CDMA: расширение спектра

В эфире такой сигнал занимает полосу частот, значительно превышающую по ширине полосу частот исходного узкополосного сигнала.

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 (информационного) 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). Для других значений скоростей передачи, используемых в стандартах IS-95 и cdma2000 (См. «Сети», 2000, № 1, с. 19), база сигнала пропорциональна скорости его передачи (таблица).

База сигнала для различных скоростей передачи информации (чиповая скорость — 1,2288 Мчип/с)

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).

Схема генерации OVSF-кодов для трух уровней

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.

Сейчас в большинстве CDMA-систем, в том числе основанных и на широко известном стандарте IS-95, используется метод расширения спектра прямой последовательностью DS-CDMA (Direct Sequence CDMA). Схема «работы» метода DS-CDMA и качественные изменения сигнала и помех показаны на рис. 2.

В передатчике узкополосный информационный сигнал (А на рис. 2) 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 (Б на рис. 2) и становится меньше уровня шума.

Схема расширения спектра с помощью прямой последовательности: А — информационный сигнал; Б — сигнал на входе приемника; В — сигнал на выходе приемника; Г — выходной сигнал (после фильтра)

В приемнике исходный сигнал восстанавливается с помощью псевдослучайной последовательности известной структуры (обратная операция). Иные сигналы, поступающие на данный приемник, воспринимаются как шум (В на рис. 2).

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 (Г на рис 2). 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 — FH-CDMA (Frequency Hopping CDMA). Особенности этих технологий будут рассмотрены в следующих номерах журнала.