Проектирование передачи и приема голоса по прямому и обратному каналу связи CDMA стандарта IS-95

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ТРАНСПОРТУ ТА ЗВ'ЯЗКУ УКРАЇНИ

ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЗАЛІЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ

імені академіка В.Лазаряна

Кафедра «Автоматика, телемеханіка та зв'язок»

КОНТРОЛЬНА РОБОТА

з дисципліни: «Цифрові системи залізничної автоматики»

Проектування передачі та прийому голосу по прямому й зворотньому каналу зв'язку CDMA стандарту IS-95

Виконав: студент групи 6-АТЗ-тв

шифр 06-АТЗ-690к

Перевірив:

Ст. викл. каф. АТЗ

м. Дніпропетровськ

2009 р

Табл. 1.1. Исходные данные

Примечание: для режима CDMA RS1 скорость передачи данных 9,6 Кбит/с, а для режима CDMA RS2 - 14,4 Кбит/с; коэффициент расширения спектра для CDMA равен отношению скорости передачи элементарных сигналов в CDMA к скорости передачи данных, для TDMA и FDMA данный коэффициент рассчитывается по другому.

высокоскоростной сотовый связь

Задача 1

Рассчитать временные параметры заданного высокоскоростного кадра для заданного варианта.

Методика выполнения

Привести структуру заданного высокоскоростного кадра, рассчитать длительность кадра, длительность поля данных.

Решение

Высокоскоростной кадр TDMA европейского стандарта

На рис. 1.1, показано 16 кадров Найквиста европейского формата уплотнения сигналов РСМ. Каждый кадр содержит 8-битовую выборку от каждого из 30 наземных каналов связи, а также 8 бит служебной информации и 8 бит данных о сигнале.

Длительность такого кадра TDMA равна следующему:

16 кадров Найквиста х 125 мкс/кадр Найквиста = 2 мс.

В течение этих 2 мс передается

16 кадров Найквиста х 256 бит/кадр Найквиста = 4096 бит.

Длительность информационного поля кадра в высокоскоростном кадре TDMA вычисляется из уравнения (1.1).

мкс

Рис. 1.1. Европейские стандарты цифровой передачи для спутника INTELSAT: а) наземное уплотнение сигналов РСМ; 6) высокоскоростной кадр

Одной из основ схемы TDMA является возможность совместного доступа к ресурсу связи пользователей, передающих низкоскоростные потоки данных, путем пакетной передачи с более высокой скоростью, чем могут давать отдельные пользователи. На рис. 1.1, б) представлен высокоскоростной кадр TDMA длительностью 2 мс. Кадр начинается с опорного пакета (RB1), передаваемого опорной станцией. В пакете содержится информация, которая позволяет другим станциям правильно разместить свои данные в кадре.

Уплотненный сигнал PCM со скоростью передачи Мбит/с и длительностью кадра Т= 2 мс сжимается (в 59 раз), после чего передается с использованием модуляции QPSK со скоростью Мбит/с (или 60,416 миллионов символов в секунду). Длительность поля данных для высокоскоростного кадра TDMA вычисляется следующим образом.

мкс(1.1)

Для расчета полной продолжительности пакета данных необходимо учесть время, затраченное на передачу начальной комбинации данных. Если начальная комбинация состоит из S_P символов, то, предполагая модуляцию QPSK, общая длина пакета символов, выраженная в символах, равна следующему:

(1.2)

Длительность пакета равна следующей величине:

(1.3)

Если начальная комбинация содержит 300 символов, тогда получаем следующее:

символов.

Подставляя это число в уравнение (1.3), получим следующее:

мкс

Задача 2.

Рассчитать количество пользователей в ячейке сотовых систем TDMA, FDMA и CDMA для данных своего варианта.

Методика выполнения

Привести заданную конфигурацию ячеек и рассчитать количество пользователей в ячейке сотовых систем TDMA, FDMA и CDMA для своего варианта. После расчетов сделать соответствующие выводы.

Решение

Расчет количества пользователей в ячейке сотовых систем TDMA, FDMA, CDMA

Сравним количество доступных каналов в ячейке для трех сотовых систем связи (аналоговая FM, TDMA и CDMA) при широком географическом покрытии с множеством ячеек (рис. 2.1). Рассчитать количество аналоговых каналов, используемых в системе AMPS, можно довольно просто. Будем считать, что для связи выделена полоса в 12,5 МГц. Для предотвращения интерференции между пользователями, которые находятся в выделенном диапазоне 12,5 МГц и имеют приблизительно равную мощность, необходимо, чтобы в соседних ячейках использовались разные частоты. При конфигурации из пяти ячеек (рис. 2.1) связь в ячейке А может осуществляться на полосе частот, которая отличается от диапазона ячеек В, С, D, Е. Лишь одна пятая часть полосы шириной 12,5 МГц может использоваться для связи в каждой ячейке. Следовательно, для каждой ячейки полоса шириной 3,1 МГц доступна для приема и передачи данных.

Определим количество каналов для каждой ячейки:

Данное количество пользователей соответствует FDMA.

1. Североамериканский стандарт сотовой связи TDMA с использованием множественного доступа получил название IS-54 (последняя модификация этого стандарта -- IS-136). Системы связи, соответствующие этим двум стандартам, должны удовлетворять требованиям использования частот, установленным для AMPS. Таким образом, ширина полосы канала TDMA равна 30 кГц.

Определим количество пользователей в каждом канале:

Одновременный доступ к каждому из каналов с шириной полосы 30 кГц при TDMA может иметь 2 пользователя. Следовательно, количество пользователей, одновременно имеющих доступ к каналу в случае TDMA, в 2 раза больше, чем для аналоговой системы FM. Другими словами, количество каналов для каждой ячейки TDMA составляет 83 • 2 = 166 пользователей.

2. Основным преимуществом систем CDMA по сравнению с аналоговыми FM или TDMA является возможность полного (100 %) повторного использования частоты. Это значит, что вся ширина полосы, предусмотренная стандартом FCC (12,5 МГц), может одновременно использоваться для приема и передачи сигнала. Для сравнения CDMA, систем множественного доступа AMPS с использованием аналоговой частотной модуляции (другими словами, FDMA), а также TDMA стандарта IS-54 рассмотрим уравнение. Для корректности сравнения пренебрежем коэффициентом G_А, который характеризует разбиение ячейки на сектора. Данный коэффициент не используется в расчетах рабочих характеристик FDMA и TDMA, хотя в обоих случаях разбиение ячейки на сектора позволило бы улучшить параметры системы. Если ячейка не разбивается на сектора, количество активных пользователей в ячейке CDMA будет равно

Из уравнения

получаем выражение для коэффициента расширения спектра сигнала 820.

Следует отметить, что такая скорость передачи (12,5 миллионов элементарных сигналов в секунду) не соответствует стандарту IS-95. В данном примере это значение используется для корректного сравнения CDMA, TDMA и аналоговой системы FM, имеющих ширину полосы 12,5 МГц.

Примем значение равным 5,1, а коэффициенты G_v, и H₀ равными 2,5, 1,47 и 1,47. Подставив указанные значения в уравнение, получим следующее:

Вывод: Таким образом, системы FDMA с использованием аналоговой частотной модуляции, TDMA и CDMA могут поддерживать одновременное использование 83, 166 и 401 каналов в ячейке.

Целесообразнее всего использовать систему CDMA, т.к. у нее наибольшее количество каналов в одной ячейке.

Задача 3

Спроектировать систему сотовой связи CDMA стандарта IS-95 в соответствии с заданным вариантом.

Для построения используется 16 канальная базовая станция для которой необходимо закодировать её каналы семиразрядным кодом, так чтобы между кодами любых каналов было межкодовое расстояние 2. Кодирование каждого канала показано виде таблицы. Затем согласно последней цифре шифра осуществляем декодирование «1» канала.

Пример исходного сигнала для семиканальной системы CDMA и канала 1 приведен на рис. 3.1. Следует отметить, что результат измерения нулевого канала приемником отрицателен, т.е. данные имеют значение 0. В этом примере интерференция соседних каналов привела к увеличению измеренного значения нулевого канала до16 вместо 7. Различие между номинальным измеряемым значением +7 искомого сигнала и +6 для наихудшего случая интерференции очень невелико, особенно потому, что отдельные каналы принимаются с различными уровнями мощности.

Проектирование прямого канала связи

Базовая станция использует 64 канала для передачи уплотненного сигнала. Для передачи данных пользователя применяется 61 канал. Один из каналов является контрольным, один -- синхронизационным и, по крайней мере, один используется как поисковый. Стандарт IS-95 позволяет одновременную передачу голоса, данных и специальных сигналов. Скорость передачи голоса может быть равна 9600, 4800, 2400 или 1200 бит/с. Данные уровни скорости предусмотрены режимом RS1. В режиме RS2 поддерживается скорость до 14,4 Кбит/с. На рис. 3.2 представлена упрощенная блок-схема передатчика базовой станции, который использует стандартный канал данных со скоростью передачи 9,6 Кбит/с. С помощью кодирования методом линейного предсказания производится черновая оцифровка голосового сигнала со скоростью 8 Кбит/с. После добавления битов обнаружения ошибок скорость передачи возрастает до 9,6 Кбит/с. Полученная последовательность данных разбивается на кадры длительностью 20 мс. Следовательно, при скорости передачи данных 9,6 Кбит/с один кадр содержит 192 бит. Следующий шаг, представленный на рис. 3.2, -- сверточное кодирование (степень кодирования 1/2), в ходе которого все биты данных в равной мере защищаются кодом. В результате скорость в канале возрастает до 19,2 Кбит/с и остается неизменной после обработки данных устройством временного уплотнения импульсных сигналов с рабочим интервалом, равным длительности кадра (20 мс). Следующие три шага включают сложение по модулю 2 двоичных значений псевдослучайных кодов и ортогональных последовательностей (применяется для обеспечения конфиденциальности); распределение по каналам; и определение базовой станции. Каждое изменение кода можно образно представить как барьер, ограничивающий по тем или иным причинам доступ к определенному сообщению. В целях конфиденциальности используются псевдослучайные коды максимальной длины с 42-разрядным регистром сдвига. В системе со скоростью передачи 1,2288 миллионов элементарных сигналов в секунду такой код повторяется с периодом приблизительно в 41 день. Системы, соответствующие стандарту IS-95, используют идентичное оборудование для кодирования для всех базовых станций и мобильных устройств. В целях конфиденциальности каждое мобильное устройство получает уникальную модификацию кода со сдвигом по фазе или во времени. Пользователям, которые связываются между собой, не нужно знать кодовые модификации друг друга, поскольку базовая станция производит демодуляцию и повторную модуляцию всех обрабатываемых сигналов. Значение скорости передачи данных в канале (19,2 Кбит/с) перед кодированием не является окончательным. Код применяется для прореживания сигнала, поэтому используется только каждый 64-й бит последовательности (что не влияет на уникальность кода).

Рис. 3.2. Передача голоса с использованием прямого канала CDMA

Следующий применяемый код называют защитой Уолша (Walsh cover). Данный код используется для распределения по каналам с последующим расширением спектра. Код является ортогональным и генерируется с помощью матрицы Адамара (Hadamard matrix). Используя указанный метод, можно создать код Уолша, размерность которого равна (k -- положительное целое число). Набор кодов Уолша характеризуется матрицей 64 х 64, где каждая строка соответствует отдельному коду. Как показано на рис. 3.2, один из 64 кодов суммируется по модулю 2 с защищаемой двоичной последовательностью. Поскольку элементы набора кодов Уолша взаимно ортогональны, их применение позволяет разделить прямой канал связи на 64 ортогональных сигнала. Канал 0 используется для проверки когерентности получения данных мобильным устройством. Канал 32 применяется для синхронизации, а также, по крайней мере, один канал резервируется в качестве поискового. Следовательно, для передачи данных доступен 61 канал. Защита Уолша применяется в системах со скоростью передачи 1,2288 миллионов элементарных сигналов в секунду. Таким образом, в процессе связи "базовая станция-мобильное устройство" каждый бит в канале (скорость передачи 19,2 Кбит/с) преобразуется в 64 элементарных сигнала Уолша. Конечная скорость передачи составляет 1,2288 миллионов элементарных сигналов в секунду.

Проектирование обратного канала связи

Уплотненный сигнал, передаваемый каждой базовой станцией, состоит из 64 каналов, причем для передачи данных могут использоваться лишь 61 из них (или меньше). Однако при связи в обратном направлении (мобильное устройство-базовая станция) передается единичный сигнал (канал), который может содержать данные или запрос на доступ к сети. На рис. 3.3 представлена упрощенная блок-схема передачи сигнала с использованием обратного канала. Общая структура аналогична существующей в прямом канале (рис. 3.2), однако существуют некоторые существенные отличия. В стандарте IS-95 не поддерживается применение обратных управляющих каналов, поскольку для каждого мобильного устройства был бы необходим отдельный канал такого типа.

Рис. 3.3. Передача голоса с использованием обратного канала CDMA

В стандарте IS-2000 для каждого обратного канала связи резервируется управляющий канал. Поскольку обратный канал менее устойчив по сравнению с прямым, для улучшения работы системы применяется более эффективный сверточный код (степень кодирования 1/3). Следует также отметить, что после обработки устройством временного уплотнения импульсных сигналов биты канала модулируют 64-разрядный код Уолша. Этот код аналогичен используемому для распределения по каналам при передаче по прямому каналу. Однако при обратной связи коды Уолша используются для прямо противоположной цели -- они играют роль модулирующих волн. При скорости передачи данных, равной 9,6 Кбит/с, два бита данных (после кодирования трансформируются в шесть канальных битов, иногда называемых кодовыми символами) после разделения отображаются одним из 64 ортогональных сигналов Уолша, который впоследствии и передается. Элементарные сигналы Уолша повторяются 4 раза, и окончательная скорость передачи данных составляет 1,2288 миллионов элементарных сигналов в секунду. Может возникнуть вопрос, почему в качестве модулирующих волн были выбраны 64-ричные функции Уолша. Вспомним компромиссы между параметрами каналов, ограниченных по мощности. Для сохранения мощности за счет уменьшения ширины полосы было бы логично использовать М-арную частотную манипуляцию, например, MFSK. По мере возрастания М ширина полосы будет увеличиваться и одновременно будет снижаться отношение , необходимое для получения заданного уровня достоверности передачи. Использование подобного метода передачи сигнала для низкочастотной системы является компромиссным решением, поскольку снижение необходимого уровня мощности достигается за счет увеличения ширины полосы. Однако для систем расширенного спектра, соответствующих стандарту IS-95, применение 64-ричных функций Уолша для модуляции можно описать как "бесплатное приобретение", поскольку система уже использует расширенную полосу в 1,25 МГц. Применение 64-ричных ортогональных функций не приводит к дальнейшему расширению полосы.

Для обратной связи необходимо распределение по каналам, поскольку пользователи должны быть разделены. При использовании обратного канала пользователи отличаются друг от друга длинным кодом (кодом конфиденциальности). В прямом канале связи этот код применяется для прореживания сигнала, что позволяет обеспечить конфиденциальность. При связи мобильное устройство-базовая станция (рис. 3.3) код используется со скоростью 1,2288 миллионов элементарных сигналов в секунду для распределения по каналам (адресации), а также для шифрования сигнала, достижения конфиденциальности и расширения спектра. После расширения длинным кодом, спектр сигнала расширяется еще раз с помощью двух коротких псевдослучайных кодов, что обеспечивает отсутствие корреляции между синфазными и квадратурными символами.

Последние шаги, приведенные на рис. 3.4, соответствуют фильтрованию на фильтре с конечной импульсной характеристикой, а также преобразованию несущей с помощью модуляции BPSK в сигнал OQPSK. Модуляция OQPSK применяется, чтобы избежать возможности изменения фазы несущей на 180°. Этот метод позволяет уменьшить соотношение пиковой и средней мощности усилителя передатчика, что упрощает проектирование системы. OQPSK не применяется для прямых каналов, поскольку в этом случае базовая станция передает уплотненный сигнал 64 каналов. Каждый процесс прямой передачи может быть описан вектором, который характеризует весь уплотненный сигнал. Вектор принимает значение из множества возможных соотношений фаза/амплитуда. Следовательно, посредством сдвига синфазного и квадратурного каналов невозможно добиться положительного результата, поскольку невозможно избежать переходов несущей через нуль. После фильтрования полученного сигнала образуется спектр с двухсторонней шириной полосы по уровню 3 дБ, равной 1,25 МГц.

Список литературы

1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е.: пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. - 1104 с.

2. Беллами Дж. Цифровая телефония. Пер. с англ. / Под ред. А. Н. Берлина, Ю. Н. Чернышова. - М.: Эко-Трендз, 2004. - 640 с.

3. Шмытинский В. В., Котов В. К., Здоровцов И. А. Цифровые системы передачи информации на железнодорожном транспорте / Под ред. В. В. Шмыпинского. -- М.: Транспорт, 1995 - 238 c.

4. Перкинс Д. Цифровая связь.

5. Невдяев Л.М. Мобильная связь третьего поколения.

6. Величкин А.И. Передача аналоговых сигналов по цифровым каналам связи. М. Радио и связь. 1982.

Размещено на Allbest.ru