8.2. SYSTEMY



8.2.1. SYSTEM Z KLUCZOWANIEM FAZY

  W systemie z 2-stanowym kluczowaniem fazy (rysunek 8.1) na wyjściu nadajnika wąskopasmowego znajduje się dodatkowy modulator zrównoważony. Sygnał użyteczny mieszany jest z sygnałem cyfrowym o pożadanej szerokości pasma. Jako sygnały rozpraszające stosowane są pseudolosowe ciągi zerojedynkowe. Do ich generacji stosowane są najczęściej rejestry przesuwne ze przężeniem zwrotnym (podobnie jak w koderze modemu G3RUH). Widmo częstotliwości takiego ciągu impulsów ma obwiednię wyrażającą się wzorem: (sin(W)/W)^2.
    Dokładny kształt obwiedni zależny jest oczywiście od częstotliwości powtarzania impulsów. Widmo to, oraz widmo sygnału zmodulowanego są także przedstawione na rysunku 8.1. Dwufazowa modulacja fazy odpowiada dwuwstęgowej modulacji amplitudy z wytłumioną falą nośną (DSB). Dlatego też widmo sygnału rozproszonego rozłożone jest symetrycznie względem nośnej użytecznej. Dla uproszczenia, na rysunku nośna ta nie jest zmodulowana. Jako praktyczną szerokość pasma sygnału rozproszonego należy przyjąć szerokość pierwszego listka widma (między pierwszymi miejscami zerowymi obwiedni). W dalszych listkach zawarta jest już tylko znikoma część energii (ok. 10 %). Oprócz dwufazowego, stosowane jest także czterofazowe kluczowanie fazy (QPSK) i modulacja z minimalnym przesuwem częstotliowści (ang. minimum shift keying, w skrócie MSK, indeks modulacji wynosi tu 0,5). Dla uproszczenia oba te rodzaje kluczowania są pominięte w dalszych rozważaniach i pod terminem systemu z kluczowaniem fazy rozumiany jest wyłącznie system BPSK.

    [rys. 8_01]

    Rozłożenie energii widma sygnału rozproszonego w szerokim paśmie częstotliwości oraz pseudolosowy charakter sygnału rozpraszającego powodują, że sygnał taki odbierany jest przez odbiorniki wąskopasmowe jako szum (zwiększony poziom szumów) i nie powoduje zakłóceń w komunikacji wąskopasmowej odbywającej się w tym samym zakresie częstotliwości. W wielu przypadkach sygnał rozproszony ginie wśród pozostałych odbieranych szumów i zakłóceń. Sygnał taki (i sam fakt jego transmisji) jest więc bardzo łatwy do ukrycia przed użytkownikami odbiorników wąskopasmowych.
    Sygnał rozproszony mieszany jest w odbiorniku (również w mieszaczu zrównoważonym) z identycznym i zsynchronizowanym sygnałem pseudolosowym w celu odzyskania sygnału wąskopasmowego, który jest następnie demodulowany. Jak łatwo zauważyć, sygnały wąskopasmowe (nierozproszone) ulegają rozproszeniu w odbiorniku, tak że w paśmie przenoszenia znajduje się znikoma część ich energii. Po rozproszeniu sygnały te mają także charakter szumu i wpływają jedynie na pogorszenie stosunku sygnału do szumu na wejściu detektora. Jest to fizycznym wyjaśnieniem odporności systemu na znacznie silniejsze zakłócenia. Sygnały rozproszone za pomocą innych lub niezsynchronizowanych ciągów pseudolosowych także zostaną rozproszone. W tym przypadku w torze przenoszenia odbiornika znajdzie się jeszcze mniejsza część ich energii aniżeli w przypadku sygnałów wąskopasmowych. Jak stąd wynika, strona odbiorcza musi posiadać pewne podstawowe informacje co do sygnału nadawanego w celu prawidłowego odebrania go (musi być do tego upoważniona). Informacjami tymi są: dokładna znajomośc stosowanego ciągu pseudolosowego, moment początkowy ciągu, jego takt zegarowy oraz częstotliwość nośna stacji nadawczej. Przez zastosowanie różnych ciągów (w razie potrzeby mogą one zawierać też dodatkowe kody) możliwe jest zastosowanie wywołania selektywnego (CDMA) lub multipleksu czasowego (TCDMA). W danym podzakresie częstotliwości może pracować więc większa liczba stacji z rozpraszaniem widma, wzajemnie sobie nie przeszkadzając. Wzrost liczby stacji powoduje jedynie odpowiedni wzrost poziomu szumów. W zależności od dopuszczalnego poziomu szumów liczba stacji może nawet przekraczać liczbę stacji wąskopasmowych, które mogłyby pracować w danym podzakresie. Efektywnośc wykorzystania pasma może być więc większa niż w przypadku stosowania systemów wąskopasmowych. Schemat blokowy toru transmisyjnego z kluczowaniem fazy przedstawiam na rysunku 8.2. Wadą systemu z kluczowaniem fazy jest stosunkowo mała odporność na silne sygnały pochodzące od znajdujących się w pobliżu nadajników. Jest to spowodowane między innymi stosunkowo znaczną szerokopasmowością wejścia odbiornika (w literaturze angielskojęzycznej stosowany jest termin "near-far" - czyli problem stacji bliskich i dalekich - dla skrótowego oznaczenia tego problemu).
    Sygnał kluczowany dwufazowo może być poddawany powielaniu częstotliwości w stosunku nieparzystym. Parzyste stosunki powielania powodują eliminację modulacji fazy, np. podwojenie częstotliwości powoduje podwojenie skoku fazy ze 180 na 360 stp. co jest równoznaczne z usunięciem modulacji. Sygnały te mogą być poddawane mieszaniu z dowolnymi innymi sygnałami i wzmacniane.

    [rys. 8_02]

    Dla zwiększenia niezawodności transmisji cyfrowych wskazane jest zastosowanie kodów zabezpieczających (przykładowo samokorygujący kod Reed-Salomona, patrz system CLOVER), przeplatania bitów (patrz modem G3RUH) i odpowiednich protokólow transmisji (np. protokółu AX.25). Reasumując można stwierdzić, że podstawowymi zaletami systemu z kluczowaniem fazy są:
- łatwość generacji sygnału i prostota nadajników,
- osiągana odporność na sygnały zakłócające od 20 do 30 dB,
- możliwość selektywnego adresowania stacji za pomocą kodu rozpraszającego (ang. Code Division Multiple Access, w skrócie CDMA, lub Spread Spectrum Multiple Access, w skrócie SSMA),
- odporność na zakłócenia o nieznanym charakterze,
- trudność wykrycia sygnału dzięki jego małej gęstości widmowej,
- możliwość koherentnej demodulacji sygnału wąskopasmowego (np. użycia modulacji BPSK lub QPSK w torze informacyjnym),
- możliwość zastosowania systemu do pomiarów odległości.
Do wad systemu z kluczowaniem fazy należy:
- mniejsza niż w innych systemach odporność na silne sygnały bliskich nadajników (ang. problem near-far),
- trudniesza niż w innych systemach synchronizacja kodu w odbiorniku, jest to związane z większą częstotliwością zegarową,
- osiągany zysk przetwarzania jest mniejszy niż w systemie z kluczowaniem częstotliwości ze względu na ograniczoną szybkość działania układów cyfrowych (w praktyce stosowane częstotliwości zegarowe rzadko przekraczają 100 MHz).

8.2.2. SYSTEM Z KLUCZOWANIEM CZĘSTOTLIWOŚCI

    Druga z metod rozpraszania widma sygnału polega na odpowiednio szybkim przełączaniu częstotliwości nośnej nadajnika. Częstotliwość nośna może w najprostszym przypadku przyjmować wartości odpowiadające kolejnym kanałom danego podzakresu. Najczęściej przełączanie to dokonywane jest za pomocą pseudolosowego ciągu liczb, podobnie jak w przypadku poprzednim. Podobnie również oscylator odbiornika sterowany jest za pomocą identycznego i zsynchronizowanego ciągu. Po obu stronach muszą być stosowane syntezery częstotliwości. Maksymalna częstotliwość kluczowania ograniczona jest szybkością przełączania syntezera. Ze względu na dłuższe czasy synchronizacji syntezery oparte o pętlę synchronizacji fazy są mniej korzystne niż układy z bezpośrednią syntezą. W doświadczeniach krótkofalowców amerykańskich stosowane były radiostacje wyposażone w syntezery PLL, a uzyskane wyniki były wystarczające do celów amatorskich. W systemie kluczowania częstotliwości zysk przetwarzania odpowiada liczbie stosowanych kanałów. Dla uzyskania zysku przetwarzania ok. 40 dB konieczne byłoby użycie 10000 kanałów. Fizycznie zysk przetwarzania spowodowany jest tym, że zakłócony kanał wykorzystywany jest jedynie przez odcinek czasu równy 1/N (N - liczba kanałów). Dla zmniejszenia stopy błędów w transmisjach cyfrowych czas pracy w każdym z kanałów musi być kilkakrotnie krótszy od czasu trwania bitu. Np. dla czasu pracy w kanale równym długości bitu i 10000 kanałów stopa błędów wynosiłaby 10^-4. Natomiast przy trzykrotnie większej szybkości przełączania stopa błędów spadłaby do ok. 3 * 10^-8. Tor transmisyjny z kluczowaniem częstotliwości przedstawia rysunek 8.3.

    [rys. 8_03]

    Zaletami systemu z kluczowaniem częstotliwości są:
- łatwość uzyskania znacznego zysku przetwarzania dzięki użyciu szerokich zakresów częstotliwości, w praktyce osiągane są zyski znacznie przekraczające możliwości systemów z kluczowaniem fazy,
- znaczna odporność na wpływ bliskich nadajników dzięki stosunkowej wąskopasmowości wejścia odbiornika,
- prostota układów synchronizacji związana z niższą częstotliwością zegarową,
- niskie wzajemne zakłócenia związane z pracą systemów wąskopasmowych w tym samym zakresie częstotliwości.
- osiągana odporność na sygnały zakłócające od 30 do 40 dB,
- możliwość podziału pasma na podzakresy w celu wyeliminowania najbardziej dokuczliwych źródeł zakłóceń,
- duża odporność na zakłócenia o nieznanym charakterze,
Do najważniejszych wad należą:
- komplikacja układu syntezera częstotliwości,
- niemożliwość zastosowania demodulacji koherentnej w odbiorniku, jest to związane z trudnością zapewnienia ciągłości fazy kluczowanego syntezera, a także z różnicami tras (co za tym idzie i czasów) propagacji sygnału radiowego o różnych częstotliwościach,
- większe prawdopodobieństwo wykrycia stacji dzięki stosunkowo dużym amplitudom sygnału w chwilowo używanym kanale,
- w transmisjach cyfrowych konieczność synchronizacji sygnałów zegarowych kodu rozpraszającego i danych, co oznacza dodatkową komplikację układu.

8.2.3. POZOSTAŁE SYSTEMY

    Często stosowana jest też kombinacja obu przedstawionych wyżej systemów. Wypadkowy zysk przetwarzania równy jest iloczynowi zysków każdej z metod. Pozwala to na osiągnięcie zysków przetwarzania przekraczających wartości graniczne dla poszczególnych systemów lub osiągnięcie założonych wartości przy mniejszych kosztach niż to ma miejsce w systemach pojedyńczych.
    Oprócz tego stosowana bywa czasami metoda czasowego przerywania nadawania i włączania nadajnika w wybranych losowo monentach czasu (ang. time hopping, skrót TH), ale tylko w połączeniu z jedną z wymienionych powyżej metod.
Do najważniejszych zalet systemu z kluczowaniem czasowym należą:
- efektywność wykorzystania pasma,
- układy prostsze niż w systemach z kluczowaniem częstotliwości,
- odporność na wpływ bliskich nadajników,
- dobre wykorzystanie nadajnika o niskiej mocy średniej.
Wadami są:
- stosunkowo długi czas synchronizacji,
- konieczność zabezpieczenia sygnału nadawanego za pomocą kodów korekcyjnych lub innych równoważnych metod.
    Dla uproszczenia w punktach 2.1 - 2.3 pominięto dokładniejszą analizę charakteru zakłóceń i ich wpływu na właściwości poszczególnych systemów. Analiza ta obejmująca wpływ zakłóceń szumowych, jedno- i wieloczęstotliwościowych nośnych o stałej amplitudzie i stacji zakłócających retransmitujących rozmyślnie zniekształcony sygnał rozproszony przekraczałaby ramy niniejszej publikacji.

Wydanie z dn. 20.03.1999.

© Prawa autorskie Krzysztof Dąbrowski, OE1KDA.