Основные виды кодовых последовательностей современных систем связи и навигации. Справочные данные

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Справочные материалы

 Комментарии к статье

В статье описываются основные виды кодовых последовательностей, применяющиеся в современных системах связи и навигации. Приводимые параметры рассматриваются с научной и практической точек зрения, со ссылками на современные исследования в этой области.

Выбор псевдослучайной кодовой последовательности в радиотехнической системе передачи информации очень важен, поскольку от ее параметров зависит усиление обработки системы, ее помехоустойчивость, чувствительность. При одной и той же длине кодовой последовательности, параметры системы могут быть различны.

Системы, использующие сложные шумоподобные сигналы, применяются уже более 50 лет. Известные достоинства шумоподобных сигналов, такие как высокая помехозащищенность по отношению к узкополосным помехам большой мощности, возможность разделения абонентов по кодовому признаку, скрытность передачи, высокая устойчивость к многолучевому распространению и даже высокая разрешающая способность при радиолокационных и навигационных измерениях, предопределили их использование в различных системах связи и определения местоположения.

За счет каких параметров шумоподобных сигналов их применение обладает рядом чудесных свойств и можно ли их улучшить?

Характеристики шумоподобных сигналов

Важным параметром системы, использующей шумоподобные сигналы, является выигрыш при обработке (processing gain). Выигрыш при обработке (ВО) показывает степень улучшения отношения сигнал/шум при преобразовании полученного приемником шумоподобного сигнала в требуемый информационный сигнал. Эта процедура получила название сжатия или дераспределения (despreading).

Согласно классическому определению, ВО равен:

ВО = 10 Lg [С_к /С_и], где

С_к - частота следования чипов псевдослучайной последовательности, чип/секунду.

С_и - скорость передачи информации, бит/секунду.

По этому определению система, которая имеет скорость передачи информации 1 Мбит/секунду и частоту следования чипов 11 Мчип/секунду (это означает, что каждый бит информации кодируется псевдослучайной последовательностью из 11 битов), будет иметь ВО, равный 10,41 дБ. Этот результат означает, что работоспособность системы передачи информации сохранится с тем же коэффициентом BER, если полезный сигнал на входе уменьшится на 10,41 дБ.

В обычных коммерческих шумоподобных радиомодемах, таких как Arlan, Wavelan, и им подобных, наибольшее значение зачастую уделяется скорости передачи информации, а не скрытности или помехоустойчивости. Поскольку инструкциями федеральной комиссии по связи в США (FCC) для таких устройств предусмотрено минимальное значение ВО 10 дБ, а также выделена минимально допустимая ширина полосы частот одного канала (что накладывает ограничения на максимальную частоту следования чипов С_к), то длина псевдослучайной кодовой последовательности должна быть не менее 11 чипов на бит. Если, увеличить длину кодовой последовательности до 64 чипов на бит (это максимально возможная длина для широкоизвестного процессора ШПС Z87200 фирмы Zilog), то при той же частоте следования чипов 11 Мчип/секунду, выигрыш при обработке будет 10Lg (64) = 18,06 дБ, скорость передачи информации при этом уменьшится в 64/11 = 5,8 раза.

Чтобы быть использованными в ШПС системе, кодовые последовательности должны обладать определенными математическими и другими свойствами, основными из которых являются очень хорошие автокорреляционные и взаимокорреляционные свойства. Кроме того, кодовая последовательность должна быть хорошо сбалансирована, то есть число единиц и нулей в ней должно отличаться не более чем на один символ. Последнее требование важно для исключения постоянной составляющей информационного сигнала.

DSSS приемник сравнивает полученную кодовую последовательность с точной ее копией, хранящейся в памяти. Когда он обнаруживает корреляцию между ними, то переходит в режим приема информации, устанавливает синхронизацию и начинает операцию декодирования полезной информации. Любые частичные корреляции могут привести к ложному срабатыванию и нарушению работы приемника, вот почему кодовая последовательность должна обладать хорошими корреляционными свойствами. Рассмотрим понятие корреляции более подробно.

Автокорреляционная и взаимокорреляционная функция

Корреляционные свойства кодовых последовательностей, используемых в ШПС системах, зависят от типа кодовой последовательности, ее длины, частоты следования ее символов и от ее посимвольной структуры.(1).

В общем виде автокорреляционная функция (АКФ) определяется интегралом:

Y (t ) = ∫f(t)f(t-t )dt

и показывает связь сигнала с копией самого себя, смещенного во времени на величину τ. Изучение АКФ играет важную роль при выборе кодовых последовательностей с точки зрения наименьшей вероятности установления ложной синхронизации.

Взаимокорреляционная функция (ВКФ), с другой стороны, имеет большое значение для систем с кодовым разделением абонентов, таких как CDMA, и отличается от АКФ только тем, что под знаком интеграла стоят разные функции, а не одна и та же:

Y (t ) = ∫f(t)g(t-t )dt

ФКВ показывает, таким образом, степень соответствия одной кодовой последовательности другой. Чтобы упростить понятия АКФ и ВКФ можно представить значение той или иной функции как разность между числом совпадений А и несовпадений Б символов кодовых последовательностей при их посимвольном сравнении. Для иллюстрации этого примера, рассмотрим автокорреляционную функцию кодовой последовательности Баркера длиной 11 чипов, имеющей следующий вид:

1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0

Посимвольное сравнение этой последовательности с ее же копией сведем в таблицу.

Графическое изображение АКФ данной последовательности Баркера показано на рисунке:

Такую АКФ можно назвать идеальной, поскольку на ней отсутствуют боковые пики, которые могли бы способствовать ложному обнаружению сигнала.

В качестве негативного примера можно рассмотреть любую произвольную кодовую последовательность, например:

1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0

Проведя соответствующие предыдущему примеру вычисления, получим следующее графическое изображение автокорреляционной функции, показанное на рисунке:

Боковые пики величиной 7 и 3 единиц могут привести к ложному срабатыванию системы в случае применения такой последовательности для распределения сигнала.

Для высокоскоростных ШПС систем, предназначенных для передачи информации, но не для кодового разделения абонентов, обычно используются коды Баркера, обладающие хорошими автокорреляционными свойствами. С помощью компьютерного моделирования были найдены так называемые коды Уилларда (2), которые при той же длине, что и коды Баркера, обладают иногда лучшими корреляционными свойствами. Кодовые последовательности Баркера, имеющие длину более 13 символов, неизвестны, поэтому для получения большего ВО, большей помехоустойчивости, а также для кодового разделения абонентов, используют последовательности большей длины, значительную часть которых образуют М-последовательности.

М-последовательности

Одним из самых известных фазоманипулированных сигналов являются сигналы, кодовые последовательности которых являются последовательностями максимальной длины или М-последовательности. Для построения М-последовательностей обычно используют регистры сдвига или элементы задержки заданной длины. Длина М-последовательности равна 2^N-1, где N - число разрядов регистра сдвига. Различные варианты подключения выходов разрядов к цепи обратной связи дают некоторый набор последовательностей.

АКФ М-последовательности равна -1 для всех значений задержки, кроме области 0±1, где ее значение меняется от -1 до значения 2^N-1. Кроме того, М-последовательности обладают еще одним интересным свойством: в каждой последовательности единиц на одну больше, чем нулей. Способам формирования и характеристикам М-последовательностей посвящено много литературы, поэтому мы не будем останавливаться на этом подробно.

Для исследования возможностей нового комплекта микросхем PRISM^TM фирмой Harris Semiconductor было проведено практическое исследование коротких М-последовательностей и кодов Баркера с целью нахождения оптимальных из них с точки зрения автокорреляционной функции (3).

В рамках этого исследования была проанализирована М-последовательность длиной 15 и имеющая вид:

111 1000 1001 1010

Как выяснилось, она обладает худшими автокорреляционными свойствами, чем последовательность Баркера длиной 13 символов следующего вида:

1 1111 0011 0101

Практический вид АКФ М-последовательности показан на рисунке:

Для сравнения, АКФ кодовой последовательности Баркера длиной 13:

Сверху на фотографии показан синхроимпульс осциллографа. Как видно из фотографий, М-последовательность имеет несколько больших боковых пиков, которые могут значительно ухудшить приемные качества ШПС системы, а иногда может привести к ложному обнаружению сигнала.

Как оказалось в процессе дальнейших исследований, если к 13 символьной кодовой последовательности Баркера добавить два нуля, то АКФ полученной последовательности

001 1111 0011 0101

будет значительно лучше, чем описанная АКФ М-последовательности, состоящей также из 15 символов. АКФ вновь полученной последовательности:

Короткие М-последовательности таким образом значительно уступают последовательностям Баркера по автокорреляционным свойствам, несмотря на лучший баланс нулей и единиц.

Из наиболее известных систем, использующих М-последовательности, можно назвать подвижную систему связи с кодовым разделением абонентов CDMA и систему глобальной навигации GPS. В системе CDMA используются три кодовых последовательности. Первая из них, используемая для синхронизации работы всего оборудования, обладает переменной длиной N ≈ (32÷131)10³ символов. Вторая М-последовательность обладает максимальной длиной N=2⁴²-1 и используется для идентификации абонентских станций со стороны базовой станции. Третья последовательность используется для передачи полезной информации между базовой и абонентской станциями и представляет собой одну из последовательностей Уолша.

Последовательности Уолша (в качестве них выступают строки или столбцы матрицы Адамара) обладают свойством ортогональности по отношению друг к другу. С математической точки зрения ортогональность означает, что при отсутствии временного сдвига между последовательностями Уолша, их скалярное произведение равно нулю. С точки зрения радиотехнической, это позволяет устранить взаимные помехи при передаче информации от базовой станции к нескольким абонентским и тем самым резко повысить пропускную способность системы связи (5). Данное преимущество ортогональности имеем место только в случае точной синхронизации передачи последовательностей всем абонентам. Точная синхронизация базовых и абонентских станций CDMA осуществляется главным образом с помощью глобальной навигационной системы GPS. Кроме последовательностей Уолша в системах связи используются другие ортогональные последовательности: последовательности Диджилок и Стиффлера.

Кроме М-последовательностей как таковых в системах связи нашли применения составные кодовые последовательности, представляющие собой комбинации М-последовательностей и обладающие некоторыми специфическими свойствами. Наиболее известными и применяемыми из них являются последовательности Гоулда. Кодовые последовательности Гоулда формируются с помощью простого генератора последовательностей на основе двух регистров сдвига одинаковой разрядности и обладают по отношению к М-последовательностям двумя достоинствами.

Во-первых, генератор кодовых последовательностей, построенный на основе двух регистров сдвига длиной N каждый, может генерировать кроме двух исходных М-последовательностей еще N последовательностей длиной 2^N-1, то есть значительно расширяется число генерируемых кодовых последовательностей.

Во-вторых, коды Гоулда могут быть выбраны так, что ВКФ для всех получаемых от одного генератора кодовых последовательностей будет одинаковой, а величина ее боковых пиков ограничена.

Для М-последовательностей нельзя гарантировать, что боковые пики ВКФ не будут превосходить определенную заданную величину. Кодовые последовательности Гоулда применяются в глобальных системах навигации, например в GPS. Так называемый "грубый" код (C/A - clear/acquisition) использует последовательность Гоулда длиной 1023 символа, передающуюся с тактовой частотой 1,023 МГц. Точный же код (P - precision), доступ к которому имеют военные и специальные службы, использует сверхдлинную составную последовательность с периодом повторения 267 дней и тактовой частотой 10,23 МГц. Кроме составных последовательностей Гоулда наиболее часто применяются последовательности Касами.

Новые технологии

Упоминаемые в настоящей статье М-последовательности, последовательности Гоулда, Касами относятся к последовательностям, имеющим линейный алгоритм формирования. Основным недостатком таких последовательностей является их предсказуемость и связанная с ней недостаточная скрытность передачи. Нелинейные последовательности более непредсказуемы.

В последнее время появился ряд публикаций о генерации шумоподобных сигналов с помощью явления динамического хаоса (4). Явление динамического хаоса состоит в том, что движение детерминированной динамической системы при определенных условиях имеет все свойства широкополосного хаотического процесса. При этом принципиальной особенностью алгоритмов, описывающих это явление, является их нелинейность, а особенностью генерируемого временного процесса - его непериодичность. Это открывает возможности поиска нового класса случайных последовательностей для применения в радиотехнических системах различного назначения: широкополосных хаотических сигналов ШХС, которые в большей мере соответствуют требованиям, предъявляемым к псевдослучайным последовательностям.

Заключение

Мобильные системы третьего поколения, разрабатываемые уже сейчас в рамках международных европейских программ, будут использовать широкополосные сигналы, формируемые псевдослучайными последовательностями. В частности, базовым стандартом для UMTS - Universal Mobile Telecommunications System, был выбран WCDMA или широкополосный CDMA, разработанный компанией Ericsson. Известно более двадцати проектов, объединяющих в той или иной степени все развитые телекоммуникационные фирмы и ведущие университеты мира, которые с разных сторон пытаются подойти к решению проблемы глобальных мировых коммуникаций будущего (6).

В далеком будущем, очевидно, каждый житель нашей планеты будет обладать собственным терминалом, имеющим небольшие размеры и предоставляющим своему владельцу все доступные виды коммуникаций - от видеотелефона до выхода в глобальную мировую информационную систему.

И существуют большая вероятность, что в таких системах будет применяться кодовое разделение абонентов с использованием псевдослучайных последовательностей.

Литература

1. Р.К.Диксон, Широкополосные системы: пер. с англ./Под ред. В.И.Журавлева.- М., Связь, 1979 .-304 с.
2. John Fakatselis, Madjid A.Belkerdid, Processing Gain for Direct Sequence Spread Spectrum Communication Systems and PRISM^TM. Application Note 9633, Harris Semiconductor, August 1996.
3. Carl Andren, Short PN sequences for Direct Sequence Spread Spectrum Radios. Harris Semiconductor, Palm Bay, Florida. 4/11/97.
4. В.Я.Кислов и др., Корреляционные свойства шумоподобных сигналов, генерируемых системами с динамическим хаосом. Fg Радиотехника и электроника, 1997, том 42, № 11, с.1341-1349.
5. Н.И.Смирнов, С.Ф.Горгадзе, Синхронное кодовое разделение абонентских станций: перспективное поколение персональных систем связи. Технологии и средства связи. № 4, 1998.
6. Ю.М.Горностаев. Мобильные системы 3-го поколения. Москва, МЦНТИ. 1998.

Автор: Малыгин Иван Владимирович; Публикация: library.espec.ws

Смотрите другие статьи раздела Справочные материалы.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Чувства кота, ожидаюшего возвращения хозяина 16.07.2026

Многие владельцы кошек уверены, что их питомцы совершенно равнодушны к уходу человека из дома. Считается, что кошки - независимые существа, которые спокойно переносят одиночество и даже радуются, оставаясь одни. Однако испанские специалисты по поведению животных считают, что реальность гораздо сложнее. Реакция кошки на отсутствие хозяина зависит от ее индивидуального характера, степени привязанности к человеку и привычного распорядка дня. Кошки хорошо запоминают ежедневные ритуалы своих владельцев. Они способны связывать определенные звуки - звон ключей, шаги у двери или звук закрывающегося замка - с предстоящим уходом человека. Для одних животных эти сигналы означают возможность спокойно лечь спать, а для других становятся причиной беспокойства и длительного ожидания возвращения хозяина. Таким образом, кошка не просто "не замечает" уход, а активно реагирует на связанные с ним изменения в окружающей обстановке. Исследования поведения кошек показывают, что некоторые из них действи ...>>

Целесообразность приема пробиотиков после курса антибиотиков 16.07.2026

Антибиотики остаются одним из самых мощных инструментов современной медицины в борьбе с бактериальными инфекциями. Однако их действие не ограничивается уничтожением только вредных микроорганизмов. Эти препараты способны существенно влиять на состав кишечной микрофлоры, что часто вызывает вопросы у пациентов: насколько серьезны эти изменения, как долго они сохраняются и нужно ли после курса антибиотиков принимать пробиотики для восстановления. На эти вопросы попытались ответить исследователи, проанализировав имеющиеся научные данные. Во время приема антибиотиков многие люди сталкиваются с неприятными симптомами со стороны пищеварительной системы: тошнотой, болями или спазмами в животе, а также диареей. Такие реакции возникают потому, что препараты воздействуют не только на возбудителей инфекции, но и на полезные бактерии, которые населяют кишечник и участвуют в пищеварении, синтезе витаминов и поддержании иммунитета. Некоторые антибиотики, например азитромицин, могут напрямую влия ...>>

Резкое похудение и возврат веса могут навредить сердцу 15.07.2026

Многие люди, желая быстро избавиться от лишних килограммов, прибегают к строгим диетам с резким ограничением калорий. Достигнув желаемого результата, они часто постепенно или быстро возвращаются к прежнему рациону и прежнему весу. На первый взгляд это кажется лишь вопросом внешнего вида, однако ученые предупреждают: постоянные колебания массы тела могут оказывать негативное влияние на сердечно-сосудистую систему и обмен веществ. Так называемый эффект йо-йо, когда периоды активного похудения сменяются повторным набором веса, становится все более распространенным явлением. Новые исследования указывают на возможную связь между такими циклами и ухудшением работы сердца. Организм способен адаптироваться к изменениям питания, но постоянное повторение резких переходов между ограничением калорий и перееданием создает дополнительную нагрузку на различные системы. В одном из экспериментов на лабораторных животных исследователи моделировали эффект йо-йо, периодически снижая калорийность рац ...>>

Случайная новость из Архива LED-проектор LG Minibeam TV 03.04.2015 Компания LG пополнила свой ассортимент парой компактных LED-проекторов: Minibeam Pro (PF1500) и Minibeam TV (PW800). Модель Minibeam TV является младшей из двух новинок. Устройство способно проецировать изображение диагональю до 100 дюймов разрешением 1280 х 800 точек на расстояние до 3,25 м. Яркость составляет 800 ANSI люмен. Выделяется данная модель наличием TV-тюнера, что позволяет проектору полностью заменить телевизор. Само собой, поддерживается проводное и беспроводное подключение мобильных устройств и ПК. Габариты проектора Старшая модель лишена TV-тюнера, но зато может похвастаться способностью выводить изображение разрешением 1920 х 1080 точек диагональю до 120 дюймов на расстоянии до 3,7 м. Кроме этого, Minibeam Pro выделяется и повышенной до 1400 ANSI люмен яркостью. В обоих случаях срок жизни источника света составляет около 30 000 часов по заверению LG. Еще одна особенность старшего проектора - возможность подключения акустических систем посредством Bluetooth. Размеры устройства - 220 х 132 х 84 мм при массе 1,5 кг. Обе модели оснащены портами HDMI и USB.

Другие интересные новости:

▪ Редкие земли с океанского дна

▪ Новый драйвер Ethernet с коррекцией предыскажений

▪ Магнит-мусороуборщик на орбите

▪ KODAK выпускает цифровую камеру с WIFI-связью

▪ Смазываемый композит с высокой несущей способностью

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Регуляторы тока, напряжения, мощности. Подборка статей

▪ статья Как бы чего не вышло. Крылатое выражение

▪ статья Где Одиссей пробыл наибольшую часть времени, возвращаясь из Трои на родину? Подробный ответ

▪ статья Тещин узел. Советы туристу

▪ статья Повторное заземление. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Портативная система звукоусиления с универсальным питанием. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026