Лекция 9. Приём сигналов на фоне помех

на фоне помех.
2. Радиоприёмные устройства систем цифровой радиосвязи.

передаётся различными электрическими и оптическими сигналами, на которые воздействуют помехи,

приводящие к искажениям сигналов и, следовательно, к искажению передаваемой информации. Поэтому основная задача при передаче информации состоит в том, чтобы организовать канал с минимальными потерями. Для этого, естественно, надо применять такие методы обработки сигналов, которые позволили бы свести воздействие помех к минимуму.
Для примера рассмотрим частотно-манипулированный сигнал на который воздействует аддитивная помеха в виде нормального «белого» шума различной интенсивности

Помеха искажает и частоту сигнала и его амплитуду. В данном случае отношение сигнал/помеха имеет минимально приемлемое значение 3:1.

в общем случае является случайным.
В зависимости от вида и назначения

системы передачи информации при приеме сигналов возникают следующие основные задачи:
- обнаружение сигналов;
- различение сигналов;
- восстановление сигналов.
1. Задача обнаружения - обработка сигнала U(t) строится так, чтобы получить с максимально возможной достоверностью ответ на вопрос: содержит в себе сигнал U(t) сообщение x(t), или это помеха, т. е. U(t) = n(t). Получать на выходе само сообщение не требуется.

задача не обнаружения, а различения сигналов. Здесь необходимо дать ответ

на вопрос: имеется ли на входе приемника сигнал s1 или сигнал s2? Ответ на этот вопрос определяется уже не свойствами каждого сигнала в отдельности, а их различием. Сигналы могут отличаться один от другого своими параметрами. Очевидно, нужно стремиться к тому, чтобы различие было наибольшим и устойчивым к воздействию помех. Случай обнаружения может рассматриваться как вырожденный случай различия двух сигналов, когда один из них тождественно равен нулю.

различения сигналов. Она состоит в том, чтобы получить выходной видеосигнал

Uв(t), наименее отличающийся от переданного сообщения U(t). При этом сообщение U(t) заранее неизвестно: известно лишь, что оно принадлежит к некоторому множеству или является реализацией некоторого случайного процесса.
Эту же задачу можно трактовать как оценку параметров. В этом случае обработка строится так, чтобы измерить какой-либо параметр обнаруженного сигнала, например, длительность импульса. Эта задача часто решается в измерительных радиотехнических системах.

обработки представляет собой решающее устройство, задача которого с максимальной точностью

восстановить передаваемые сигналы S1 и S2, представляющие собой, в большинстве случаев 1 и 0 (для двоичных сигналов).
В случае передачи m-ичных сигналов решающее устройство и правила его работы усложняются.

1011010000
Этой последовательностью модулируется, например по фазе, несущая частота. На

приёмной стороне частично очищенный от помех в схеме додетекторной обработки сигнал детектируется

а решающее устройство восстанавливает из него последовательность прямоугольных импульсов, которая,

в общем, не соответствует передаваемой последовательности

Основная задача при этом – восстановить последовательность так, чтобы она максимально совпадала с передаваемой, т.е. так, чтобы вероятность ошибочного приёма (вероятность ошибки) минимизировалась.

приемнике являются фильтрация со стробированием, интегрирование и корреляционная обработка.
Стробирование сигнала

является простейшим видом обработки. Оно давно известно и широко применяется в практике. Обработку сигналов стробированием часто называют приемом по методу укороченных контактов. При стробировании данного элемента сигнала производится отсчет его текущего значения (напряжения или тока) в определенный момент времени

Стробирование производится при помощи специальных сигналов, поступаю­щих от системы синхронизации.
На выходе регистрирующего устройства формируется восстановленные по длительности единичные элементы (без краевых искажений и дроблений). Стробирующий приёмник ошибается, когда исказится середина посылки. Исправляющая способность стробирующего метода по краевым искажениям равна 50% , а по дроблениям нулю (даже очень короткое дробление попавшее на середину единичного элемента вызывает ошибку).

выполняться как до, так и после детектора. При использовании синхронного

детектора фильтрация до и после детектора принципиально может дать один и тот же результат. Практически же обычно производят фильтрацию сигнала дважды: как до, так и после детектора.

как определение среднего значения сигнала. Любой фильтр в той или

иной мере производит интегрирование поступающего на его вход колебания. При определенных условиях операция интегрирования эквивалентна фильтрации. Интегрирование, так же как и фильтрация, может осуществляться либо до, либо после детектора.
Суммируются 9 последних поступивших на вход сэмплов, это равносильно дискретному интегрированию входящего сигнала. При интегрировании белый шум частично компенсируется, а сигнал с амплитудой одного знака складывается.

Сигнал так сильно зашумлен, что без интегрирования невозможно получить из него данные.
После этой процедуры можно считывать знаки интегральной функции в ее максимумах и минимумах каждые 9 сэмплов (сэмпл – некоторая малая часть демодулированного сигнала). Если функция положительна, то текущий бит декодируется как 1, если отрицательна – то 0.
Для выбора одной из девяти точек, в которых можно измерять знак интеграла, использовалось свойство самосинхронизации.

по способам додетекторной и последетекторной обработки. Различают следующие основные мето­ды

приема:
- когерентный;
- некогерентный;
- корреляционный;
- автокорреляционный.
Когерентный и некогерентный приемы.
Для оптимального когерентного приема необходимо выполнение следующих условий: передаваемые сигналы полностью известны и могут быть точно воспроизведены в приемном устройстве; канал связи гауссов с постоянными параметрами, искажения сигналов в канале отсутствуют; спектральная плотность аддитивной помехи известна; синхронизация принимаемых и опорных сигналов является идеальной.
Функциональная схема когерентного приемника. Она состоит из перемножителя П, генератора опорного колебания Г и фильтра нижних частот ФНЧ.

переданного сигнала s(t). Если сигналом s(t) является колебание с известной

частотой и фазой, то в приемнике используется синхронный детектор, в котором опорное колебание синхронно с колебанием несущей частоты. При синхронном детектировании на нелинейный эле­мент подается сумма двух сигналов:

 

взаимной корреляции y(T) принятого сигнала и опорного колебания.
Здесь блоки

"П" — перемножители; "-" — вычитающие устрой­ства.
В зависимости от метода регистрации сигнала на выходе корреляционный прием может быть когерентным и некогерентным.
Корреляционный способ приема можно рассматривать как обобщение метода накопления на сигналы произвольной формы. Помехоустойчивость этого метода примерно в два раза выше, чем у обычных методов.
В схеме автокорреляционного приемника отсутствует специальный генератор опорных колебаний

данной схеме имеется линия задержки ЛЗ, осуществляющая задержку принимаемого сигнала

на время τ. Задержанное колебание x(t - τ) используется в качестве опорного.
При большом уровне помех (qвx<<1) автокорреляцион­ный приемник по помехоустойчивости приближается к приемнику с квадратичным детектором. Более низкая помехоустойчивость автокорреляционного приемника по сравнению с корреляционным при любых значениях qвx обусловлена наличием помехи в тракте опорного напряжения.
Автокорреляционный прием возможен и в том случае, когда отсутствуют сведения не только о фазе сигнала, но и о частоте. Это воз­можно благодаря тому, что опорное колебание порождается самим принимаемым сигналом, а не создается специальным генератором в месте приема.

цепь, представляющая из себя устройство согласования антенны со входом приёмника;
-

усилитель радиочастоты, предназначенный для усиления маломощных входных сигналов до уровня, необходимого для устойчивой работы последующих трактов. Здесь же производится предварительная частотная фильтрация необходимых сигналов;
- смеситель, гетеродин и УПЧ – блок промежуточного преобразования, необходимый для обеспечения лучших условий детектирования;
- детектор, который нужен для проведения демодуляции, т.е. выделения первичного сигнала, несущего полезную информацию;
- усилитель звуковой частоты, усиливающий первичный электрический сигнал до уровня, необходимого для работы оконечного устройства.

в ней аналоговый сигнал после промежуточного преобразования с помощью АЦП

превращается в цифровой с последующим детектированием и принятием решения о том, какой символ передавался – 1 или 0.

деятельности человека. Вместо них используются цифровые приёмники

в других радиоприемниках, является антенна А. Наводимые в ней электрические колебания

поступают в радиоприемный тракт РПТ, где из них выделяются колебания, вызванные радиоволнами только выбранного пользователем канала. Они там усиливаются, демодулируются и превращаются в последовательность импульсов цифровой информации.
Эта последовательность импульсов поступает в микроконтроллер МК, который в соответствии с установленным протоколом связи выделяет из неё потоки данных, нужных пользователю. Он осуществляет их цифровую фильтрацию, декодирует их, формирует аудиосигналы и информацию для отображения на текстовом дисплее ТД. Аудиосигналы поступают на выходной усилитель ВУ, а с него – на звуковые колонки Зв.

и усиленные сигналы нужной пользователю частоты поступают в смеситель См, на

который подаются также сигналы опорной частоты от гетеродина Г. Это – генератор незатухающих электромагнитных колебаний небольшой амплитуды, частота которых тоже регулируется узлом настройки Н так, чтобы разность между ней и частотой выделенных высокочастотных колебаний оставалась постоянной. При смешивании выделенных сигналов нужной пользователю частоты и опорного сигнала от гетеродина на выходе смесителя См появляется сигнал разностной частоты, которую называют "промежуточной". Она остается одной и той же при настройке УВЧ на любую радиостанцию.
В большинстве профессиональных радиоприёмников, а также в системах сотовой связи, все функции приёма сигналов реализуются микропроцессором, а АЦП включается между антенной и микропроцессором.

Antenna Switch закрывается в направлении RX и переключается в сторону

TX. Все данные обрабатываются в Baseband processor, то есть полученные данные идут прямиком на него. И перед отправкой данные тоже первоначально обрабатываются в Baseband processor.
RF Reciver (радиочастотный приемник). RF Reciver называется RX, эта микросхема отвечает за прием сигнала.
RF Transmitter (радио частотный передатчик). RF Transmitter называется TX, он отвечает за передачу данных с мобильного телефона.
Power Amplifier RFPA (Radio Frequency Power Amplifier) RFPA это усилитель. Сигнал выйдя с TX попадает на RFPA и лишь потом попадает на антенну. В современных телефонах изготавливают два усилителя на разные диапазоны. Когда телефон никуда не звонит, то RFPA ничего не потребляет. Когда же мы решим позвонить, усилитель мощности начинает потреблять электроэнергию. Потом базовая станция дает команду снизить мощность.

близкодействующих радиосенсоров «Bluetooth», разработка коммуникационного стандарта Bluetooth и внедрение в жизнь

технологии передачи данных на небольшие расстояния с помощью радиосигналов. Эти разработки обеспечили условия эффективного беспроводного обмена информацией между компьютерами, мобильными телефонами, принтерами, видеокамерами и любыми другими приборами и устройствами, оснащенными радиосенсором Bluetooth. Это небольшое устройство работает в частотном диапазоне от 2400 до 2483,5 МГц, который является открытым и не лицензируется в большинстве стран мира.

аббревиатурой WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) понимается технология операторского

класса, которая основана на семействе стандартов IEEE 802.16, разработанных международным институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). В стандартах IEEE 802.16 определяются физический уровень и уровень управления доступом для систем фиксированного беспроводного широкополосного доступа масштаба города.
Основные параметры стандартов IEEE 802.16 и IEEE 802.16-2004 представлены в табл. 1.
Таблица 1. Основные параметры стандартов IEEE 802.16 и IEEE 802.16-2004

передачи данных: метод модуляции одной несущей (SC), метод ортогонального частотного

мультиплексирования (OFDM) и метод множественного доступа на основе такого мультиплексирования (OFDMA).
Работает по принципу традиционной сети мобильной связи. То есть устанавливаются базовые станции, которые образуют покрытие беспроводной сети. Это покрытие обеспечивает непрерывную телекоммуникацию на определенной территории посредством постоянного радиоканала в СВЧ диапазоне.

разделением по времени (TDMA), согласно которой базовая станция выделяет абонентским

станциям временные интервалы, чтобы они могли передавать данные в определенной очередности, а не случайным образом.
Для реализации дуплексного режима обмена данными используются две технологии: дуплексный режим с разделением по времени (TDD) нисходящего и восходящего потоков и дуплексный режим с разделением по частотам (FDD).
Защита информации.
В соответствии со стандартом, для предотвращения несанкционированного доступа и защиты пользовательских данных осуществляется шифрование всего передаваемого по сети трафика. Базовая станция (БС) WiMAX представляет собой модульный конструктив, в который при необходимости можно установить несколько модулей со своими типами интерфейсов, но при этом должно поддерживаться административное программное обеспечение для управления сетью. Данное программное обеспечение обеспечивает централизованное управление всей сетью. Логическое добавление в существующую сеть абонентских комплектов осуществляется также через эту административную функцию.

частоту 2,4 ГГц. Данный стандарт описывает коллизионный метод многостанционного доступа

к радиоканалу (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance — CSMA/CA), сходный с методом доступа Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect (CSMA/CD), по которому работают кабельные сети Ethernet.
Стандарт IEEE 802.11b определяет один метод передачи — DSSS и использует технику модуляции с помощью дополнительного кода.
В сетях Wi-Fi используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD).
Wi-Fi – это современная беспроводная технология, обеспечивающая доступ к сети до 45 метров.

о сути – передача данных на расстояние без использования проводов,

кабелей и т.д. с использованием определенных частот радиоканала. Однако WiMax превосходит Wi-Fi в скоростях доступа. Также отличается большим покрытием, благодаря чему может использоваться в качестве магистрального канала, что в конечном итоге может позволить организовывать на их основе масштабируемые городские сети с высокими скоростями доступа. Источник: http://composs.ru/wimax-chto-eto/ Различаются они и областями применения, благодаря чему они могут работать дополняя друг друга. Все зависит от целевой аудитории и возможности обеспечения технологии операторами. Для WiMAX нужна более мощная сетевая инфраструктура, что соответственно несет большие материальные затраты на её построение и более длительный срок окупаемости. Как известно стандарт Wi-Fi – это 802.11, а стандарт WiMAX 802.16. Соответственно, есть разница в их технических характеристиках.

100 метров без препятствий (в бытовых условиях же это 20-30

метров). Если говорить о WiMAX, то максимальный заявленный радиус действия 50 км (в реальности 5-10 км), что значительно больше. Wi-Fi целесообразно использовать для создания локальных частных сетей. С помощью WiMAX можно создавать региональные сети. К данной сети может подключиться только устройство, поддерживающее этот стандарт, оснащенные соответствующим модулем. Wi-Fi используется гораздо больше из-за дешевизны и простоты настройки. Обе технологии просты в использовании и позволяют легко развертывать и масштабировать сети в самые короткие сроки.