Где используются генераторы псевдослучайных последовательностей в технике. Как работают системы связи с расширенным спектром. Какие преимущества дает применение CDMA в сотовых сетях. Почему GPS использует псевдослучайные коды.
Принцип работы генераторов псевдослучайных последовательностей
Генераторы псевдослучайных последовательностей (ПСП) являются важным элементом многих современных систем связи. Как же работают такие генераторы?
В основе генератора ПСП обычно лежит регистр сдвига с линейной обратной связью. Он состоит из последовательно соединенных триггеров и логических элементов, реализующих обратную связь. При каждом тактовом импульсе содержимое регистра сдвигается, а в освободившийся разряд записывается новое значение, полученное путем логических операций над определенными разрядами.
Ключевые особенности генераторов ПСП:
- Вырабатываемая последовательность является детерминированной, то есть полностью повторяемой
- Последовательность имеет свойства случайной — равномерное распределение символов, хорошие корреляционные свойства
- Период последовательности может быть очень большим (например, 2^31-1 для 31-разрядного регистра)
- Генерация происходит по простому алгоритму
Благодаря этим свойствам генераторы ПСП нашли широкое применение в системах связи с расширенным спектром.
Применение ПСП в системах связи с расширенным спектром
Системы связи с расширенным спектром используют ПСП для расширения спектра передаваемого сигнала. Как это работает?
Информационный сигнал умножается на псевдослучайную последовательность с более высокой скоростью передачи элементов (чипов). В результате спектр сигнала расширяется в W раз, где W — отношение скорости передачи чипов к скорости передачи информации.
Основные преимущества расширения спектра:
- Повышение помехоустойчивости
- Возможность работы при низком отношении сигнал/шум
- Скрытность передачи
- Устойчивость к узкополосным помехам
- Возможность организации множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA)
Именно поэтому системы с расширенным спектром широко применяются в современных системах радиосвязи.
Использование CDMA в сотовых системах связи
Технология множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA) активно применяется в современных сотовых сетях. В чем ее особенности?
В CDMA каждому абоненту выделяется уникальная псевдослучайная последовательность. Передача ведется одновременно многими абонентами в общей полосе частот. На приемной стороне выделение сигнала конкретного абонента происходит за счет корреляционной обработки с известной ПСП.
Ключевые преимущества CDMA в сотовой связи:
- Эффективное использование частотного ресурса
- Высокая емкость системы
- Хорошая помехозащищенность
- Низкий уровень внутрисистемных помех
- Плавная регулировка мощности передатчиков
- Надежная работа в условиях многолучевого распространения
Благодаря этим преимуществам технология CDMA получила широкое распространение в сетях 3G и продолжает использоваться в современных сотовых системах.
Применение ПСП в спутниковых навигационных системах
Генераторы псевдослучайных последовательностей являются важным элементом глобальных навигационных спутниковых систем, таких как GPS. Зачем они нужны в GPS?
В системе GPS каждый спутник передает уникальный псевдослучайный дальномерный код. Это позволяет решить сразу несколько задач:
- Разделение сигналов разных спутников
- Точное измерение времени распространения сигнала
- Передача навигационного сообщения
- Повышение помехоустойчивости
Приемник GPS коррелирует принятый сигнал с копиями кодов всех видимых спутников. За счет свойств ПСП удается выделить сигналы отдельных спутников даже при очень низком отношении сигнал/шум.
Таким образом, применение псевдослучайных последовательностей позволяет обеспечить высокую точность и надежность работы спутниковых навигационных систем.
Генерация псевдослучайных чисел в криптографии
Генераторы псевдослучайных последовательностей широко применяются в криптографии. Для каких целей они используются?
Основные области применения ПСП в криптографии:
- Генерация ключей шифрования
- Формирование одноразовых блокнотов
- Создание цифровых подписей
- Генерация случайных векторов инициализации
- Реализация протоколов аутентификации
Для криптографических приложений используются специальные генераторы ПСП, обладающие повышенной криптостойкостью. К ним предъявляются жесткие требования по статистическим и криптографическим свойствам генерируемых последовательностей.
Надежные генераторы псевдослучайных чисел являются важнейшим элементом современных криптосистем, обеспечивающим их безопасность.
Применение ПСП в радиолокации
Генераторы псевдослучайных последовательностей нашли применение и в радиолокационных системах. Как они используются в радиолокации?
Основные направления применения ПСП в радиолокации:
- Формирование сложных зондирующих сигналов
- Сжатие импульсов для повышения разрешающей способности
- Снижение вероятности перехвата сигнала
- Повышение помехозащищенности
- Многоканальное зондирование
Использование псевдослучайных последовательностей позволяет улучшить характеристики радиолокационных станций по дальности, разрешающей способности и помехоустойчивости. Особенно эффективно применение ПСП в импульсно-доплеровских РЛС.
Таким образом, генераторы псевдослучайных последовательностей играют важную роль в повышении эффективности современных радиолокационных систем.
Использование ПСП в системах радиоэлектронного противодействия
Генераторы псевдослучайных последовательностей активно применяются в системах радиоэлектронного противодействия (РЭП). Какие задачи они решают?
Основные области применения ПСП в системах РЭП:
- Формирование шумоподобных помех
- Имитация ложных целей
- Маскировка собственных сигналов
- Создание ложных информационных структур
- Скрытая передача команд управления
Использование псевдослучайных последовательностей позволяет создавать сложные помеховые сигналы, эффективно подавляющие системы связи и радиолокации противника. При этом обеспечивается высокая скрытность работы средств РЭП.
Таким образом, генераторы ПСП являются важным элементом современных комплексов радиоэлектронной борьбы, повышающим их эффективность.
НОУ ИНТУИТ | Лекция | Регистры
< Дополнительный материал || Лекция 8: 1234567
Аннотация: В лекции рассказывается о параллельных регистрах и регистрах сдвига, об алгоритмах их работы, параметрах, типовых схемах включения, а также о реализации на их основе некоторых часто встречающихся функций.
Ключевые слова: Register, ПО, параллельный регистр, сдвиговый регистр, выход, триггер, входной, тактовый сигнал, очередь, управляющий сигнал, положительный фронт сигнала, бит, регистр, память, инверсный выход, байт, таблица истинности, диаграмма, значение, операции, запись, сумматор, конвейерная обработка, быстродействие, комбинационная схема, накапливающий сумматор, функция, переполнение, схема без возобновления, цикл работы, вес, экстремум, инвертор, единица, максимум, компаратор кодов, минимум, latch, буфер, входная информация, отрицательный фронт сигнала, информация, повторитель, фронт сигнала, передний фронт сигнала, вложенные циклы, регистр-защелка, связь, shift register, регистр сдвига, прямой, параллельная запись, объединение, SL, загрузка, шина данных, разрядность, цифровая информация, целое число, управляемый код, мультиплексор, погрешность, генератор, фирма
На схемах регистры обозначаются буквами RG. В отечественных сериях микросхем регистрам соответствуют буквы ИР. Все регистры делятся на две большие группы (рис. 8.1):
- Параллельные регистры;
- Регистры сдвига (или сдвиговые регистры).
Существуют регистры и других типов, но они применяются гораздо реже, чем параллельные и сдвиговые, так как имеют узкоспециальное назначение.
В параллельных регистрах (а) каждый из триггеров имеет свой независимый информационный вход (D) и свой независимый
информационный выход.
Тактовые входы (С) всех триггеров соединены между собой. В результате параллельный регистр
представляет собой многоразрядный, многовходовый триггер.
Рис. 8.1. Структура параллельного регистра (а)и сдвигового регистра (б)
В сдвиговых регистрах (б) все триггеры соединены в последовательную цепочку (выход каждого предыдущего триггера соединен со входом D следующего триггера). Тактовые входы всех триггеров (С) объединены между собой. В результате такой триггер может рассматриваться как линия задержки, входной сигнал которой последовательно перезаписывается из триггера в триггер по фронту тактового сигнала С. Информационные входы и выходы триггеров могут быть выведены наружу, а могут и не выводиться — в зависимости от функции, выполняемой регистром.
Параллельные регистры, в свою очередь, делятся на две группы:
- Регистры, срабатывающие по уровню управляющего сигнала С (или стробируемые регистры).
intuit.ru/2010/edi»>Регистры, срабатывающие по фронту управляющего сигнала С (или тактируемые регистры).Чаще всего в цифровых схемах используются регистры, управляемые фронтом (то есть тактируемые), однако и стробируемые регистры имеют свой круг задач, в которых их ничто не может заменить.
Регистры, срабатывающие по фронту
Принцип действия регистров, срабатывающих по фронту тактового сигнала, ничем не отличается от принципа действия D-триггера. По положительному фронту тактового сигнала С каждый из выходов регистра устанавливается в тот уровень, который был в этот момент на соответствующем данному выходу входе D, и сохраняется таковым до прихода следующего положительного фронта сигнала С. То есть если триггер запоминает один сигнал (один двоичный разряд, один бит), то регистр запоминает сразу несколько (4, 6, 8, 16) сигналов (несколько разрядов, битов).
Память регистра сохраняется
до момента выключения питания схемы.Рис. 8.2. Параллельные регистры стандартных серий, срабатывающие по фронту
Большинство регистров имеют восемь разрядов, то есть запоминают один байт информации. Регистр ТМ8 в справочниках
обычно называется счетверенным D-триггером (он и в наименовании несет буквы ТМ), хотя он вполне может рассматриваться и
как регистр, так как тактовый вход С и вход сброса –R у всех четырех триггеров объединены между собой.
Таблицы истинности регистров очень просты и не отличаются принципиально от таблицы истинности D-триггеров. Отличие от триггеров появляется только в случае наличия у регистра дополнительных управляющих входов разрешения записи –WE и разрешения выхода –EZ. В качестве примеров в табл. 8.1 приведена таблица истинности регистра ИР27, а в табл. 8.2 — регистра ИР37. По переходу тактового сигнала С из 0 в 1 (положительный фронт) оба регистра записывают в себя входную информацию.
| Входы | Выходы | |||
|---|---|---|---|---|
| -WE | C | D | Q | |
| 0 | 0 1 | 0 | 0 | |
| 0 | 0 1 | 1 | 1 | |
| 0 | 0 | X | Не меняется | |
| 0 | 1 | Х | Не меняется | |
| 1 | Х | Х | Не меняется | |
| Входы | Выходы | |||
|---|---|---|---|---|
| -EZ | C | D | Q | |
| 0 | 0 1 | 0 | 0 | |
| 0 | 0 1 | 1 | 1 | |
| 0 | 0 | X | Не меняется | |
| 0 | 1 | Х | Не меняется | |
| 1 | Х | Х | Z | |
2.
Таблица истинности регистра ИР37
intuit.ru/2010/edi»>Все регистры, имеющие выход с тремя состояниями, обеспечивают повышенную нагрузочную способность. Задержка
переключения регистров примерно соответствует задержке переключения триггеров. Все временные ограничения, накладываемые
на входные сигналы в случае триггеров, справедливы и для входных сигналов регистров. Например, не
должна быть слишком малой длительность сигнала С, а также не должна быть слишком малой задержка между установлением
сигнала D и приходом положительного фронта сигнала С. Иначе работа регистра может быть нестабильной или даже неправильной.Одно из основных применений регистров состоит в хранении требуемого кода в течение нужного времени. Если для работы остальной части схемы необходимо иметь входной код, который можно легко изменять, то для этого как раз подходит регистр.
Дальше >>
< Дополнительный материал || Лекция 8: 1234567
30.4 Регистр сдвига
Регистр
сдвига – это регистр с последовательным
приёмом и последовательной выдачей
информации.
Данный регистр имеет один
информационный вход и один выход. Все
операции в данном регистре осуществляются
по сигналу стробирования на входе С (то есть регистр сдвига синхронный).
Регистр сдвига, как правило, имеет
разрядность, кратную 8. Входом регистра
сдвига является вход первого разряда,
выходом – выход последнего разряда.
Таким образом, состояние выхода регистра
сдвига отображает состояние входа,
бывшее за n (n – разрядность регистра) тактов сигнала
стробирования С до текущего момента времени.
Основное назначение данного регистра – регистр задержки. Информация со входа появляется на выходе с временной задержкой на n периодов сигнала стробирования. Внутренняя структурная схема регистра сдвига приведена на рисунке 30.5, а, УГО на рисунке 30.5, б, временные диаграммы, иллюстрирующие работу регистра сдвига, – на рисунке 30.6.
а) б)
а – внутренняя структурная схема; б – УГО регистра сдвига
Рисунок
30.
5 – Регистр сдвига
Рисунок 30.6 – Временные диаграммы работы регистра
Регистр сдвига строится на основе последовательно включенных D-триггеров (выход предыдущего разряда соединяется со входом D следующего разряда). Входы С всех регистров объединяются.
Одно из интересных применений сдвигового регистра – это генератор случайной последовательности сигналов или случайной последовательности кодов. Строго говоря, последовательности будут не полностью случайные, а квазислучайные, то есть будут периодически повторяться, но период этот довольно большой. Случайные последовательности сигналов и кодов широко применяются в тестирующей аппаратуре, в генераторах шума, в логических игровых устройствах.
Задача
состоит в том, чтобы выходной сигнал
или код менял свое состояние случайно
(или почти случайно). Сигнал должен
случайно переключаться из 0 в 1 и из 1 в
0, а код должен случайно принимать
значения из диапазона от 0 до (2N–1),
где N – число разрядов кода (например, от 0 до
255 при 8-разрядном коде).
Псевдослучайные
последовательности имеют то преимущество
перед истинно случайными, что они –
предсказуемые и периодические, но в
этом же и их недостаток.
Структура генератора квазислучайной последовательности на сдвиговом регистре очень проста (рисунок 30.7).
Рисунок 30.7 – Структура генератора псевдослучайной
последовательности
Она представляет собой регистр сдвига с параллельными выходами, несколько (минимум два) выходных сигналов которого объединены с помощью элемента Исключающее ИЛИ, с выхода которого сигнал подается на вход регистра, замыкая схему в кольцо. Схема тактируется сигналом с частотой fT.
Выбор
номеров разрядов для подключения
обратной связи представляет собой
непростую задачу, но существуют справочные
таблицы, в которых они приведены. В любом
случае одна из точек подключения –
выход старшего разряда. В таблице 30.2
приведены точки подключения обратной
связи для регистров сдвига с разным
количеством разрядов N (номера разрядов
считаются от нуля).
Из таблицы видно, что выгоднее брать число разрядов, не кратное 8, например, 7, 15 или 31. В этом случае для обратной связи используются всего лишь два выхода, то есть достаточно одного двухвходового элемента Исключающее ИЛИ. Период выходной последовательности генератора составляет (2N–1) тактов, где N – количество разрядов регистра сдвига. За это время каждое из возможных значений выходного кода (кроме одного) встречается один раз. Количество единиц в выходном сигнале больше количества нулей на единицу.
Таблица 30.2 – Точки подключения обратной связи
Разрядность | 7 | 8 | 15 | 16 | 24 | 31 |
Выходы | 6, 5 | 7, 6, 4, 2 | 14, 13 | 15, 13, 12, 10 | 23, 22, 21, 16 | 30, 17 |
Выходной
код 000…0 представляет собой запрещенное
состояние, так как он блокирует работу
генератора, воспроизводя сам себя снова
и снова.
Но в то же время получиться
такой нулевой код может только сам из
себя, поэтому достаточно обеспечить,
чтобы его не было при включении питания
схемы.
Частоты в спектре выходного сигнала будут следовать с интервалом (fT/2N–1), а огибающая спектра будет практически постоянной до частоты 0,25fT, то есть шум до этой частоты можно считать белым (спад в 3 дБ происходит на частоте 0,45 fT).
На рисунке 30.8 показана практическая схема генератора псевдослучайной последовательности на 31-разрядном сдвиговом регистре. Обратная связь осуществляется с выходов 30 и 17 регистра через двухвходовой элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с инвертором.
Рисунок 30.8 – 31-разрядный генератор псевдослучайной
последовательности на регистрах сдвига
Из-за
применения инвертора запрещенным
состоянием генератора является код
1111.
..1 (а не код 000…0), который в данном
случае исключается очень просто –
начальным сбросом регистров в нуль при
включении питания по сигналу Сброс.
Генератор выдает квазислучайную
последовательность 31-разрядных кодов
со всех выходов регистра, а также
квазислучайную последовательность
нулей и единиц на любом из выходов
регистра. Такой генератор использовала
известная фирма Hewlett–Packard в своем
генераторе шума.
Расширенный спектр, CDMA и GPS
Расширенный спектр, CDMA и GPSРасширенный спектр, CDMA и GPS
Для радиосистем существует два ресурса: частота и время. Разделение по частоте, так что каждой паре коммуникаторов постоянно выделяется часть спектра, приводит к множественному доступу с частотным разделением.
(ФДМА). Разделение по времени, так что каждой паре коммуникаторов выделяется весь (или, по крайней мере, большая часть) спектра на часть времени, приводит к множественному доступу с временным разделением.
(МДМА). В множественном доступе с кодовым разделением каналов (CDMA) каждому коммуникатору постоянно выделяется весь спектр.
Несколько одновременных передач разделяются с помощью теории кодирования. CDMA также
ослабляет предположение, что конфликтующие кадры полностью искажены. Вместо этого это
предполагает, что несколько сигналов складываются линейно. Ключом к CDMA является возможность
извлеките желаемый сигнал, отбрасывая все остальное как случайное
шум.
В CDMA каждый бит времени делится на м коротких интервалов. называется чипов . Обычно на бит приходится 64 или 128 чипов. Каждая станция назначается уникальная последовательность м -битных элементарных посылок. Чтобы передать 1 бит, станция посылает свою последовательность чипов. Чтобы передать бит 0, он отправляет дополнение его последовательности чипов. Никакие другие узоры не допускаются. Таким образом, для м = 8, если станции А назначена последовательность чипов 00011011, она посылает 1 бит отправив 00011011 и 0 бит, отправив 11100100.
Увеличение объема отправляемой информации с до бит/сек.
до мб чипов/сек возможно только при увеличении доступной пропускной способности
в м раз, что делает CDMA формой связи с расширенным спектром
(при условии отсутствия изменений в методах модуляции или кодирования). В
Для защиты сигнала используется псевдослучайный код последовательности чипов. Это
выглядит случайным, но на самом деле является детерминированным, так что получатель может
восстановить код для синхронного обнаружения. Этот псевдослучайный код также
называется псевдошумом (PN).
Легче использовать биполярную нотацию, где двоичный 0 равен -1, а
двоичная 1 равна +1. Мы будем показывать последовательности чипов в круглых скобках, поэтому 1 бит для
станция A теперь становится (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1). Каждая станция имеет свой чип
последовательность. Давайте воспользуемся символом S , чтобы указать m-чиповый вектор для
станции S и ~S для ее отрицания. Все последовательности чипов являются попарными.
ортогонален, под которым мы подразумеваем, что нормализованный скалярный продукт любых двух
различные последовательности чипов, S и T (записывается как S*T ,
произносится S точка T) равно 0.
В математических терминах
S*T = 1/m [Сумма по всем i от 1 до m, S i *T i ] = 0
Это свойство ортогональности имеет решающее значение. Обратите внимание, что если S*T = 0, то S*(~T) также равно 0. Нормализованный скалярный продукт с любой микросхемой последовательность сама с собой равна 1. Это связано с тем, что каждое m членов во внутреннем произведение равно 1, поэтому сумма равна m. Также обратите внимание, что С*(~С) равно -1.
В течение каждого битового времени станция может передавать 1, отправляя свой чип
последовательность, он может передать 0, отправив обратную последовательность своих чипов, или он
может молчать и ничего не передавать. На данный момент мы предполагаем, что все станции
синхронизированы по времени, поэтому все последовательности чипов начинаются в один и тот же момент. Когда
две или более станций передают одновременно, их биполярные сигналы добавляются
линейно.
Например, если за период одного элементарного сигнала три станции передают +1, а одна
станция передает -1, тогда результат +2.
| А: 00011011 Б: 00101110 С; 01011100 Д: 01000010 | А: (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1) Б: (-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1) С: (-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1) Д: (-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1) | ||
| 1 0 1 _ | А+ ~В + С | S1 = (-1 +1 -3 +3 +1 -1 -1 +1) | |
| 1 1 1 1 | А+В+С+D | S2 = (-4 0 -2 0 +2 0 +2 -2) | |
| S1 * B = (-1 +1 -3 +3 +1 -1 -1 +1) * (-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1) = (+1 -1 -3 -3 +1 -1 -1 -1) = -8, т.е. нормализовано равно -1, т.е. выход B = 0 | |||
S2 * B = (-4 0 -2 0 +2 0 +2 -2) *
(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1) = (+4 0 -2 0 +2 0 +2 +2) = +8, т. е.
+1 т.е. выход B = 1 | |||
Первая строка показывает последовательность чипов назначения на четыре станции. Вторая и третья строки показывают разные передачи. Четвертая и пятая строки демонстрируют, как получить сигнал конкретной станции из принятого сигнала.
WCDMA использует распространение прямой последовательности, где выполняется процесс расширения. путем прямого объединения информации основной полосы частот в двоичный код с высокой скоростью передачи элементарных посылок. Коэффициент расширения — это отношение количества элементарных посылок (UMTS = 3,84 мегапикселей/с) к основной полосе частот. информационная скорость. Коэффициенты расширения варьируются от 4 до 512 в FDD UMTS.
CDMA — это расширение прямой последовательности
Спектральная система. Система CDMA работает непосредственно с цифровыми сигналами со скоростью 64 кбит/с.
Упрощенная система расширения спектра прямой последовательности показана на
следующую схему.
Сигнал коробка передач состоит из следующих шагов:
1. Псевдослучайный код генерируются, разные для каждого канала и каждого последующего соединения.
2. Информационные данные модулирует псевдослучайный код (Информационные данные распространяются). Чип вектор для 1, обратный ему для 0.
3. Результирующий сигнал модулирует несущую.
4. Модулированная несущая усиливается и транслируется.
Сигнал прием состоит из следующих шагов:
1. Перевозчик получен и усиленный.
2. Принятый сигнал смешивается с местной несущей для восстановления расширенного цифрового сигнала.
3. Псевдослучайный код сгенерированный, соответствующий ожидаемому сигналу.
4. Получатель получает
полученный код, и фаза привязывает к нему свой собственный код.
5. Принятый сигнал коррелирует с сгенерированным кодом, извлекая информационные данные.
Чтобы восстановить битовый поток отдельной станции, приемник должен знать последовательность микросхем этой станции заранее. Он выполняет восстановление, вычисляя нормализованное внутреннее произведение полученной последовательности элементарных посылок и последовательности элементарных частиц станция, поток битов которой она пытается восстановить. Причина в том,
S1*C = (A+ ~B + C) * C = A*B + ~B*C + C*C = 0 + 0 + 1 = 1
В идеальной бесшумной системе CDMA пропускная способность (число станций) может
сделать сколь угодно большим. На практике физические ограничения снижают пропускную способность
значительно. Во-первых, мы предположили, что все чипы синхронизированы в
время. В реальности сделать это невозможно. Что можно сделать, так это то, что отправитель и
получатель синхронизируется за счет того, что отправитель передает достаточно длинный известный чип
последовательность, которую приемник может зафиксировать.
Все остальные (несинхронизированные)
передачи воспринимаются как случайный шум. Чем длиннее последовательность чипов, тем выше
– вероятность обнаружения при наличии шума. Для дополнительной безопасности немного
последовательности могут использовать коды исправления ошибок. Последовательности чипов никогда не используют ошибку
исправление кодов.
Генерирующий чип Последовательности или псевдослучайные коды
Для каждого канала базовая станция генерирует уникальный код, который меняется при каждом соединении. псевдослучайный код должен иметь следующие свойства:
1. Он должен быть детерминированным. Абонентская станция должна иметь возможность самостоятельно генерировать код, который соответствует коду базовой станции.
2. Оно должно казаться случайным слушатель без предварительного знания кода (т. е. он имеет статистическую свойства дискретизированного белого шума).
3.
Взаимная корреляция
между любыми двумя кодами должно быть мало (см. ниже дополнительную информацию о коде
корреляция).
4. Код должен иметь длинный период (т.е. долгое время до повторения кода).
Корреляция кода
В этом контексте корреляция имеет определенный математический смысл. В целом корреляция функция имеет следующие свойства:
- Он равен 1, если два кода идентичный
- Он равен 0 из двух кодов ничего общего
Промежуточные значения указать, как много общего в кодах. Чем больше у них общего, тем приемнику труднее извлечь соответствующий сигнал.
Есть два корреляционные функции:
- Взаимная корреляция: Корреляция два разных кода. Как мы уже говорили, это должно быть как можно меньше.
- Автокорреляция: Корреляция
код с задержанной во времени версией самого себя. Чтобы отказаться от многопутевого
помех, эта функция должна быть равна 0 для любой временной задержки, кроме
нуль.
Приемник использует взаимная корреляция для отделения соответствующего сигнала от сигналов, предназначенных для другие приемники и автокорреляция для подавления многолучевых помех.
Некоторая терминология связанные с псевдослучайным кодом:
- Частота выкрашивания (f c ): скорость передачи PN-кода.
- Скорость передачи информации (f i ): битрейт цифровых данных.
- Эпоха: Продолжительность времени до
код начинает повторяться (период кода). Эпоха должна быть
больше, чем задержка распространения туда и обратно (эпоха порядка
несколько секунд).
Передача данных
Результирующий закодированный
Затем сигнал модулирует РЧ-несущую для передачи с использованием квадратурной фазы.
Шифт-ключ (QPSK). QPSK использует четыре различных состояния для кодирования каждого символа.
четыре состояния представляют собой фазовые сдвиги несущей, отстоящие на 90 градусов друг от друга. По соглашению,
фазовые сдвиги составляют 45, 135, 225 и 315 градусов. Поскольку возможны четыре
состояния, используемые для кодирования двоичной информации, каждое состояние представляет два бита. Этот
двухбитовое слово называется символом.
Алгебраически, несущая волна с приложенным фазовым сдвигом Y(t), может быть выражен как сумма двух компонентов, волны косинуса и волны синусоиды, как:
I(t) называется действительная, или синфазная, составляющая данных, а Q(t) называется мнимой, или Квадратурно-фазовая составляющая данных. В итоге мы получаем две волны Binary PSK. наложенный. Их легче модулировать, а затем демодулировать.
Это не только
алгебраическое тождество, но и составляет основу фактического
схема модуляции/демодуляции. Передатчик генерирует две несущие волны
та же частота, синус и косинус.
I(t) и Q(t) являются бинарными, модулирующими каждый
компонента путем фазового сдвига на 0 или 180 градусов. Оба компонента затем
суммированы вместе. Поскольку I(t) и Q(t) являются бинарными, их следует называть просто
Я и Q.
Ресивер генерирует две опорные волны и демодулирует каждую составляющую. Легче для обнаружения фазовых сдвигов на 180 градусов, чем 9фазовый сдвиг 0 градусов. Следующая таблица резюмирует эту схему модуляции. Обратите внимание, что I и Q нормализованы до 1,
.Символ | я | В | Фазовый сдвиг |
00 | +1 | +1 | 45 |
01 | +1 | -1 | 315 |
10 | -1 | +1 | 135 |
11 | -1 | -1 | 225 |
Для
Цифровая обработка сигналов, двухбитные символы считаются сложными
числа, I +jQ.
Работа с Комплекс данных
По порядку чтобы в полной мере использовать эффективность цифровой обработки сигналов, преобразование Преобразование информационных данных в сложные символы происходит до модуляции. система генерирует сложные PN-коды, состоящие из двух независимых компонентов, PNi +jPNq. Для распространения информационных данных система выполняет сложное умножение между комплексными кодами PN и комплексными данными.
Суммирование многих Каналы вместе
Многие каналы складываются вместе и передаются одновременно. Это дополнение происходит в цифровом виде со скоростью чипа.
В Частота стружки
- Информационные данные преобразуются к двухбитным символам.
- Первый бит символа помещается в поток данных I, второй бит помещается в поток данных Q.
- Комплексный код PN
сгенерировано. Сложный код PN состоит из двух независимо генерируемых компонентов:
компонент I и компонент Q.
- Комплекс информационных данных и сложный код PN перемножаются.
Сложный код PN состоит из двух независимо генерируемых компонентов:
компонент I и компонент Q.Для каждого компонент (I или Q):
- Каждая микросхема представлена 8-битное слово. Однако, поскольку одна микросхема представляет собой либо единицу, либо ноль, 8-битный слово равно 1 или -1.
- При добавлении большого количества каналов вместе, 8-битное слово, как сумма всех чипов, может принимать значения от -128 до +128.
- Затем идет 8-битное слово. через цифро-аналоговый преобразователь, в результате чего аналоговый уровень пропорциональна значению 8-битного слова.
- Затем это значение модулирует амплитуда несущей (составляющая I модулирует косинус, Q компонент модулирует синус)
- Модулированные несущие добавлены вместе.
Так как я и Q больше не ограничиваются 1 или -1, фазовый сдвиг составной несущей не ограничивается четырьмя состояниями, фаза и амплитуда изменяются как
А 2 = I 2 + Q 2
Тан((Д) = Q/I
У символа Ставка
Так как PN-код
обладает статистическими свойствами случайного шума, его среднее значение равно нулю в течение длительного времени.
периоды времени (например, период символа). Следовательно, флуктуации I и Q,
и, следовательно, фазовая модуляция несущей, которая происходит на частоте чипа,
среднего до нуля. В течение символьного периода модуляция усредняется до одного из
четыре состояния QPSK, которые определяют, что такое символ.
Только символ видит QPSK и подчиняется всем статистическим свойствам передачи QPSK, включая коэффициент битовых ошибок.
Получение данных
Ресивер выполняет следующие шаги для извлечения информации:
- Демодуляция
- Получение кода и блокировка
- Связь кода с сигналом
- Декодирование информационных данных
Демодуляция
Ресивер
генерирует две опорные волны, косинусоидальную и синусоидальную. Раздельное смешивание
каждый с принятой несущей, приемник извлекает I(t) и Q(t). Аналог
Цифровые преобразователи восстанавливают 8-битные слова, представляющие микросхемы I и Q.
Получение кода и блокировка
Ресивер, как описанный ранее, генерирует свой собственный сложный код PN, который соответствует коду генерируется передатчиком. Однако местный код должен быть синхронизирован по фазе, чтобы закодированные данные. Базовая станция и мобильная станция имеют разные способы получения и блокировка на другом переданном коде. Каждый метод будет рассмотрен более подробности в последующих разделах.
Корреляция и данные
После ввода кода PN синхронизирован по фазе с пилот-сигналом, полученный сигнал отправляется на коррелятор, который умножает его на сложный код PN, извлекая данные I и Q, предназначенные для тот приемник. Приемник восстанавливает информационные данные из I и Q данные.
Автоматическая мощность Управление
CDMA обычно используется для беспроводных систем со стационарными базовыми станциями.
и множество мобильных станций на разном расстоянии от него.
Уровень мощности, полученный
на базовой станции зависит от того, насколько далеко находятся передатчики. Получатель
(базовая станция) может прослушивать всех отправителей одновременно, запустив декодирование
алгоритм для каждого из них параллельно.
Базовая станция получает бомбардируется сигналами многих мобильных станций. Некоторые из этих мобильных станций расположены близко, и их сигналы намного сильнее, чем мобильные станции дальше. Это приводит к ближнему/дальнему проблема, присущая связи CDMA. Производительность системы также зависит от мощность сигнала. По этим причинам и базовая станция, и мобильная станция измеряют принимаемую мощность. и отправлять сигналы для управления мощностью передачи других.
Ближняя/дальняя проблема
Потому что взаимная корреляция между двумя кодами PN точно не равна нулю, система должны преодолеть то, что мы называем проблемой «ближний/дальний».
Выход коррелятор состоит из двух компонентов:
- Автокорреляция СП код с желаемым кодированным сигналом
- Сумма
взаимная корреляция кода PN со всеми другими кодированными сигналами.
Математически, если мы пытаемся декодировать сигнал k th , мы имеем:
Где:
А и – амплитуда сигнала j th ,
r jk представляет собой взаимную корреляцию между сигналами k th и j th ,
и
С
представляет собой сумму по всем сигналам j (исключая k).
С момента взаимная корреляция мала (в идеале равна нулю), сумма взаимных корреляций члены должны быть намного меньше, чем амплитуда полезного сигнала. Однако, если полезный сигнал передается издалека, а нежелательные сигналы трансляция с гораздо более близкого расстояния, полезный сигнал может быть настолько слабым, что может быть заглушен из условий взаимной корреляции.
Обратите внимание, что
эта проблема существует только в обратном направлении. Базовая станция принимает сигналы
от многих мобильных станций на разных расстояниях, но мобильная станция принимает все сигналы от
одна базовая станция.
Базовая станция регулирует мощность каждой мобильной станции, чтобы принимаемые сигналы
со всех мобильных станций имеют одинаковую мощность.
Глобальная система позиционирования (GPS)
GPS — спутниковая радионавигационная система. Есть 24 Спутники GPS, вращающиеся вокруг Земли и передающие радиосигналы. На основе измерения количества времени, которое радиосигналы проходят от спутника к приемнику, приемники GPS рассчитывают расстояние и определяют местоположения по долготе, широте и высоте.
Спутниковые сигналы
Спутниковые передачи GPS используют распространение прямой последовательности
спектральная (DSSS) модуляция. DSSS обеспечивает структуру для передачи
дальномерный сигнал и важные навигационные данные, такие как спутниковые координаты и
здоровье. Сигнал дальности представляет собой коды псевдослучайного шума (PRN), которые двоично-фазовые.
клавишу Shift (BPSK) модулируют несущие частоты спутника.
Каждый спутник GPS передает два типа дальности PRN. коды:
Существует основная частота f 0 = 10,23 МГц. спутник передает на двух разных частотах: L 1 = 154f 0 и L 2 = 120f 0
Скорость измельчения:
Код C/A имеет период 1 мс и постоянно повторяется, в то время как спутниковая передача P-кода представляет собой 7-дневную последовательность, которая повторяется каждую полночь Суббота Воскресенье.
Существуют стандартная служба позиционирования (SPS) и точная Служба позиционирования (PPS). P-код может быть запрещен пользователям SPS, если в спутниковом автомобиле активирован код защиты от спуфинга. В этом случае P-код зашифрован и известен как Y-код. Y-код имеет ту же скорость стружки, что и P-код.
Характеристики спутникового сигнала GPS
Спутники GPS передают две несущие частоты: основную частоту L1 и
вторичная частота L2.
Спутники передают на двух частотах
одновременно, но их сигналы не сильно мешают каждому
другие из-за кодовой модуляции кода PRN. Поскольку каждому спутнику присваивается уникальный
Код PRN и все последовательности кода PRN почти не коррелированы относительно
друг к другу, спутниковые сигналы могут быть разделены и обнаружены CDMA
техника.
Для отслеживания одного спутника в общем поле зрения с несколькими другими спутников методом CDMA, приемник GPS должен воспроизводить последовательность PRN для желаемого спутника вместе с сигналом несущей реплики. Два перевозчика частоты предоставляются для того, чтобы пользователь двух частот мог измерять ионосферной задержкой, так как эта задержка связана масштабным коэффициентом с разница во времени прихода сигнала (TOA) для двух несущих частот. Пользователи одной частоты (L1) должны оценить ионосферную задержку с помощью моделирования параметры, которые транслируются пользователю в навигационном сообщении.
50 байт/сек Навигационное сообщение Данные объединяются как с C/A-кодом
и P(Y)-код перед модуляцией несущей L1.
Эта комбинация использует
XOR-процесс. Начиная с C/A-code XOR Data и P(Y)-code XOR Data синхронная работа, скорость передачи битов не может превышать скорость чипа
кодов PRN. Данные P(Y)-кода XOR модулируются квадратурно по фазе с
данные C/A-кода XOR. Поэтому фазовый сдвиг между этими двумя точками составляет 90 градусов.
комбинированные несущие частоты.
Частота L2 может быть модулирована либо P(Y)-кодом XOR Data , либо C/A-код XOR Данные или с P(Y)-кодом отдельно по выбору сегмент управления. P(Y)-код и C/A-коды никогда не присутствуют одновременно на L2, как и в случае с L1. В общем, P(Y)-код XOR Data является единственным выбирается управляющим сегментом.
Пользователь PPS имеет доступ ко всем сигналам на L1 и L2 и ко всем
точность GPS. Пользователи PPS имеют классифицированные алгоритмы и классифицирующий ключ к
удалить определенные ошибки. Однако методы дифференциальной GPS успешно
ослабил эти эффекты.
Сбор и отслеживание сигналов GPS
На каждом этапе работы система (сателлит) транслирует пилот-сигналы. Эти пилот-сигналы представляют собой немодулированные ПШ-коды. связанные с каждым каналом, используемые для синхронизации и отслеживания локально сгенерированные PN-коды для сжатия. Глобальный пилот: Трансляция РКС. Все FSU используют Global Pilot для всех принимаемых каналов.
На приемниках код PRN получается комбинацией двух кодов
генераторы. Генераторы кода — это не что иное, как регистры сдвига с линейной обратной связью.
После деривации получатель должен сдвигать фазу кода-реплики до тех пор, пока
коррелирует со спутниковым кодом PRN. Те же корреляционные свойства проявляются
при перекрестной корреляции переданного кода PRN с кодом реплики, как это происходит
для математического процесса автокорреляции для заданного кода PRN. Когда
фаза кода реплики GPS-приемника совпадает с фазой входящего
спутниковый код, корреляция максимальная.
Когда фаза кода реплики
компенсируется более чем одним чипом по обе стороны от входящего спутникового кода,
там минимальная корреляция. Это действительно способ, которым приемник GPS
обнаруживает спутниковый сигнал при захвате или отслеживании спутникового сигнала в
измерение фазы кода. Важно понимать, что GPS-приемник должен
также обнаруживать спутник в измерении фазы несущей, копируя несущую
частота (плюс допплер). Таким образом, процесс сбора и отслеживания сигнала GPS
представляет собой двумерный (код и несущий) процесс репликации сигнала.
Каталожные номера:
- Эндрю С. Таненбаум Компьютерные сети, 3-е издание. Прентис Холл.
- http://www.bee.net/mhendry/vrml/library/cdma/cdma.htm
- http://www.umtsworld.com/technology/spreading.htm
- Понимание GPS: принципы и приложения. Эллиотт Д. Каплан, редактор. Бостон: Artech House, 1996. .
Страница не найдена – Khoury College Development
В мире, где информатика (CS) везде, CS для всех.
CS пересекает все дисциплины и отрасли.
Колледж компьютерных наук Хури стремится создавать и развивать разнообразную инклюзивную среду.
Колледж Хури, первый в стране колледж информатики, основанный в 1982 году, вырос в размерах, разнообразии, программах на получение степени и превосходстве исследований.
В наших региональных кампусах, расположенных в промышленных и технологических центрах, Колледж Хури предлагает сильные академические программы в оживленных городах для жизни, работы и учебы.
Khoury College — это сообщество людей, занимающихся обучением, наставничеством, консультированием и поддержкой студентов по всем программам.
Программы награждения колледжей и университетов проливают свет на выдающихся преподавателей, студентов, выпускников и отраслевых партнеров.
Наши реальные исследования, выдающиеся преподаватели, выдающиеся докладчики, динамичные выпускники и разнообразные студенты рассказывают свои истории и попадают в новости.
В Колледже Хури обучение происходит в классе и за его пределами. Мероприятия в нашей сети кампусов обогащают образовательный опыт.
Информатика повсюду. Студенты Khoury College занимаются соответствующей работой, исследованиями, глобальными исследованиями и опытом обслуживания, которые помогают им расти.
Студенты магистратуры углубляют свои знания, работая над проектами, приобретая профессиональный опыт и помогая исследователям.
Работа над исследованиями с преподавателями занимает центральное место в работе доктора философии. Докторанты колледжа Хури также могут проводить исследования с отраслевыми партнерами.
Преподаватели и студенты Колледжа Хури проводят эффективную работу по различным дисциплинам. Благодаря широкому спектру областей исследований мы каждый день решаем новые проблемы в области технологий.
Наши институты и исследовательские центры объединяют ведущих академических, отраслевых и государственных партнеров для использования вычислительной мощности.
Исследовательские проекты, разработанные и проводимые профессорско-преподавательским составом Колледжа Хури мирового уровня, вовлекают студентов и других исследователей в получение новых знаний.
Исследовательские лаборатории и группы сосредотачиваются на ряде проблем в определенном контексте, поощряя исследования и сотрудничество.
Эта новая инициатива направлена на устранение рисков для конфиденциальности и личных данных с помощью коллективных усилий на низовом уровне с упором на прозрачность и подотчетность.
Современное оборудование, бесшовные системы и инновационные лаборатории и пространства позволяют нашим преподавателям и студентам проводить передовые исследования.
Колледж Хури гордится своим инклюзивным сообществом, основанным на сотрудничестве. Каждый день мы стремимся создавать программы, которые приветствуют самых разных студентов в CS.
Более 20 компьютерных клубов в колледже Хури и Северо-Восточном колледже предлагают что-то для каждого студента.
Мы всегда рады новым членам на каждом уровне.
Учащиеся учатся в современных классах, конференц-залах для совместной работы, а также в ультрасовременных лабораториях и исследовательских центрах.
Сети обеспечивают безопасную и бесперебойную работу кода, современное и надежное оборудование, а наша квалифицированная системная команда управляет поддержкой и обновлениями.
Заинтригован Колледжем Хури и северо-восточным университетом? Начните здесь, чтобы увидеть общую картину: академические науки, экспериментальное обучение, студенческая жизнь и многое другое.
Готовы сделать следующий шаг в технической карьере? Наши магистерские программы сочетают в себе академическую строгость, исследовательское превосходство и значимые экспериментальные возможности.
Добро пожаловать в магистерскую программу Align, предназначенную для людей, готовых добавить информатику (CS) в свой набор навыков или переключиться на совершенно новую карьеру в области технологий.
