Наиболее распространенные методы расширения спектра
- Прямое расширение спектра (direct sequencing) с использованием двоичной псевдослучайной последовательности (ПСП), модулирующей сигнал. Ширина спектра ограничивается минимальной технически реализуемой длительностью элементарного символа ПСП. Спектр расширяется до десятков мегагерц.
- Скачкообразная перестройка несущей частоты (frequency hopping). Обычно используется М-арная частотная манипуляция. М символам соответствуют М частот, разнесенных друг от друга на интервал D f. Центральная частота f 0 этого диапазона изменяется скачками под управлением ПСП в полосе перестройки несколько раз за время передачи одного символа сообщения (быстрая перестройка) или с интервалом, равным длительности нескольких символов (медленная перестройка). Из-за скачков частоты трудно сохранить когерентность сигнала. Поэтому демодуляция обычно некогерентная. Для обеспечения ортогональности сигналов расстояние между частотами должно удовлетворять условию D f = m/ T s , m –целое число. Спектр может расширяться до нескольких гигагерц: коэффициент расширения спектра выше, чем при прямом расширении.
Прямое расширение спектра
При потенциальном кодировании информационные биты - логические нули и единицы - передаются прямоугольными импульсами напряжений. Прямоугольный импульс длительности T имеет спектр, ширина которого обратно пропорциональна длительности импульса. Поэтому чем меньше длительность информационного бита, тем больший спектр занимает такой сигнал.
Для преднамеренного уширения спектра первоначально узкополосного сигнала в технологии DSSS в каждый передаваемый информационный бит (логический 0 или 1) в буквальном смысле встраивается последовательность так называемых чипов. Если информационные биты - логические нули или единицы - при потенциальном кодировании информации можно представить в виде последовательности прямоугольных импульсов, то каждый отдельный чип - это тоже прямоугольный импульс, но его длительность в несколько раз меньше длительности информационного бита. Последовательность чипов представляет собой последовательность прямоугольных импульсов, то есть нулей и единиц, однако эти нули и единицы не являются информационными. Поскольку длительность одного чипа в n раз меньше длительности информационного бита, то и ширина спектра преобразованного сигнала будет в n-раз больше ширины спектра первоначального сигнала. При этом и амплитуда передаваемого сигнала уменьшится в n раз.
Чиповые последовательности, встраиваемые в информационные биты, называют шумоподобными кодами (PN-последовательности), что подчеркивает то обстоятельство, что результирующий сигнал становится шумоподобным и его трудно отличить от естественного шума.
Как уширить спектр сигнала и сделать его неотличимым от естественного шума, понятно. Для этого, в принципе, можно воспользоваться произвольной (случайной) чиповой последовательностью. Однако, возникает вопрос: а как такой сигнал принимать? Ведь если он становится шумоподобным, то выделить из него полезный информационный сигнал не так то просто, если вообще возможно. Оказывается, возможно, но для этого нужно соответствующим образом подобрать чиповую последовательность. Используемые для уширения спектра сигнала чиповые последовательности должны удовлетворять определенным требованиям автокорреляции. Под термином автокорреляции в математике подразумевают степень подобия функции самой себе в различные моменты времени. Если подобрать такую чиповую последовательность, для которой функция автокорреляции будет иметь резко выраженный пик лишь для одного момента времени, то такой информационный сигнал возможно будет выделить на уровне шума. Для этого в приемнике полученный сигнал умножается на ту же чиповую последовательность, то есть вычисляется автокорреляционная функция сигнала. В результате сигнал становится опять узкополосным, поэтому его фильтруют в узкой полосе частот и любая помеха, попадающая в полосу исходного широкополосного сигнала, после умножения на чиповую последовательность, наоборот, становится широкополосной и обрезается фильтрами, а в узкую информационную полосу попадает лишь часть помехи, по мощности значительно меньшая, чем помеха, действующая на входе приемника.
Основные требования к ПСП
- Непредсказуемость появления знаков 1 и 0, благодаря чему спектр сигнала становится равномерным, а определение алгоритма формирования ПСП по ее участку ограниченной длины – невозможным.
- Наличие большого набора разных ПСП одинаковой длины для построения систем с кодовым разделением каналов.
- Хорошие корреляционные свойства ПСП, описываемые функциями автокорреляции (ФАК) и взаимной корреляции (ФВК), периодическими и апериодическими.
Характеристики псевдослучайных последовательностей (ПСП)
Характеристиками ПСП являются функции автокорреляции (ФАК) и взаимной корреляции (ФВК), периодические и апериодические. ФАК и ФВК вычисляются подсчетом разности числа совпадающих и не совпадающих разрядов сравниваемых ПСП при сдвигах одной из них.
Периодические ФАК и ФВК
и т.д.................

Изначально метод расширенного спектра создавался для разведывательных и военных целей. Основная идея метода состоит в том, чтобы распределить информационный сигнал по широкой полосе радиодиапазона, что в итоге позволит значительно усложнить подавление или перехват сигнала. Первая разработанная схема расширенного спектра известна как метод перестройки частоты. Более современной схемой расширенного спектра является метод прямого последовательного расширения. Оба метода используются в различных стандартах и продуктах беспроводной связи.

Расширение спектра скачкообразной перестройкой частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS)

Для того чтобы радиообмен нельзя было перехватить или подавить узкополосным шумом, было предложено вести передачу с постоянной сменой несущей в пределах широкого диапазона частот. В результате мощность сигнала распределялась по всему диапазону, и прослушивание какой-то определенной частоты давало только небольшой шум. Последовательность несущих частот была псевдослучайной, известной только передатчику и приемнику. Попытка подавления сигнала в каком-то узком диапазоне также не слишком ухудшала сигнал, так как подавлялась только небольшая часть информации.

Идею этого метода иллюстрирует рис. 1.10.

В течение фиксированного интервала времени передача ведется на неизменной несущей частоте. На каждой несущей частоте для передачи дискретной информации применяются стандартные методы модуляции, такие как FSK или PSK. Для того чтобы приемник синхронизировался с передатчиком, для обозначения начала каждого периода передачи в течение некоторого времени передаются синхробиты. Так что полезная скорость этого метода кодирования оказывается меньше из-за постоянных накладных расходов на синхронизацию.

Рис. 1.10. Расширение спектра скачкообразной перестройкой частоты

Несущая частота меняется в соответствии с номерами частотных подканалов, вырабатываемых алгоритмом псевдослучайных чисел. Псевдослучайная последовательность зависит от некоторого параметра, который называют начальным числом. Если приемнику и передатчику известны алгоритм и значение начального числа, то они меняют частоты в одинаковой последовательности, называемой последовательностью псевдослучайной перестройки частоты.

Если частота смены подканалов ниже, чем скорость передачи данных в канале, то такой режим называют медленным расширением спектра (рис. 1.11а); в противном случае мы имеем дело с быстрым расширением спектра (рис. 1.11б).

Метод быстрого расширения спектра более устойчив к помехам, поскольку узкополосная помеха, которая подавляет сигнал в определенном подканале, не приводит к потере бита, так как его значение повторяется несколько раз в различных частотных подканалах. В этом режиме не проявляется эффект межсимвольной интерференции, потому что ко времени прихода задержанного вдоль одного из путей сигнала система успевает перейти на другую частоту.

Метод медленного расширения спектра таким свойством не обладает, но зато он проще в реализации и сопряжен с меньшими накладными расходами.

увеличить изображение
Рис. 1.11. Соотношение между скоростью передачи данных и частотой смены подканалов

Методы FHSS используются в беспроводных технологиях IEEE 802.11 и Bluetooth.

В FHSS подход к использованию частотного диапазона не такой, как в других методах кодирования - вместо экономного расходования узкой полосы делается попытка занять весь доступный диапазон. На первый взгляд это кажется не очень эффективным - ведь в каждый момент времени в диапазоне работает только один канал. Однако последнее утверждение не всегда справедливо - коды расширенного спектра можно использовать и для мультиплексирования нескольких каналов в широком диапазоне. В частности, методы FHSS позволяют организовать одновременную работу нескольких каналов путем выбора для каждого канала таких псевдослучайных последовательностей, чтобы в каждый момент времени каждый канал работал на своей частоте (конечно, это можно сделать, только если число каналов не превышает числа частотных подканалов).

Прямое последовательное расширение спектра (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS)

В методе прямого последовательного расширения спектра также используется весь частотный диапазон, выделенный для одной беспроводной линии связи. В отличие от метода FHSS, весь частотный диапазон занимается не за счет постоянных переключений с частоты на частоту, а за счет того, что каждый бит информации заменяется N-битами, так что тактовая скорость передачи сигналов увеличивается в N раз. А это, в свою очередь, означает, что спектр сигнала также расширяется в N раз. Достаточно соответствующим образом выбрать скорость передачи данных и значение N, чтобы спектр сигнала заполнил весь диапазон.

Цель кодирования методом DSSS та же, что и методом FHSS, - повышение устойчивости к помехам. Узкополосная помеха будет искажать только определенные частоты спектра сигнала, так что приемник с большой степенью вероятности сможет правильно распознать передаваемую информацию.

Код, которым заменяется двоичная единица исходной информации, называется расширяющей последовательностью , а каждый бит такой последовательности - чипом.

Соответственно, скорость передачи результирующего кода называют чиповой скоростью. Двоичный нуль кодируется инверсным значением расширяющей последовательности. Приемники должны знать расширяющую последовательность, которую использует передатчик, чтобы понять передаваемую информацию.

Количество битов в расширяющей последовательности определяет коэффициент расширения исходного кода. Как и в случае FHSS, для кодирования битов результирующего кода может использоваться любой вид модуляции, например BFSK.

Чем больше коэффициент расширения, тем шире спектр результирующего сигнала и выше степень подавления помех. Но при этом растет занимаемый каналом диапазон спектра. Обычно коэффициент расширения имеет значение от 10 до 100.

Метод расширения спектра скачкообразной перестройкой частоты (FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum) основан на постоянной смене несущей в пределах широкого диапазона частот.

Частота несущей F1, …, FN случайным образом меняется через определенный период времени, называемый периодом отсечки (чип) , в соответствии с выбранным алгоритмом выработки псевдослучайной последовательности. На каждой частоте применяется модуляция (FSK или PSK). Передача на одной частоте ведётся в течение фиксированного интервала времени, в течение которого передаётся некоторая порция данных (Data). В начале каждого периода передачи для синхронизации приемника с передатчиком используются синхробиты, которые снижают полезную скорость передачи.

В зависимости от скорости изменения несущей различают 2 режима расширения спектра:

· медленное расширение спектра – за один период отсечки передается несколько бит;

· быстрое расширение спектра – один бит передается за несколько периодов отсечки, то есть повторяется несколько раз.

В первом случае период передачи данных меньше периода передачи чипа , во втором – больше.

Метод быстрого расширения спектра обеспечивает более надёжную передачу данных при наличии помех за счёт многократного повторения значения одного и того же бита на разных частотах, но более сложен в реализации, чем метод медленного расширения спектра.

Прямое последовательное расширение спектра

Метод прямого последовательного расширения спектра (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum) состоит в следующем.

Каждый «единичный» бит в передаваемых данных заменяется двоичной последовательностью из N бит, которая называется расширяющей последовательностью , а «нулевой» бит кодируется инверсным значением расширяющей последовательности. В этом случае тактовая скорость передачи увеличивается в N раз, следовательно, спектр сигнала также расширяется в N раз.

Зная выделенный для беспроводной передачи (линии связи) частотный диапазон, можно соответствующим образом выбрать скорость передачи данных и значение N , чтобы спектр сигнала заполнил весь диапазон.

Основная цель кодирования DSSS как и FHSS – повышение помехоустойчивости.

Чиповая скорость – скорость передачи результирующего кода.

Коэффициент расширения – количество битов N в расширяющей последовательности. Обычно N находится в интервале от 10 до 100. Чем больше N , тем больше спектр передаваемого сигнала.

DSSS в меньшей степени защищен от помех, чем метод быстрого расширения спектра.

Множественный доступ с кодовым разделением

Методы расширения спектра широко используются в сотовых сетях, в частности, при реализации метода доступа CDMA (Code Division Multiple Access) – множественный доступ с кодовым разделением . CDMA может использоваться совместно с FHSS, но в беспроводных сетях чаще с DSSS.

Каждый узел сети использует собственную расширяющую последовательность, которая выбирается так, чтобы принимающий узел мог выделить данные из суммарного сигнала.

Достоинство CDMA заключается в повышенной защищенности и скрытности передачи данных: не зная расширяющей последовательности, невозможно получить сигнал, а иногда и обнаружить его присутствие.

Технология WiFi. Технология WiМах. Беспроводные персональные сети. Технология Bluetooth. Технология ZigBee. Беспроводные сенсорные сети. Сравнение беспроводных технологий.

Технология WiFi

Технология беспроводных ЛВС (WLAN) определяется стеком протоколов IEEE 802.11, который описывает физический уровень и канальный уровень с двумя подуровнями: MAC и LLC.

На физическом уровне определены несколько вариантов спецификаций, которые различаются:

· используемым диапазоном частот;

· методом кодирования;

· скоростью передачи данных.

Варианты построения беспроводных ЛВС стандарта 802.11, получившего название WiFi.

IEEE 802.11 (вариант 1):

· среда передачи – ИК-излучение;

· передача в зоне прямой видимости;

· используются 3 варианта распространения излучения:

Ненаправленная антенна;

Отражение от потолка;

Фокусное направленное излучение («точка-точка»).

IEEE 802.11 (вариант 2):

· метод кодирования – FHSS: до 79 частотных диапазонов шириной

1 МГц, длительность каждого из которых составляет 400 мс (рис.3.49);

· при 2-х состояниях сигнала обеспечивается пропускная способность среды передачи в 1 Мбит/с, при 4-х – 2 Мбит/с.

IEEE 802.11 (вариант 3):

· среда передачи – микроволновый диапазон 2,4 ГГц;

· метод кодирования – DSSS c 11-битным кодом в качестве расширяющей последовательности: 10110111000.

IEEE 802.11a:

1) диапазон частот – 5 ГГц;

2) скорости передачи: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Мбит/с;

3) метод кодирования – OFDM.

Недостатки:

· слишком дорогое оборудование;

· в некоторых странах частоты этого диапазона подлежат лицензированию.

IEEE 802.11b:

1) диапазон частот – 2,4 ГГц;

2) скорость передачи: до 11 Мбит/с;

3) метод кодирования – модернизированный DSSS.

IEEE 802.11g:

1) диапазон частот – 2,4 ГГц;

2) максимальная скорости передачи: до 54 Мбит/с;

3) метод кодирования – OFDM.

В сентябре 2009 года был утверждён стандарт IEEE 802.11n. Его применение позволит повысить скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g. Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с. Радиус действия беспроводных сетей IEEE 802.11 – до 100 метров.

Технология WiМах

Технология беспроводного широкополосного доступа с высокой пропускной способностью WiMax представлена группой стандартов IEEE 802.16 и первоначально была предназначена для построения протяженных (до 50 км) беспроводных сетей, относящихся к классу региональных или городских сетей.

Стандарт IEEE 802.16 или IEEE 802.16-2001 (декабрь 2001 года), являющийся первым стандартом «точка-многоточка», был ориентирован на работу в спектре от 10 до 66 ГГц и, как следствие, требовал нахождения передатчика и приёмника в области прямой видимости, что является существенным недостатком, особенно в условиях города. Согласно описанным спецификациям, сеть 802.16 могла обслуживать до 60 клиентов со скоростью канала T-1 (1,554 Мбит/с).

Позднее появились стандарты IEEE 802.16a, IEEE 802.16-2004 и IEEE 802.16е (мобильный WiMax), в которых было снято требование прямой видимости между передатчиком и приёмником.

Основные параметры перечисленных стандартов технологии WiMax.

Рассмотрим основные отличия технологии WiМах от WiFi.

1. Малая мобильность. Первоначально стандарт разрабатывался для стационарной беспроводной связи на большие расстояния и предусматривал мобильность пользователей в пределах здания. Лишь в 2005 году был разработан стандарт IEEE 802.16e, ориентированный на мобильных пользователей. В настоящее время ведётся разработка новых спецификаций 802.16f и 802.16h для сетей доступа с поддержкой работы мобильных (подвижных) клиентов при скорости их движения до 300 км/ч.

2. Использование более качественных радиоприемников и передатчиков обусловливает более высокие затраты на построение сети. 3. Большие расстояния для передачи данных требуют решения ряда специфических проблем: формирование сигналов разной мощности, использование нескольких схем модуляции, проблемы защиты информации.

4. Большое число пользователей в одной ячейке.

5. Более высокая пропускная способность , предоставляемая пользователю.

6. Высокое качество обслуживания мультимедийного трафика.

Первоначально считалось, что IEEE 802.11 – мобильный аналог Ethernet , 802.16 – беспроводной стационарный аналог кабельного телевидения . Однако появление и развитие технологии WiMax (IEEE 802.16e) для поддержки мобильных пользователей делает это утверждение спорным.

Большинство современных цифровых камер предлагают пользователям возможность выбирать между применением штатного диапазона ISO и его расширенным режимом.

Опытные фотографы хорошо понимают, какие функции камеры реально полезны, а какие в работе практически не используются и добавлены производителем в качестве маркетингового хода. Новички же при выборе фотоаппарата могут легко запутаться во всем многообразии опций, например, что такое ISO и как правильно выбрать рабочий диапазон ISO.

Выбор между штатным и расширенным диапазоном ISO

При изменении значения ISO на цифровой фотокамере пользователь регулирует силу сигнала, меняя тем самым отношение принудительного усиления к считывающей способности световоспринимающего сенсора. Существуют определенные минимальные и максимальные значения усиления ISO - именно этот диапазон называется штатным. После уменьшения или превышения штатных показателей датчики камеры не смогут адекватно считывать данные.

До некоторого времени верхний порог значения светочувствительности считался незыблемым, однако бурное развитие аппаратной части и программного обеспечения современных фотокамер позволило замахнуться на невероятные высоты. То же самое касается и нижнего значения диапазона ISO - современная техника позволяет существенно снизить его. По сути, фотосъемка с использованием расширенного диапазона ISO напоминает постобработку фотографии в компьютере, только этот процесс происходит непосредственно в самой камере.

Как увеличенный диапазон ISO может повлиять на снимки

В камерах с большим диапазоном ISO используют датчики со стандартной светочувствительностью, такие же, как и в обычных фотоаппаратах. Расширенные диапазоны ISO, такие как, например, ISO 12800, ISO 25600, ISO 51200, ISO 102400 получаются путем использования обычных сенсоров и электронных схем, светочувствительность которых повышается с помощью программного обеспечения. Из этого следует, что расширенный диапазон ISO - это не более чем маркетинговый ход.

Заявления о том, что камера может снимать до ISO 102400, впечатляют начинающих фотографов, но это не значит, что при покупке камеры они покупают датчик с такой высокой светочувствительностью. На самом деле эти значения достигаются, благодаря программному обеспечению, и проявляются зачастую в низком качестве снимков с большим количеством цифрового шума.

Фотографии, полученные на экстремально высоких значениях ISO, будут хорошо выглядеть только при условии черно-белой съемки, что сводит на нет подобное преимущество камер с расширенным диапазоном ISO.

Внимательный пользователь обязательно заметит, что камера в расширенном диапазоне ISO делает кадры в формате JPEG, но не в RAW. Это связано с тем, что при съемке в режиме RAW формируется цифровой негатив с минимальной обработкой, так как это расширяет возможности при постобработке кадров с использованием фоторедакторов. (Стоит, правда, оговориться, что некоторые производители допускают возможность использования расширенного диапазона ISO при фотосъемке в RAW-формате.)

Определенная польза от использования увеличенного диапазона значений ISO может быть для фотографов, снимающих в формате JPEG, кто не обрабатывает в последствии изображения. Необходимо все-таки учесть, что на качество придется закрыть глаза.

Расширение спектра

В данной лекции мы рассмотрим основные принципы технологии расширения спектра сигнала.

Расширение спектра – технология, говоря простыми словами, в которой модулированный сигнал представляется сигналом с полосой, намного превышающую полосу информационного сигнала.

Современные мобильные средства коммуникации основаны на технологии расширения спектра и широко распространены под названием «CDMA».

Рассмотрим стандарт CDMA IS-95 (cdmaOne) как наиболее широко используемый в настоящее время. Технология расширения спектра впервые была предложена для мобильных коммуникаторов в 1980-х годах, коммерческим распространением занялась впервые компания Qualcomm Inc, представившая данный стандарт формате DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiple Access). Коммерческая эксплуатация стандарта IS-95 началась в 1996 году в США. Аббревиатура IS (interim standard - временной стандарт) используется для учета в TIA, а цифра означает порядковый номер. Из полного названия стандарта TIA/EIA/IS-95 видно, что в его рассмотрении принимал также участие EIA, который объединяет семь крупных организаций США.

Разновидности множественного доступа: Множественный доступ – проблема нумерации пользователей, которые хотят использовать одинаковый электромагнитный спектр. Она может быть решена несколькими способами:

- Выбор с разделением по частоте (сигналы распространяются только между конкретными коммуникаторами);

- Пространственная фильтрация;

- Множественный доступ с разделением по частоте (FDMA);

- Множественный доступ с разделением по времени (TDMA);

- Множественный доступ с кодовым разделением (CDMA).

TDMA (Time Division Multiple Access- множественный доступ с разделением по времени) - способ использования радиочастот, когда в одном частотном интервале находятся несколько абонентов, разные абоненты используют разные временные слоты (интервалы) для передачи. TDMA предоставляет каждому пользователю полный доступ к интервалу частоты в течение короткого периода времени.

FDMA (Frequency Division Multiple Access- множественный доступ с разделением каналов по частоте) - способ использования радиочастот, когда в одном частотном диапазоне находится только один абонент, разные абоненты используют разные частоты в пределах соты.

CDMA (Code Division Multiple Access- множественный доступ с кодовым разделением) - технология мобильной связи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разную кодовую модуляцию.

В основном CDMA используется в качестве термина для системы модуляции информации в сигнал, имеющий более широкую полосу пропускания, т.е. расширение спектра. Это расширение осуществляется посредством двоичного "кода", который, как правило, очень длинный, и для большинства замечаний и соображений, носит случайный характер. Конечно код не является случайным, он вполне предсказуем, и часто используется термин псевдо-случайный (запутанной термин сам по себе).

Одно из фундаментальных понятий, определяющее помехоустойчивость и эффективность системы CDMA, - «база сигнала» (в англоязычной литературе используется термин «processing gain»). Физический смысл этого понятия - увеличение полосы частот передаваемого сигнала относительно исходного (измеряется в децибелах). Для систем с расширенным спектром база сигнала определяется как отношение ширины полос излучаемого и исходного сигналов. Однако чаще величина базы сигнала (В) вычисляется как произведение ширины спектра (F) на длительность элементарного символа (Т). Для широкополосных сигналов база значительно превышает 1 (В>>1). Ясно, чем шире полоса частот в эфире и ниже скорость входного сигнала, тем больше база сигнала и, соответственно, выше помехоустойчивость.

Однако важно понимать, что база сигнала - это характеристика не всей CDMA-системы, а только ее отдельного канала. Поясним сказанное на примере. Так, при чиповой скорости 1,2288 Мчип/с (IS-95) и информационной скорости 9,6 кбит/c база сигнала равна 21,1 дБ (1,2288x103 /9,6 = 128). База сигнала пропорциональна скорости его передачи.

Широкополосной называется система, которая передает сигнал, занимающий очень широкую полосу частот, значительно превосходящую ту минимальную ширину полосы частот, которая фактически требуется для передачи информации. В широкополосной системе исходный модулирующий сигнал (например, сигнал телефонного канала) с полосой всего несколько килогерц распределяют в полосе частот, ширина которой может быть несколько мегагерц. Это осуществляется путем двойной модуляции несущей передаваемым информационным сигналом и широкополосным кодирующим сигналом. Основной характеристикой широкополосного сигнала является его база B, определяемая как произведение ширины спектра сигнала F на его период Т. В результате перемножения сигнала источника псевдослучайного шума с информационным сигналом энергия последнего распределяется в широкой полосе частот, т.е. его спектр расширяется.

Технология оптимизирована для предоставления высокоскоростных мультимедийных услуг типа видео, доступа в Интернет и видеоконференций; обеспечивает скорости доступа вплоть до 2 Мбит/с на коротких расстояниях и 384 Кбит/с на больших с полной мобильностью. Такие величины скорости

передачи данных требуют широкую полосу частот, поэтому ширина полосы WCDMA составляет 5 МГц.

Технология может быть добавлена к существующим сетям GSM и PDC, что делает стандарт WCDMA наиболее перспективным с точки зрения использования сетевых ресурсов и глобальной совместимости.

В передатчике узкополосный информационный сигнал умножается на опорную псевдошумовую N-символьную последовательность, а полученный сигнал модулируется методом BPSK или QPSK (прямая операция). База результирующего сигнала равна числу символов псевдослучайной последовательности (B = N). При этом использование шумоподобных сигналов с высокой тактовой частотой приводит к тому, что исходный узкополосный

сигнал «размазывается» в широкой полосе и становится меньше уровня шума.

В приемнике исходный сигнал восстанавливается с помощью псевдослучайной последовательности известной структуры (обратная операция). Иные сигналы, поступающие на данный приемник, воспринимаются как шум.

Аналогичным образом происходит подавление мощных узкополосных помех от других работающих передатчиков. В приемнике такая помеха тоже «размазывается» в широкой полосе частот и после фильтрации лишь незначительно ухудшает качество связи. При дальнейшей цифровой обработке помехи можно подавить полностью.

Кроме наиболее часто применяемого метода DS-CDMA существуют и другие технологии расширения спектра, например с помощью нескольких несущих - MC-CDMA (Multi-Carrier CDMA) или скачкообразной перестройки частоты - FHCDMA (Frequency Hopping CDMA). Особенности этих технологий будут рассмотрены в следующих номерах журнала.

Цифровая обработка сигнала в реальном масштабе времени до передачи по РЧ. Принцип построения передатчика/приемника тот же, что и при DS-CDMA, только к ЦАП поступает уже конечный модулированный сигнал. В передатчике/приемнике используется особый фильтр, имеющий название фильтр приподнятого косинуса, который минимизирует межсимвольные искажения путем представления части спектра простейшей формы в косинусоиду, приподнятую таким образом, что чтобы она «сидела» на горизонтальной оси.

Чиппинг - любая операция, посредством которой символы (биты) разбиваются (чиппуются) на меньшие интервалы по времени. Операции скрэмблирования, каналообразования и расширения представляют собой оперцию чиппинга.

Скрэмблирование - это обратимое преобразование цифрового потока без изменения скорости передачи с помощью случайной последовательности. После скремблирования появление «1» и «0» в выходной последовательности равновероятны. Скремблирование - обратимый процесс, то есть исходное сообщение можно восстановить применив обратный алгоритм.

Каналообразование - обратимое преобразование цифрового потока путм разбиения информационного сигнала на чипы с помощью фиксированной последовательности.

Комплексное представление.

Отметим, что комплексное представление является чисто математическим и вводится для удобства записи. В сетях третьего поколения CDMA используются все три представления в комплексном виде. Каналообразование в Uplink-системе осуществляется первым методом представления, а в Downlink-системе – вторым.

Каждый пользователь имеет уникальный расширяющий/ каналообразующий код, скорее всего, ортогональный код Уолша. При нисходящей передачи сигнала берется за основу реальная часть при комплексном представлении чиппованной последовательности и передается с той же скоростью. Переданные закодированные сигналы будут синхронизированы. Каждая подвижная станция знает код скремблирования текущей базовой станции, и ее установленный (и единственный) код расширения - отсюда и восстанавливаются переданные данные.

Логические каналы линии «вниз» включают:

Пилотный канал;

Канал синхронизации;

Канал персонального вызова;

Канал прямого трафика.

В прямом канале (от БС к подвижной) модуляция сигнала функциями Уолша (бинарная фазовая манипуляция) используется для различения разных физических каналов данной БС; модуляция длинной ПСП (бинарная фазовая

манипуляция) - с целью шифрования сообщений; модуляция короткой ПСП (квадратурная фазовая манипуляция двумя ПСП одинакового периода) - для расширения полосы и различения сигналов разных БС.

Различение сигналов разных станций обеспечивается тем, что все БС используют одну и ту же пару коротких ПСП, но со сдвигом на 64 дискрета между разными станциями, т.е. всего в сети 511 кодов; при этом все физические каналы одной БС имеют одну и ту же фазу последовательности.

На БС формируется 4 типа каналов: канал пилот-сигнала (PI), синхроканал (SYNC), вызывной канал (РСН) и канал трафика (ТСН).

Сигналы разных каналов взаимно ортогональны, что гарантирует отсутствие взаимных помех между ними на одной БС. Внутрисистемные помехи в основном возникают от передатчиков других БС, работающих на той же частоте, но с иным циклическим сдвигом.

Излучение пилот-сигнала происходит непрерывно. Для его передачи используют функцию Уолша нулевого порядка (W0 ). Пилот-сигнал - это сигнал несущей, который используется ПС для выбора рабочей ячейки (по наиболее мощному сигналу), а также в качестве опорного для синхронного детектирования сигналов информационных каналов. Обычно на пилот-сигнале излучается около 20% общей мощности, что позволяет мобильной станции (МС) обеспечить точность выделения несущей частоты и осуществить когерентный прием сигналов.

В синхроканале (SYNC) входной поток со скоростью 1,2 кбит/с перекодируется в поток, передаваемый со скоростью 4,8 кбит/с. Синхросообщение содержит технологическую информацию, необходимую для установления начальной синхронизации на МС: данные о точном системном времени, о скорости передачи в канале РСН, о параметрах короткого и длинного кода. Скорость передачи в синхроканале ниже, чем в вызывном (РСН) или канале графика (ТСН), благодаря чему повышается надежность его работы. По завершении процедуры синхронизации МС настраивается на канал вызова РСН и постоянно контролирует его. Для кодирования синхроканала используется функция W32 .

В обратном канале (линии «вверх») асинхронный вариант кодового разделения реализуется в комбинации с некогерентным приемом сигналов на БС. Благодаря этому отпадает необходимость в пилотном канале и канале синхронизации. В итоге остаются лишь два типа логических каналов линии «вверх»:

Канал доступа;

- канал обратного трафика.

Асинхронность кодового разделения делает нерациональным применение функций Уолша в роли каналообразующих последовательностей (сигнатур) физических каналов, так как при относительных временных сдвигах они не могут сохранять ортогональность и имеют весьма непривлекательные взаимные корреляционные свойства.

Канал доступа обеспечивает соединение МС и БС, пока МС не настроилась на назначенный ей канал обратного трафика. Процесс выбора канала доступа случаен – МС произвольно выбирает номер канала из определенного диапазона. Канал доступа используется для регистрации МС в сети, передачи на БС запроса на установление соединения, ответа на команды, переданные по каналу вызова и др. Скорость передачи данных по каналу доступа фиксирована и составляет 4,8 кбит/с.

Канал обратного трафика обеспечивает передачу речевой информации и данных абонента, а также управляющей информации с МС на БС, когда МС уже занимает выделенный ей физический канал.

Коды Уолша.

В стандарте CDMA для кодового разделения каналов используются ортогональные коды Уолша. Коды Уолша формируются из строк матрицы Уолша:

Особенность этой матрицы состоит в том, что каждая ее строка ортогональна любой другой или строке, полученной с помощью операции логического отрицания. В стандарте IS-95 используется матрица 64-го порядка. Для выделения сигнала на выходе приемника применяется цифровой фильтр. При ортогональных сигналах фильтр можно настроить таким образом, что на его выходе всегда будет логический «0», за исключением случаев, когда принимается сигнал, на который он настроен. Кодирование по Уолшу применяется в прямом канале (от БС к AT) для разделения пользователей. В системах, использующих стандарт IS-95, все АС работают одновременно в одной полосе частот. Согласованные фильтры приемников БС квазиоптимальны в условиях взаимной интерференции между абонентами одной соты и весьма чувствительны к эффекту «далекоблизко». Для максимизации абонентской емкости системы необходимо, чтобы терминалы всех абонентов излучали сигнал такой мощности, которая обеспечила бы одинаковый уровень принимаемых БС сигналов. Чем точнее управление мощностью, тем больше абонентская емкость системы.

Псевдо-случайная последовательность.

ПСП – это детерминированный периодический сигнал, который известен обоим корреспондентам. Он имеет все статистические свойства белого шума и для третьей стороны он будет казаться абсолютно случайным - псевдошумовым сигналом. Для того, чтобы ПСП была случайным процессом, необходимо выполнение ряда условий:

- число двоичных единиц не должно отличаться от числа двоичных нулей не более, чем на один элемент;

- ПСП должна обладать хорошими корреляционными свойствами, а, именно, уровни боковых лепестков АКФ такой последовательности должны иметь минимальный уровень.

Таким свойствам удовлетворяет множество последовательностей - последовательности Уолша, Баркера, Голда, М-последовательности и многие другие.

Регистр сдвига с обратной связью по переносу (FCSR, Feedback with carry shift register) - сдвиговый регистр, функция обратной связи и регистр переноса. Длина сдвигового регистра - количество битов. Когда нужно извлечь бит, все биты сдвигового регистра сдвигаются вправо на одну позицию. Новый крайний слева бит и новое значение регистра переноса определяются функцией остальных битов сдвигового регистра и регистра переноса (их биты складываются). Младший бит результата и становится новым крайним левым битом, а новым значением регистра переноса становится остальные биты результата (кроме младшего).

В отличие от LFSR, для FCSR существует задержка, прежде чем он перейдёт в циклический режим, то есть начнёт генерировать циклически повторяемую последовательность. В зависимости от выбранного начального состояния возможны 4 различных случая:

1. Начальное состояние может оказаться частью максимального периода.

2. Начальное состояние может перейти в последовательность максимального периода, после некоторой начальной задержки.

3. Начальное состояние может после начальной задержки породить последовательность нулей.

4. Начальное состояние может после начальной задержки породить последовательность единиц.

Последовательность Голда - псевдослучайная последовательность, образуемая путем сложения по модулю 2 двух псевдослучайных последовательностей.

Касами - тип псевдослучайных последовательностей. Применяются в CDMA. Значимость этих последовательностей происходит из-за их очень низкой взаимной корреляции. Код Касами длиныN = 2m − 1, где m - четное целое число, может быть получен, беря периодические выборки из М-

последовательности и выполняя суммирование по модулю 2 на циклически сдвигаемых последовательностях. Выборки берутся через каждые s = 2m / 2 + 1 элементов М-последовательности, чтобы сформировать периодическую последовательность и затем прибавляя эту последовательность постепенно к первоначальной М-последовательности по модулю 2, чтобы сформироватьs = 2m / 2 последовательностей Касами. Взаимная корреляционная функция двух последовательностей Касами принимает значения [-1, -s, s-2].

Ортогональные коды

Возможность адаптации системы к различным скоростям передачи обеспечивается за счет применения так называемых каналообразующих кодов (channelization code). Принцип их генерации можно проиллюстрировать (рис. 1) схемой кодового дерева для ортогональных кодов переменной длины

(Orthogonal Variable Spreading Factor, OVSF).

На каждом уровне этого кодового дерева определены свои кодовые слова, длина каждого из которых равна коэффициенту расширения спектра (SF). Полное кодовое дерево содержит 8 уровней (последний, восьмой, соответствует коэффициенту SF=256).

Структура кодового дерева такова, что на каждом последующем уровне удваивается возможное число каналообразующих кодов. Так, если на уровне 2 образуется только 2 кода (SF=2), то на уровне 3 генерируется уже 4 кодовых слова (SF=4) и т.д. Ансамбль кодов OVSF не является фиксированным, а зависит от коэффициента расширения SF, т. е. фактически от скорости передачи по каналу.

Проблема ортогональности.

Предположим, существует простая система с двумя пользователями и двумя путями распространения сигнала. Два пути обладают относительной задержкой в один чип. Ортогональные коды Уолша используются для распространения последовательности данных.

В этом случае приемник будет извлекать из канала два различных сигнала для каждого пользователя, соответствующие двум различным путям, относительная задержка между ними будет один чип.

Для каждого пользователя, приемник будет получать два сигнала из канала, полезный сигнал (ПСП синхронизирован с этим сигналом) и его версия с задержкой.

Результат сужения четырех принимаемых сигналов в случае двухканальной передачи двум пользователям будет:

B N (bit of interest) от сужения нужного сигнала пользователя;

- 0 из сужения ортогональных шумоподобных сигналов, отсутствие помехи из-за использования кодов Уолша;

- нежелательные условия, когда сужение является причиной задержки полезного сигнала и помехи.

Многолучевость.

Для кодовой последовательности с идеальными корреляционными свойствами, автокорреляционная функция дает ноль а выходе в интервале , где Tc – время чипа. Это значит, что полезный сигнал (основной путь) и задержанная версия этого сигнала на время, большее 2Tc , приняты на приемнике, тогда, с условиями когерентной демодуляции/сужения спектра, приемник определит задержанный сигнал как помеху. К тому же уровень мощности задержанного сигнала меньше, чем полезного в виду отражений при многолучевости, следовательно, задержанный сигнал в виде помехи «размазывается» по всей пропускной полосе, а приемник принимает лишь полезный сигнал.

Проблема «близкий - далекий».

Несмотря на высокую эффективность технологии CDMA у нее есть и ряд недостатков. Один из них - высокая чувствительность к разбросу мощностей мобильных станций. Наиболее сложная ситуация возникает вследствие проблемы «дальний-ближний» (far-near problem), когда мобильная станция, расположенная вблизи базовой, работает на большой мощности, создавая недопустимо высокий уровень помех при приеме других, «дальних» сигналов, что приводит к снижению пропускной способности системы в целом. Эта проблема существует у всех систем мобильной связи, однако наибольшие искажения сигнала возникают именно в CDMA-системах, работающих в общей полосе частот, в которых используются ортогональные шумоподобные сигналы. Если бы в этих системах отсутствовала регулировка мощности, то они существенно уступали бы по характеристикам сотовым сетям на базе TDMA. Поэтому ключевой проблемой в CDMA-системах можно считать индивидуальное управление мощностью каждой станции.

Детектирование.

Приемник имеет доступ к банку кодов, который хранит все коды, выделяемые на базовых станциях (БС). Для конкретного пользователя, БС знает, какой код ожидать и детектирование кода происходит путем сопоставления полученной последовательности с ожидаемым кодом. Операция корреляции осуществляется сужением, которое может выполняться в согласованном фильтре. Перед началом корреляции получатель должен знать точный момент времени. Синхронизация достигается при использовании пилот-сигнала, который расположен перед передаваемой информацией. Пилот-сигнал одинаков для всех пользователей. Когда синхронизация выполнена, согласованный фильтр начинает операцию корреляции: если корреляция выше заранее определенного порога, согласованный фильтр положительно определен пользователем.

Перемножение принятого сигнала и сигнала такого же источника псевдослучайного шума (ПСП), который использовался в передатчике, сжимает спектр полезного сигнала и одновременно расширяет спектр фонового шума и других источников интерференционных помех. Результирующий выигрыш в отношении сигнал/шум на выходе приемника есть функция отношения ширины полос широкополосного и базового сигналов: чем больше расширение спектра, тем больше выигрыш. Во временной области - это функция отношения скорости передачи цифрового потока в радиоканале к скорости передачи базового информационного сигнала. Для стандарта 1S-95 отношение составляет 128 раз, или 21 дБ. Это позволяет системе работать при уровне интерференционных помех, превышающих уровень полезного сигнала на 18 дБ, так как обработка сигнала на выходе приемника требует превышения уровня сигнала над уровнем помех всего на 3 дБ. В реальных условиях уровень помех значительно меньше. Кроме того, расширение спектра сигнала (до 1,23 МГц) можно рассматривать как применение методов частотного разнесения приема. Сигнал при распространении в радиотракте подвергается замираниям вследствие многолучевого характера распространения. В частотной области это явление можно представить как воздействие режекторного фильтра с изменяющейся шириной полосы режекции (обычно не более чем на 300 кГц). В стандарте AMPS это соответствует подавлению десяти каналов, а в системе CDMA подавляется лишь около 25% спектра сигнала, что не вызывает особых затруднений при восстановлении сигнала в приемнике.

Rake-приемник.

Оцифрованные выборки входных сигналов принимаются от входных каскадов ВЧ и представляются в виде квадратурных ветвей I и Q (т.е. в формате комплексного числа фильтра нижних частот на выходе приемника). Генераторы кода и коррелятор осуществляют сжатие и суммирование символов передачи данных пользователя. Устройство канала использует пилот-символы для оценки состояния канала, влияние которого затем будет скомпенсировано фазовращателем для принятых символов. Задержка компенсируется разницей во времени прибытия символов в каждый тракт. Далее сумматор Rake складывает компенсированные канальные символы, обеспечивая тем самым разнесение при многолучевом распространении как средство борьбы с замираниями.

Показан также согласованный фильтр, используемый для определения и обновления текущего профиля задержки при многолучевом распространении в канале. Этот измеренный и возможно усредненный профиль задержки при многолучевом распространении используется затем для сложения сигналов с выходов трактов приемника Rake с наибольшими пиковыми значениями.

В типичных реализациях приемник Rake, осуществляющий обработку со скоростью передачи чипов (коррелятор, генератор кодов, согласованный