4. Разработка структурной схемы приемника сигнала мобильной станции

4.1. Разработка структурной схемы приемника канала доступа

Приёмник сигнала мобильной станции состоит из нескольких крупных функциональных узлов. Во-первых, это радиочасть, которая включает в себя антенну, усилитель, смеситель. Второй, основной узел, представляет собой устройство обработки информации реального времени. Третьей составной частью является устройство вывода информации. Второй узел представляет наибольший интерес.

Для возможности перехвата ШПС необходимо осуществлять оптимальный приём. Для этого в приёмнике необходимо знание точной копии передаваемого сигнала. Генератор ПСП генерирует длинный код, используя различные маски по заданному алгоритму. После этого необходимо обработать сигнал в оптимальном приёмнике.

Мобильная станция передает данные с определенной скоростью, которая на приемной стороне неизвестна. Поэтому для оптимального приема сигнала мобильной станции при известной маске длинного кода главной задачей является определение скорости передачи данных.

Для приемника сигнала мобильной станции стоят следующие задачи:

- демодуляция широкополосного сигнала;

- измерение отношения сигнал/шум;

- деперемежение;

- декодирование;

- определение скорости передаваемых данных.

Обобщённая структурная схема приёмника сигнала МС изображена на рис. 4.1.

Рис. 4.1 Обобщённая структурная схема

приёмника

Для скоростей 9600 бит в секунду и меньше индикатор качества фреймов не применяется. Эта схема является обобщённой. Для каждого канала предусмотрены свои скорости передачи данных, соответственно схема сокращается.

Скорость передачи данных в канале доступа равна 4800 bps (бит в секунду). В соответствии с определёнными функциями структурная схема приёмника канала доступа имеет вид, изображённый на рис. 4.2.

Рис. 4.2 Структурная схема приемника сигнала канала доступа

Предполагается, что демодулятор широкополосного сигнала (ШПС) осуществляет М-ичный прием, снятие расширения спектра, формирование мягкого решения для декодера Витерби. При вынесении мягкого решения определяются весовые коэффициенты символов. Таким образом, на выходе демодулятора ШПС однозначно определяются 6 символов, поэтому принять жесткое решение, предусматривающее определение конкретных значений битов («0» или «1»), в случае М-ичного приема невозможно.

В блоке деперемежения осуществляется операция, обратная операции перемежения при передаче.

Индикатор качества фрейма CRC выполняет две функции в приемнике: определяет, является ли фрейм ошибкой, и помогает в определении скорости передачи данных принимаемого фрейма.

В схеме определения скорости выносится решение о скорости принятого сигнала обратного канала.

4.2. Выбор и обоснование схемы обработки сигнала мобильной станции

Как известно [1], канал доступа в обратном канале CDMA не содержит пилот-канала. Поэтому обработка сигнала канала доступа не имеет преимуществ пилот-канала. Пилот-канал дает возможность принимать временные метки, обеспечивая фазовую синхронизацию для когерентного детектирования, а также по пилотному сигналу МС определяет мощность сигналов от различных базовых станций, на основании чего система принимает решение, к какой базовой станции привязать мобильный терминал. В остальных каналах обратного канала CDMA пилот-канал всегда передаётся, что позволяет осуществить когерентный приём сигнала.

Термин «некогерентная» означает, что на приемной стороне случайная фаза неизвестна. Причем случайная фаза связана c принятой несущей, и по этой причине только огибающая должна использоваться для вынесения решения относительно сообщения [6].

Пусть на входе приемника действует сигнал x(t), равный сумме полезного сигнала U(t) и помехи n(t) или только помехе. Тогда оптимальный приемник в случае сигнала с полностью известными параметрами вычисляет так называемый корреляционный интеграл, а затем сравнивает его величину с порогом z₀. Если помеха является гауссовским случайным процессом, спектральная плотность которого равномерна (белый шум), то корреляционный интеграл имеет вид [7]:

(4.1)

Значение корреляционного интеграла (4.1) находится с помощью коррелятора или согласованного фильтра.

Основными элементами коррелятора (рис. 4.3), как следует из выражения (4.1), являются перемножитель, генератор опорного сигнала (ГОС) и интегратор. На перемножитель поступают входной сигнал x(t) и сигнал с ГОС. Произведение x(t)U(t) интегрируется с момента прихода (t = 0) и до момента окончания обнаруживаемого сигнала (t = Т). Отметим, что коррелятор является устройством с переменными параметрами, так как режим его работы зависит от изменения U(t) во времени. Поскольку операции умножения и суммирования линейны, то коррелятор является линейным устройством. Имея в виду, что он отфильтровывает сигнал от помех и является линейным устройством с переменными параметрами, его иногда называют активным фильтром в отличие от пассивных фильтров, параметры которых постоянны во времени.

Рис. 4.3. Коррелятор

ПСП представляют собой сигнал в виде пачки фазоманипулированных когерентных радиоимпульсов, примыкающих друг к другу и имеющих одинаковую амплитуду и несущую частоту. В этом случае (ФМ ШПС) период следования импульсов совпадает с периодом пачки (t_c = T_п). Значения начальной фазы элементарных импульсов составляют 0 и π. Фильтр, согласованный с такой пачкой, может быть представлен в виде последовательного соединения фильтра, согласованного с одиночным импульсом, и когерентного накопителя. Когерентный накопитель представляет собой линейный сумматор на линии задержки с коэффициентами {а₁,а₂,…а_n} в отводах и осуществляет суммирование всех импульсов пачки (рис. 4.4). Коэффициенты в отводах линии задержки играют роль фазовращателей. Для ФМ ШПС некоторые отводы должны содержать инверторы, то есть фазовращатели на π. За счет когерентного накопления импульсов в сумматоре его амплитуда получается в N раз больше, чем амплитуда одиночного сигнала (N – количество импульсов в пачке). Благодаря этому этот фильтр позволяет увеличить отношение сигнал/шум по мощности в N раз по сравнению с СФ₁, так как все импульсы пачки складываются в фазе, а помехи – со случайными фазами.

Рис. 4.4. Согласованный фильтр

Согласованный фильтр является пассивным фильтром. Напряжение на выходе согласованного фильтра в момент окончания сигнала (t = Т) с точностью до постоянного множителя a равно напряжению на выходе коррелятора

v(T) = аz. (4.2)

Импульсная характеристика согласованного фильтра

h(t)=аv(Т—t), (4.3)

которая по форме является зеркально отображенным сигналом с запаздыванием Т.

Общим между коррелятором и согласованным фильтром является равенство (с точностью до постоянной) выходных напряжений в момент времени t = Т. Это и определяет их взаимную эквивалентность с точки зрения обнаружения сигнала. Различие заключается в следующем. Коррелятор является устройством с переменными во времени параметрами, а согласованный фильтр — устройством с постоянными параметрами. Следствием этого является то, что согласованный фильтр инвариантен относительно задержки сигнала и его начальной фазы (насколько эти величины изменятся в сигнале на входе фильтра, настолько они изменятся и в сигнале на выходе), а коррелятор не инвариантен.

Исключительная роль согласованного фильтра (или коррелятора) в оптимальном приемнике объясняется тем, что он максимизирует отношение сигнал-шум на своем выходе. Это отношение при действии на входе фильтра белого шума со спектральной плотностью N₀ и сигнала с энергией Е не зависит от формы сигнала

. (4.4)

Отношение сигнал/шум на выходе коррелятора и согласованного фильтра равно, однако с позиции реализации данных устройств на сигнальных процессорах есть существенная разница.

Генератор опорного сигнала в нашем случае представляет собой генератор ПСП. Обрабатываемый сигнал дискретен, поэтому операцию интегрирования можно заменить операцией суммирования до 4, поскольку 1 чип Уолша расширен 4 псевдошумовыми чипами. Модифицированный коррелятор представлен на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Модифицированный коррелятор

Согласованный фильтр в нашем случае будет иметь структуру, как показано на рис. 4.6. Коэффициенты в отводах линии задержки согласованны с ПСП (фаза импульса меняется в соответствии с ПСП), то есть являются функциями времени.

Рис. 4.6. Согласованный фильтр

Как видно (см. рис. 4.5 и 4.6) корреляционная схема последовательно накапливает 4 отсчета, а фильтровая параллельно делает 4 умножения на 1 такт ПСП. Хотя по времени обработки в целом эти устройства идентичны, сама операция умножения во втором случае в 4 раза быстрее. Недостатками фильтровой схемы обработки сигнала МС является многовходовой сумматор, а также наличие 4 перемножителей, в то время как коррелятор содержит только один.

Таким образом, получаем, что согласованный фильтр более критичен к ресурсам процессора. Поэтому выбираем корреляционную схему обработки сигнала МС.