Одним из методов устранения влияния интерференции волн и узкополосных помех является применение широкополосной модуляции. В беспроводных сетях используются два метода: широкополосная модуляция с прямым расширением спектра (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum) и с перескоком с одной несущей на другую (FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum).
Метод DSSS состоит в следующем. Если один бит информации представить прямоугольным импульсом, то эффективная ширина спектра импульса будет обратно пропорциональна его длительности. В методе DSSS один прямоугольный импульс заменяют последовательностью из 11 импульсов, которые в 11 раз короче исходного. При этом эффективная ширина спектра такой последовательности импульсов оказывается в 11 раз шире, чем у исходного одиночного импульса (бита) и для Wi-Fi сетей составляет 22 МГц. Поскольку энергия сигнала оказывается "размазанной" по всему спектру, то спектральная плотность мощности сигнала оказывается в 11 раз меньше, если ее измерять в той же полосе частот, которую занимал первоначальный прямоугольный импульс. Практически мощность передатчика (около 1 мВт) для диапазона 2,4 ГГц выбирают таким образом, чтобы спектральная плотность полезного сигнала была сравнима или даже меньше спектральной плотности шума.
|
|
Для еще большего уменьшения спектральной плотности мощности сигнала его спектральная характеристика должна быть близка к прямой линии, параллельной оси абсцисс, т.е. сигнал должен быть подобен белому шуму. Для этого последовательность коротких импульсов не должна быть периодической, она должна быть шумоподобной (псевдослучайной), с малым временем автокорреляции. Процесс преобразования спектра сигнала к указанному виду называют процессом "обеления" ("отбеливания") спектра. Кроме того, для облегчения обнаружения сигнала в приемнике псевдослучайная последовательность, выбранная для кодирования, должна быть такой, чтобы ее автокорреляционная функция имела только один ярко выраженный максимум. Такому требованию удовлетворяют, в частности, последовательности Баркера [Баскаков]. Последовательность (код) Баркера длиной 11 импульсов для кодирования логической единицы используется в сетях Wi-Fi и имеет вид 11100010010. Логический ноль кодируется инверсной последовательностью Баркера.
Для выделения полезного сигнала с такой малой мощностью на фоне шума в приемнике должна храниться копия передаваемого сигнала (код Баркера). Это позволяет использовать очень эффективные методы оптимальной фильтрации [Баскаков]. Зная, что полезный сигнал представляет собой последовательность Баркера, в приемнике строят оптимальный фильтр с импульсной характеристикой, которая представляет собой масштабную копию входного сигнала, расположенную зеркально по оси времени относительно входного сигнала и сдвинутую в сторону запаздывания на величину не менее длительности выделяемого импульса.
|
|
Ширина спектра сигнала в методе DSSS при скорости передачи 1 Мбит/с составляет 22 МГц, а ширина выделенного для Wi-Fi частотного диапазона - 83,5 МГц, т.е. во всем диапазоне можно разместить только 3 неперекрывающихся канала. Однако стандарт делит весь диапазон на 11 перекрывающихся каналов, из которых только три (1-й, 6-й и 11-й) могут работать, не влияя друг на друга.
Достоинствами метода DSSS являются:
o высокая устойчивость к узкополосным помехам;
o возможность восстановления информации при потере во время передачи нескольких бит в коде Баркера.
Вторым методом широкополосной модуляции является FHSS - метод скачкообразного изменения несущей частоты. Он использует тот же диапазон 2,4 ГГц шириной 83,5 МГц, в котором выделяется 79 неперекрывающихся частотных полос по 1 МГц каждая. В процессе передачи частота несущей изменяется скачкообразно. Частота переходов с одной несущей на другую для сети Wi-Fi должна быть не менее 4 Гц в Wi- Fi и 1,6 КГц в сети Blue tooth. Для приема такого сигнала приемник и передатчик содержат таблицы, в которых занесена одна и та же последовательность смены каналов. При таком способе передачи узкополосные помехи приводят к потере только тех фрагментов сообщений, которые передаются на частоте помехи, т.е. фактически только к увеличению времени передачи за счет повторной передачи испорченных фрагментов.
Модификацией FHSS является адаптивный метод FHSS (Adaptive Frequency Hopping - AFH), в котором во время передачи обнаруживаются и запоминаются частоты, на которых передача выполнялась с ошибками контрольной суммы. Эти частоты исключаются из таблицы используемых частот.
Переход с одной частоты на другую уменьшает вероятность взаимного влияния при совместной работе нескольких передатчиков в сети, поскольку при 79 частотах вероятность совпадения частот двух работающих станций очень низка (порядка ). Поэтому метод FHSS позволяет использовать большее количество одновременно работающих станций в сети. Практически на одной и той же территории могут работать до 15 передатчиков.
FHSS обеспечивает скорость передачи 1 и 2 Мбит/с. Используется частотная модуляция с двумя дискретными значениями частот и , которые позволяют сделать четыре комбинации модулированных сигналов: и закодировать таким образом 4 бита информации.
На практике системы с FHSS способны работать при более высоком уровне шума, чем DSSS благодаря тому, что они занимают более широкую полосу частот (83,5 МГц по сравнению с 22 МГц для DSSS), а вероятность того, что помеха будет занимать полосу 83,5 МГц ниже, чем полосу 22 МГц. Однако интерференция, приводящая к замиранию сигнала, более сказывается на FHSS, поскольку в DSSS замирания происходят только в узкой полосе частот, что приводит к выпадению нескольких бит из 11 передаваемых, а оставшихся бит достаточно для безошибочного распознавания закодированного значения "0" или "1".
Методы расширения спектра имеют следующие достоинства:
o высокая помехоустойчивость благодаря большой избыточности кода и возможности применения оптимальной фильтрации;
o возможность избежать влияния интерференции, поскольку она происходит только в части широкополосного диапазона. В методе DSSS она приводит только к потере нескольких битов, которые можно восстановить, а в методе FHSS - к потере отдельных фрагментов сообщений, которые восстанавливаются путем повторной передачи или теряются только один раз (в методе AFH), до того, как система исключит данную частоту из списка используемых;
|
|
o широкополосный сигнал сложнее перехватить, чем узкополосный. FHSS выглядит как шум, если в приемнике не использована та же очередность смены частот, что и в передатчике;
o широкополосный передатчик может использовать один и тот же диапазон частот совместно с другими типами передатчиков с минимальным взаимовлиянием. В частности, он практически не вносит помех в узкополосные системы благодаря очень малой мощности;
o работа при спектральной плотности сигнала на уровне и ниже уровня шума позволяет исключить необходимость получения лицензии на использование таких передатчиков.