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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Los principales tipos de secuencias de códigos de los sistemas modernos de comunicación y navegación. Dato de referencia
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Referencias El artículo describe los principales tipos de secuencias de códigos utilizados en los sistemas modernos de comunicación y navegación. Los parámetros dados se consideran desde un punto de vista científico y práctico, con referencias a la investigación moderna en esta área. La elección de una secuencia de código pseudoaleatorio en un sistema de transmisión de información de ingeniería de radio es muy importante, ya que la ganancia del procesamiento del sistema, su inmunidad al ruido y la sensibilidad dependen de sus parámetros. Con la misma longitud de la secuencia de códigos, los parámetros del sistema pueden ser diferentes. Los sistemas que utilizan señales complejas similares al ruido se han utilizado durante más de 50 años. Las conocidas ventajas de las señales similares al ruido, como la alta inmunidad al ruido con respecto a la interferencia de banda estrecha de alta potencia, la posibilidad de separar los abonados por código, el secreto de la transmisión, la alta resistencia a la propagación por trayectos múltiples e incluso la alta resolución en mediciones de radar y navegación, predeterminado su uso en varios sistemas de comunicación y determinación de ubicación. ¿Debido a qué parámetros de las señales similares al ruido su aplicación tiene una serie de propiedades maravillosas y se pueden mejorar? Características de las señales similares al ruido Un parámetro importante de un sistema que utiliza señales similares al ruido es la ganancia de procesamiento. La ganancia de procesamiento (BO) indica el grado en que se mejora la relación señal-ruido al convertir la señal similar al ruido recibida por el receptor en la señal de información deseada. Este procedimiento se llama compresión o despreading. Según la definición clásica, VO es igual a: VO \u10d XNUMX Lg [Cк /DEи]Donde Ск - la frecuencia de los chips de secuencia pseudoaleatoria, chip/segundo. Си - tasa de transferencia de información, bit/segundo. Según esta definición, un sistema que tiene una tasa de información de 1 Mbps y una tasa de chip de 11 Mchips/seg (lo que significa que cada bit de información se codifica con una secuencia pseudoaleatoria de 11 bits) tendrá un RR de 10,41 dB. Este resultado significa que la operatividad del sistema de transmisión de información se mantendrá con el mismo BER si la señal útil en la entrada disminuye en 10,41 dB. En módems de radio similares al ruido comerciales convencionales, tales como Arlan, Wavelan y similares, a menudo se da la prioridad más alta a la velocidad de transmisión de la información, en lugar del sigilo o la inmunidad al ruido. Dado que las instrucciones de la Comisión Federal de Comunicaciones de los Estados Unidos (FCC) para tales dispositivos prevén un valor mínimo de VO de 10 dB, y también asignan el ancho de banda mínimo permitido de un canal (lo que impone restricciones en la tasa de repetición máxima de chips Cк), entonces la longitud de la secuencia de código pseudoaleatorio debe ser de al menos 11 chips por bit. Si aumentamos la longitud de la secuencia de código a 64 chips por bit (esta es la longitud máxima posible para el conocido procesador NPS Z87200 de Zilog), entonces con la misma tasa de repetición de chips de 11 Mchip/seg, la ganancia de procesamiento será Sea 10Lg (64) = 18,06 dB, la tasa de transferencia de información disminuirá en 64/11 = 5,8 veces. Para ser utilizadas en un sistema NPS, las secuencias de código deben tener ciertas propiedades matemáticas y de otro tipo, la principal de las cuales son muy buenas propiedades de autocorrelación y correlación cruzada. Además, la secuencia del código debe estar bien equilibrada, es decir, el número de unos y ceros debe diferir en no más de un carácter. El último requisito es importante para excluir el componente constante de la señal de información. El receptor DSSS compara la secuencia de código recibida con su copia exacta almacenada en la memoria. Cuando detecta una correlación entre ellos, cambia al modo de recepción de información, establece la sincronización y comienza la operación de decodificación de información útil. Cualquier correlación parcial puede generar falsos positivos y la interrupción del receptor, por lo que la secuencia de código debe tener buenas propiedades de correlación. Considere el concepto de correlación con más detalle. Autocorrelación y función de correlación cruzada Las propiedades de correlación de las secuencias de código utilizadas en los sistemas NPS dependen del tipo de secuencia de código, su longitud, la tasa de repetición de sus símbolos y su estructura símbolo por símbolo.(1). En general, la función de autocorrelación (FCA) está determinada por la integral: Y (t ) = ∫f(t)f(t-t )dt y muestra la conexión de la señal con una copia de sí misma, desplazada en el tiempo por τ. El estudio de la ACF juega un papel importante en la elección de secuencias de código en términos de la menor probabilidad de establecer una sincronización falsa. La función de correlación cruzada (CCF), por otro lado, es de gran importancia para los sistemas de división de código como CDMA, y se diferencia de la CCF solo en que hay diferentes funciones bajo el signo integral, y no la misma: Y (t ) = ∫f(t)g(t-t )dt El FCF muestra, así, el grado de correspondencia de una secuencia de código con otra. Para simplificar los conceptos de ACF y VKF, se puede representar el valor de una función particular como la diferencia entre el número de coincidencias A y las discrepancias B de símbolos de secuencias de código cuando se comparan carácter por carácter. Para ilustrar este ejemplo, considere la función de autocorrelación de una secuencia de código Barker de 11 chips de largo que tiene la siguiente forma: 1 1 1 XNUM 0 0 0 1 0 0 1 Una comparación de carácter por carácter de esta secuencia con su propia copia se resume en una tabla.
En la figura se muestra una representación gráfica del ACF de esta secuencia de Barker:
Tal ACF puede llamarse ideal, ya que no tiene picos laterales que puedan contribuir a la detección de señales falsas. Como ejemplo negativo, considere cualquier secuencia de código arbitraria, por ejemplo: 1 1 1 XNUM 0 0 0 1 1 1 0 Habiendo realizado los cálculos correspondientes al ejemplo anterior, obtenemos la siguiente representación gráfica de la función de autocorrelación, que se muestra en la figura:
Los picos laterales de 7 y 3 unidades pueden dar lugar a falsas alarmas del sistema si se utiliza dicha secuencia para la distribución de la señal. Para los sistemas NPS de alta velocidad destinados a la transmisión de información, pero no a la separación de códigos de abonados, se suelen utilizar códigos Barker, que tienen buenas propiedades de autocorrelación. Con la ayuda de la simulación por computadora, se encontraron los llamados códigos de Willard (2) que, con la misma longitud que los códigos de Barker, a veces tienen mejores propiedades de correlación. Se desconocen las secuencias de código Barker con una longitud de más de 13 símbolos, por lo tanto, para obtener un VO más grande, una mayor inmunidad al ruido, así como para la separación de códigos de los suscriptores, se utilizan secuencias de mayor longitud, una parte significativa de las cuales forman M -secuencias. secuencias M Una de las señales de modulación por desplazamiento de fase más conocidas son las señales cuyas secuencias de código son secuencias de longitud máxima o secuencias M. Para construir secuencias M, se suelen utilizar registros de desplazamiento o elementos de retardo de una longitud determinada. La longitud de la secuencia M es 2N-1, donde N es el número de bits del registro de desplazamiento. Varias opciones para conectar salidas de descarga al circuito de retroalimentación proporcionan un cierto conjunto de secuencias. El ACF de la secuencia M es igual a -1 para todos los valores de retardo, excepto para la región 0±1, donde su valor varía de -1 al valor 2.N-una. Además, las secuencias M tienen otra propiedad interesante: cada secuencia tiene un 1 más que ceros. Se dedica mucha literatura a los métodos de formación y características de las secuencias M, por lo que no nos detendremos en esto en detalle. Para explorar las capacidades del nuevo chipset PRISMTM Harris Semiconductor realizó un estudio práctico de secuencias M cortas y códigos de Barker para encontrar los óptimos desde el punto de vista de la función de autocorrelación (3). Como parte de este estudio, se analizó una secuencia M de longitud 15 y tiene la forma: 111 1000 1001 1010 Al final resultó que, tiene peores propiedades de autocorrelación que la secuencia de Barker de 13 caracteres de la siguiente forma: 1 1111 0011 0101 En la figura se muestra una vista práctica del ACF de la secuencia M:
A modo de comparación, el ACF de una secuencia de código Barker de longitud 13:
El reloj del osciloscopio se muestra en la parte superior de la foto. Como se puede ver en las fotografías, la secuencia M tiene varios picos laterales grandes, que pueden degradar significativamente la calidad de recepción del sistema NPS y, en ocasiones, pueden conducir a la detección de señales falsas. Como resultó en el curso de una investigación adicional, si se agregan dos ceros a la secuencia del código Barker de 13 caracteres, entonces el ACF de la secuencia resultante 001 1111 0011 0101 será mucho mejor que el ACF descrito de la secuencia M, que también consta de 15 símbolos. ACF de la secuencia recién obtenida:
Las secuencias M cortas son, por lo tanto, significativamente inferiores a las secuencias de Barker en términos de propiedades de autocorrelación, a pesar del mejor equilibrio entre ceros y unos. De los sistemas más conocidos que utilizan secuencias M, podemos nombrar un sistema de comunicación móvil con una división de código de suscriptores CDMA y un sistema de navegación global GPS. El sistema CDMA utiliza tres secuencias de código. El primero de ellos, utilizado para sincronizar el funcionamiento de todos los equipos, tiene una longitud variable N ≈ (32÷131)103 caracteres. La segunda secuencia M tiene una longitud máxima N=242-1 y se utiliza para identificar estaciones de suscriptores desde el lado de la estación base. La tercera secuencia se utiliza para transmitir información útil entre las estaciones base y de abonado y es una de las secuencias de Walsh. Las sucesiones de Walsh (las filas o columnas de la matriz de Hadamard actúan como ellas) tienen la propiedad de ortogonalidad entre sí. Desde un punto de vista matemático, la ortogonalidad significa que, en ausencia de un cambio de tiempo entre las secuencias de Walsh, su producto escalar es cero. Desde el punto de vista de la ingeniería de radio, esto permite eliminar la interferencia mutua en la transmisión de información desde la estación base a varias estaciones de abonado y, por lo tanto, aumentar drásticamente el rendimiento del sistema de comunicación (5). Esta ventaja de la ortogonalidad sólo tiene lugar en el caso de una sincronización precisa de la transmisión de secuencias a todos los abonados. La sincronización precisa de las estaciones base y de abonado CDMA se lleva a cabo principalmente con la ayuda del sistema de navegación global GPS. Además de las secuencias de Walsh, en los sistemas de comunicación se utilizan otras secuencias ortogonales: las secuencias Digilok y Stiffler. Además de las secuencias M como tales, las secuencias de códigos compuestos han encontrado aplicación en los sistemas de comunicación, que son combinaciones de secuencias M y tienen algunas propiedades específicas. Las más famosas y utilizadas son las secuencias de Gould. Las secuencias de código de Gould se forman utilizando un generador de secuencia simple basado en dos registros de desplazamiento de la misma capacidad y tienen dos ventajas en relación con las secuencias M. Primero, el generador de secuencias de código, construido sobre la base de dos registros de desplazamiento de longitud N cada uno, puede generar, además de las dos M-secuencias originales, N secuencias más de longitud 2N-1, es decir, el número de secuencias de código generadas se amplía significativamente. En segundo lugar, los códigos de Gould se pueden elegir de modo que el CCF para todas las secuencias de código recibidas de un generador sea el mismo y el valor de sus picos laterales sea limitado. Para secuencias M, no se puede garantizar que los picos laterales del TCF no superen un determinado valor especificado. Las secuencias de códigos Gould se utilizan en sistemas de navegación global, como el GPS. El llamado código "grueso" (C/A - clear/acquisition) utiliza una secuencia Gould de 1023 caracteres de longitud, transmitida a una frecuencia de reloj de 1,023 MHz. Exactamente el mismo código (P - precisión), al que tienen acceso los servicios militares y especiales, utiliza una secuencia compuesta ultralarga con un período de repetición de 267 días y una frecuencia de reloj de 10,23 MHz. Además de las secuencias compuestas de Gould, las secuencias de Kasami son las más utilizadas. Nuevas tecnologías Las secuencias M, las secuencias de Gould y Kasami mencionadas en este artículo se refieren a secuencias que tienen un algoritmo de formación lineal. La principal desventaja de tales secuencias es su previsibilidad y la falta de secreto de transmisión asociado con ella. Las secuencias no lineales son más impredecibles. Recientemente, han aparecido varias publicaciones sobre la generación de señales similares a ruido utilizando el fenómeno del caos dinámico (4). El fenómeno del caos dinámico es que el movimiento de un sistema dinámico determinista, bajo ciertas condiciones, tiene todas las propiedades de un proceso caótico de banda ancha. Al mismo tiempo, la característica fundamental de los algoritmos que describen este fenómeno es su no linealidad, y la característica del proceso de tiempo generado es su no periodicidad. Esto abre la posibilidad de buscar una nueva clase de secuencias aleatorias para su uso en sistemas de ingeniería de radio para diversos fines: señales ShHS caóticas de banda ancha, que cumplen mejor con los requisitos de las secuencias pseudoaleatorias. Conclusión Los sistemas móviles de tercera generación, que ya se están desarrollando en el marco de programas europeos internacionales, utilizarán señales de banda ancha generadas por secuencias pseudoaleatorias. En particular, se eligió WCDMA o CDMA de banda ancha, desarrollado por Ericsson, como estándar base para UMTS (Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles). Son más de veinte proyectos que unen, en un grado u otro, a todas las empresas de telecomunicaciones desarrolladas y universidades líderes del mundo, que intentan abordar el problema de las comunicaciones mundiales globales del futuro desde diferentes ángulos (6). En un futuro lejano, obviamente, cada habitante de nuestro planeta tendrá su propia terminal, que es de tamaño pequeño y proporciona a su propietario todos los tipos de comunicaciones disponibles, desde un videoteléfono hasta el acceso al sistema mundial de información. Y existe una alta probabilidad de que en dichos sistemas se utilice la separación de código de los suscriptores que utilizan secuencias pseudoaleatorias. Literatura
Autor: Malygin Ivan Vladimirovich; Publicación: biblioteca.espec.ws
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