Якими властивостями повинні володіти АКФ та ВКФ ансамблю ПСП для ШПС у рухомих системах зв’язку з
CDMA: сигнали та їх властивості
Колись проектування CDMA-систем було швидше мистецтвом, ніж наукою.
Колись проектування CDMA-систем було скоріше мистецтвом, ніж наукою. Інженери вибирали сигнали, застосування яких має поліпшити основні характеристики систем (якість зв'язку, стійкість до перешкод), покладаючись лише на свою інтуїцію. Поворотним моментом стало створення теорії формування, обробки та передачі сигналів. Вона дозволяє визначити ефективність використання конкретного ансамблю (безліч) сигналів, базуючись лише на знанні їх авто-і взаємокореляційних характеристик.
Базові поняття
Кодові послідовності, які у CDMA-системах передачі сигналу, складаються з N елементарних символів (чіпів). Кожен інформаційний символ сигналу складається з однієї N-символьної послідовністю, яка називається «розширювальною» (spreading sequence), оскільки «результуючий» сигнал випромінюється в ефір з навмисно розширеним спектром. Виграш як зв'язок залежить як від числа символів (довжини) послідовності, так і від характеристик сукупності сигналів, насамперед – їх взаємокореляційних властивостей та способу модуляції.
Довжина послідовності. У вітчизняній літературі сигнали, база яких істотно більше одиниці (B = TF & gt; 1, де T - тривалість елемента сигналу, F - смуга частот), зазвичай називаються складними. По відношенню до вихідного (інформаційного) складний сигнал є шумом з практично однаковою спектральною щільністю потужності.
Відомо, що чим сильніше "розтягнуть" спектр сигналу в ефірі, тим менше йогоспектральна густина. Завдяки цій властивості сигнали з великою базою можуть застосовуватися в «чужій» (вже зайнятій) смузі частот «на вторинній основі», надаючи на працюючу там систему як завгодно малу дію.
Характеристики. Вся сукупність кодових послідовностей, що використовуються в CDMA, ділиться на два основні класи: ортогональні (квазіортогональні) та псевдовипадкові послідовності (ПСП) з малим рівнем взаємної кореляції (рис. 1).
В оптимальному CDMA-приймачі сигнали, що надходять на його вхід, які, по суті, являють собою адитивний білий гаусівський шум, завжди обробляються за допомогою кореляційних методів. Тому процедура пошуку зводиться до знаходження сигналу максимально корелюваного з індивідуальним кодом абонента. Кореляція між двома послідовностями здійснюється шляхом перемноження однієї послідовності на зрушену в часі копію інший. Залежно від виду послідовності у CDMA-системах застосовуються різні способи кореляції:
- автокореляція, якщо псевдовипадкові послідовності, що перемножуються, мають однаковий вигляд, але зрушені в часі;
- взаємна, якщо ПСП мають різні види;
- періодична, якщо зсув між двома ПСП є циклічним;
- аперіодична, якщо зсув не є циклічним;
- на частині періоду, якщо результат перемноження включає лише сегменти двох послідовностей певної довжини.
Щоб отримати виграш як зв'язок при використанні будь-якого зі способів кореляційної обробки, необхідно, щоб ансамбль сигналів мав «хороші» автокореляційні властивості. Бажано, щоб сигнали мали єдиний автокореляційний пік, інакше можлива хибна синхронізація з бокового пелюсткаавтокореляційної функції (АКФ). Зауважимо, що чим ширше спектр сигналів, що випромінюються, тим вже центральний пік (основна пелюстка) АКФ.
Пари кодових послідовностей підбираються так, щоб взаємна кореляційна функція (ВКФ) мала мінімальне значення при попарній кореляції. Це гарантує мінімальний рівень взаємних перешкод.
Отже, вибір оптимального ансамблю сигналів CDMA зводиться до пошуку такої структури кодових послідовностей, в якій центральний пік АКФ має найбільший рівень, а бічні пелюстки АКФ і максимальні викиди ВКФ по можливості мінімальні.
Який синтезатор прямого синтезу або на основі ФАПЧ має менше значення СПМ фазових шумів на виході СЧ?
Основні характеристики та технічні параметри сучасних СЧ широко освітлені
у літературі [6, 7]. Були описані СЧ, що реалізують строго аналогові або цифрові ме-
Тоді формування частотної сітки. Аналогові СЧ прямого синтезу є
якісне з погляду фазового шуму, але проблемне в частотному плані пристрій,
основний недолік якого - велика кількість комбінаційних складових, гене-
рованих у змішувальних каскадах [7]. У зв'язку з тим, що реалізація високого частотного
дозволу у великому частотному діапазоні таким способом представляє дуже громізд-
яке рішення, пов'язане з високою вартістю, такі структури використовуються тільки
для специфічних завдань. Для порівняно низькочастотних СЛ, здатних формувати
якісний сигнал на частотах до 1000 МГц, простіше та економічніше сьогодні використовувати
прямий метод синтезу, реалізований у цифровому обчислювальному синтезаторі (ЦВС або
DDS - Direct Digital Synthesizer). Один знайкращих DDS на сьогоднішній день працює
з частотою тактування до 3500 МГц і забезпечує спектральну щільність потужно-
сти (СПМ) фазового шуму (ФШ) в одній бічній смузі
при відбудові 10 кГц (далі скрізь, де йтиметься про ФШ, матимемо на увазі СПМ
ФШ в одній бічній смузі). Технічні характеристики такого рішення: ФШ, свобод-
ний від паразитних складових динамічний діапазон (SFDR — Spurious Free Dynamic
ПРАЦІ МФТІ. - 2013. - Том 5, No 3
Range) - Порівнянні з характеристиками СЧ на основі ФАПЧ аналогічного частотного діа-
пазона, але за такими показниками, як час перебудови частоти та частотна роздільна здатність,
DDS лідирує. Досягнення максимально можливих характеристик на високих частотах
при помірній ціні елементної бази реалізується із застосуванням СЧ з ФАПЧ, які
представляють непрямий метод синтезу. Структури простих цілочисленних (Integer-N) та
дробово-змінних (Fractional-N) СЧ з ФАПЧ широко описані як у тематичній літе-
ратурі, так і у файлах документації на мікросхеми СЧ від провідних світових вироб-
тел: Analog Devices, Hittite, National Semiconductor і т.д., тому лише коротко нагадаємо
ідею, закладену у цих синтезаторах
Чим є кільце ФАПЧ для шумів ОГ, шумів ГУН?
Синтезатори з ФАПЧ
Типовий однопетльовий синтезатор з ФАПЧ включає в себе генератор, що перебудовується, керований напругою (ГУН), сигнал якого після необхідного (програмованого) поділу по частоті доставляється до входу фазового детектора (PD) Інший вхід фазового детектора підключений до джерела опорного сигналу (reference), частота якого дорівнює необхідному частотному кроці. Фазовий детектор порівнює сигнали на обохвходах та генерує сигнал помилки, який після фільтрації та посилення (при необхідності) підлаштовує частоту ГУН до
де FREF - Частота опорного сигналу на вході фазового детектора.
Головними перевагами схем на основі ФАПЧ є більш чистий спектр вихідного сигналу, зумовлений ефективним використанням фільтра нижніх частот (ФНЧ), і значно менша складність пристрою, порівняно з аналоговими синтезаторами. Основний недолік – більший час перебудови та значно вищий рівень фазового шуму порівняно з аналоговими схемами. Фазовий шум синтезатора у межах смуги пропускання фільтра ФАПЧ дорівнює
де λPD – перерахований до входу фазового детектора сумарний рівень фазових шумів опорного сигналу, фазового детектора, фільтра та підсилювача ланцюга зворотного зв'язку. Таким чином, фазовий шум залежить від коефіцієнта поділу частотного дільника, який, щоб забезпечити необхідну роздільну здатність по частоті, може бути досить великим. Так, для отримання сигналу на частоті 10 ГГц з роздільною здатністю 1 МГц коефіцієнт поділу повинен дорівнювати 10000, що відповідає збільшенню фазового шуму на 80 дБ. Крім того, програмовані дільники використовуються на відносно низьких частотах, що вимагає введення додаткового дільника високочастотного з фіксованим коефіцієнтом поділу (prescaler – PS). В результаті збільшується сумарний коефіцієнт розподілу петлі зворотного зв'язку і, як наслідок, зростає фазовий шум. Очевидно, така проста схема не дозволяє використовувати шумові можливості сучасних малошумливих генераторів опорного сигналу. У результаті однопетлеві схеми з ФАПЧ застосовуються рідко, зокрема, в системах з низькими вимогами до якості сигналу, що генерується.
Основні характеристики синтезатора можна значнопокращити, включивши частотний перетворювач (змішувач) у ланцюг зворотного зв'язку. При цьому сигнал ГУН переноситься вниз частотою, що дозволяє значно зменшити коефіцієнт розподілу ланцюга зворотного зв'язку. Опорний сигнал змішувача генерується за допомогою додаткової петлі ФАПЧ (багатопетлеві схеми) або помножувача частоти. Вдалим рішенням є застосування змішувача гармонік, який використовує численні гармоніки опорного сигналу, що генеруються вбудованим в змішувач діодом. Змішувач гармонік дозволяє значно спростити конструкцію синтезатора. При цьому слід відзначити високу чутливість даного типу змішувача до параметрів окремих елементів схеми, оптимізація яких далеко не тривіальне завдання. Залежно від конкретних вимог до фазових шумів і роздільної здатності за частотою можливе введення більшої кількості змішувальних каскадів, що, однак, ускладнює конструкцію синтезатора. Іншою проблемою, пов'язаною із застосуванням схем, заснованих на частотному перетворенні, є хибне захоплення частоти (наприклад, при використанні дзеркального каналу змішувача). Тому необхідно попередньо досить точно налаштувати частоту ГУН, наприклад, за допомогою ЦАП. Це, у свою чергу, вимагає виключно високої лінійності (і повторюваності) залежності вихідної частоти ГУН від керуючого напруги в робочому температурному діапазоні, а також точного калібрування ГУН компенсації температурного дрейфу даної залежності. Крім того, цифроаналогові перетворювачі зазвичай відрізняються підвищеним рівнем шумів, що впливає на шумові характеристики синтезатора і вимагає виведення ЦАП з петлі ФАПЛ після попереднього налаштування на необхідну частоту.
Зменшити сумарний коефіцієнт поділу можна шляхом використання дробових коефіцієнтів поділу– розподілом частоти на N+1 кожні М періодів сигналу та розподілом на N протягом решти проміжку часу. У цьому випадку усереднений коефіцієнт поділу дорівнює