6.5.2. Realizace systémů a rozprostřeným spektrem

Radiokomunikační systémy a rozprostřeným spektrem je možné realizovat v praxi různými způsoby. Mezi nejčasněji používané varianty náležejí:

a) systémy s přímou modulací kódovou posloupností

b) systémy se skokovou změnou kmitočtu nosné vlny

c) systémy s lineární kmitočtovou modulací

d) systémy založené na tzv. metodě L časových skoků

e) systémy kombinované, vzniklé vhodným spojením dvou L i více systémů elementárních [tj. systémů a) až d)].

Ačkoliv se uvedené systémy svým zapojením i principy činnosti vzájemně liší, mají jednu společnou charakteristickou vlastnost. Požadovaného rozšíření kmitočtového spektra signálu vf na vysílací straně se dosahuje pomocí určitého kódovacího signálu resp. přídavné modulace které nikterak nesouvisejí (tj. mají nulovou korelaci) s modulačním signálem nesoucím informaci. Na přijímací straně se potom vzniklý širokopásmový signál nejprve zbaví přídavné modulace, čímž se přemění opět na signál úzkopásmový a ten se poté již běžnými způsoby demoduluje. Vlastní proces rozprostření kmitočtového spektra a jeho následující komprese však může nejlépe objasnit konkrétní popis několika výše zmíněných systémů.

Obr. 2a - Skupinové schéma komunikačního systému s rozprostřeným spektrem,
spřímou modulací kódovou posloupností

Na obr: 2a je skupinové schéma zapojení systému s přímou modulací kódovou posloupností, který se vyskytuje nejčastěji (direct-sequence systém). Zde se v primárním modulátoru vysílače nejprve namoduluje vstupní modulační (informační) signál - který byl již předtím digitalizován a má podobu signálu PCM - na vysokofrekvenční nosnou vlnu o kmitočtu f,. V modulátoru se obvykle uskutečňuje dvojstavové klíčování fázovým posuvem, označované jako modulace B-PSK; ve funkci modulátoru je možno využít běžného analogového násobiče, v němž se násobí nemodulovaná nosná vlna bipolárním signálem PCM (tedy "plus" nebo "minus" jednotkou), následkem čehož pak dochází ke změnám její fáze mezi dvěma diskrétními stavy, například mezi hodnotami 0^o a 180^o. Výstupní signál primárního modulátoru zaujímá určité pásmo vf o šířce B_i rovnající se přibližně dvojnásobku bitové rychlosti r_i modulačního signálu PCM. Signál se poté přivádí do dalšího modulátoru B-PSK, kde je znovu modulován binárním signálem, jenž ale má v tom případě pseudonáhodný charakter (pod pojmem "pseudonáhodný" se zde rozumí signál, jež je determinovaný, avšak jeho statistické vlastnosti se blíží vlastnostem signálu náhodného). Přitom bitová rychlost pseudonáhodného signálu r_pn je záměrně volena tak, aby byla o několik řádů vyšší, než rychlost modulačního signálu r_i . V důsledku toho je ale také šířka pásma výstupního signálu druhého modulátoru B_vj podstatně větší, než šířka B;. V praxi se volí bitové rychlosti v relaci r_pn = (10³ až l0⁵)·r_i, takže pro šířky pásma dostáváme vztahy

B_i ≈ 2r_i

B_vf ≈ 2r_pn = ( 10³ až 10⁵ ) B_i.

Působením pseudonáhodného signálu tedy zřejmě dochází k výraznému rozprostření spektra kmitočtů vysílaného signálu. Na přijímací straně přichází signál a rozprostřeným spektrem do násobiče, který s následující pásmovou propustí plní vlastně úlohu korelátoru. Na druhý vstup násobiče se přivádí kódovací signál z generátoru peeudonáhodného signálu (označovaného také jako generátor pseudonáhodné posloupnosti), který je identický a obdobným generátorem na vysílací straně a je s ním dokonale synchronizován. Vlivem toho se ale na výstupu násobiče objevuje signál, z něhož je zcela eliminována pomocná modulace pseudonáhodnou posloupností. Proto má signál opět již úzkopásmový charakter a může být po kmitočtové filtraci v běžném demodulátoru B-PSK demodulován. Tím se získá signál PCM v základním pásmu, který se až na určité zkreslení a šum shoduje s modulačním signálem přicházejícím do vysílače.

Obr. 2b - typické průběhy signálů v časové a kmitočtové oblasti
ilustrující činnost systému z obr 2.a

Činnost systému názorně dokreslují jeho signály, znázorněné v časové a kmitočtové oblasti na obr. 2b. Průběh 1 představuje signál na výstupu primárního modulátoru vysílače; vzhledem k podstatně nižší bitové rychlosti v porovnání se signálem pseudonáhodným se signál zobrazí v relativně krátkém uvažovaném časovém úseku jako sinusový průběh, ve spektrální oblasti potom jako úzké okolí nosného kmitočtu f_s. Průběh 2 znázorňuje pseudonáhodný signál vysílače průběhy 3 a 4 výsledný výstupní signál vysílače resp. vstupní signál přijímače (šířky pásma 2r_pn hlavního laloku spektra vymezuje oblasti v níž je soustředěno asi 90 % energie vf a proto ji uvažujeme jako výslednou šířku pásma kanálu vf B_vf ). Průběh 5 odpovídá signálu zasynchronizovaného generátoru pseudonáhodné posloupnosti přijímače a konečně průběh 6 výstupu násobiče přijímače, z něhož je již odstraněna pomocná pseudonáhodná modulace [5].

Obr. 3 - Generátor pseudonáhodného signálu realizovaný pomocí
posuvného registru s lineární zpětnou vazbou

Generátor pseudonáhodné posloupnosti ve vysílači či přijímači musí generovat signál, který má v celém rozprostřeném pásmu konstantní výkonovou spektrální hustotu a kromě toho má ještě některé další speciální vlastnosti [1]. Takový generátor lze realizovat pomocí posuvného registru s lineární zpětnou vazbou, složeného z n klopných obvodů, jejichž určité zvolené výstupy se sčítají modulo 2 a poté zavádějí na vstup celého obvodu. Podle uspořádání zpětné vazby se mění perioda a další vlastnosti generované posloupnosti přičemž její maximální dosažitelná délka je u n-stupňového binárního registru L = (2ⁿ– l); posloupnost s uvedenou periodou se označuje jako lineární pseudonáhodná posloupnost maximální délky. Konkrétní zapojení čtyřstupňového registru uvažovaného typu je na obr. 3 (v praxi ovšem bude počet stupňů registru obvykle znatelně větší). Jednotlivé stupně mohou být ve stavu buď logické nuly nebo jednotky. Nastaví-li se nejprve všechny do počátečního stavu log. l, bude dané zapojení generovat zřejmě náhodnou posloupnost, která bude mít (2⁴  -1) = 15 symbolů, a to

1111 0001 0011 010. (7)

Po ukončení řady se budou všechny stupně nacházet opět v počátečním stavu log. 1 a celý cyklus se tedy bude opakovat. Signál (7) má unipolární charakter, avšak další obvody vysílače resp. přijímače vyžadují zpravidla signál bipolární. Proto je za posuvným registrem zařazen bipolární komparátor, na jehož výstupu se již získá bipolární forma posloupnosti (7)

–1–1–1–1 111–1 11–1–1 1–11.

Činnost registru je řízena taktovacím signálem; s typickým kmitočtem 10⁶ až l0⁸ Hz; přitom okamžiky změn pseudonáhodného signálu jsou obvykle v koincidenci s okamžiky změn modulačního signálu PCM.

Obr. 4 - Systém s rozprostřeným spektrem se skokovou změnou kmitočtu nosné vlny
řízenou pseudonáhodným signálem

Techniky rozprostřeného spektra se užívá také u systémů se skokovou změnou kmitočtu nosné (frequency-hopping systems), které vlastně představují variantu modulace M-FSK, tj. vícestavového klíčování kmitočtovým posuvem. Vysílač a přijímač zmíněných systémů je znázorněn na obr. 4. Vysílač obsahuje rychlý širokopásmový syntezátor kmitočtů, s kmitočtem neustále se měnícím v ekvidistantních okamžicích mezi N diskrétními ekvidistantními hodnotami ležícími v určitém pásmu B_vf souměrně okolo středního kmitočtu f_h. Změny jsou opět řízeny určitým pseudonáhodným kódovacím signálem, přičemž se uskutečňují rychlostí r_h, která je z technických důvodů nejvýše jen asi o jeden řád vyšší než je bitová rychlost informačního signálu r_i. Aby však byl systém v porovnání se systémy úzkopásmovými účinný, musí syntezátor obsáhnout velký počet diskrétních kmitočtů, řádu 10³  až 10⁵. Tak získaný "přeskakující" kmitočet se ve směšovači vysílače směšuje s pomocnou nosnou vlnou o kmitočtu f_m, na kterou byl již předtím v primárním modulátoru namodulován vhodným způsobem - například dvojstavovým klíčováním kmitočtovým posuvem B-FSK - přenášený modulační signál. Součtový směšovací produkt o středním kmitočtu (f_h + f_m) se potom již vysílá.

I na přijímací straně je identický syntezátor  kmitočtů a generátor pseudonáhodného kódu, který je kmitočtově i fázově synchronizován s přijímaným kanálem. Vstupní signál přijímače je pak ve směšovači převeden směšování  se signálem zmíněného syntezátoru do mezifrekvenčního pásma f_m, kde už je z něho odstraněna pomocná modulace pseudonáhodným signálem a zbývá tedy na něm pouze uzkopásmová modulace B-FSK s užitečným informačním signálem. Po filtraci úzkopásmovou propustí lze signál v běžném demodulátoru demodulovat a tím získat modulační signál PCM v základním pásmu.

Ke generaci pseudonáhodného kódovacího signálu lze rovněž využít n-stupňového posuvného registru. Tak například u 4-stupňového registru z obr. 3 výstupy všech čtyř klopných obvodů určují svými stavy vždy čtyřbitovou kódovou skupinu. Během  jedné periody se tedy získá posloupnost celkem patnácti takových kódových skupin, které po převodu do desítkové soustavy poskytují čísla (v pořadí odpovídajícím relaci (7) nebo (8))

15 7 3 1 8 4 2 912 6 11 5 10 13 14  15. (9)

Každému z čísel je potom přiřazen určitý výstupní kmitočet syntezátoru. Vedle výše popsaných dvou základních komunikačních systémů s rozprostřeným spektrem se v praxi oběma uplatňují ještě některé další. Je to především systém s lineární kmitočtovou modulací (linear frequency modulation system). Tady se přenos uskutečňuje pomocí signálů v podobě impulsů vf, jejichž kmitočet během jejich trvání lineárně roste nebo klesá, čímž dochází k požadovanému rozprostření spektra (v zásadě tedy není zapotřebí určitý pseudonáhodný pomocný signál). Takové systémy se původně uplatňovaly především v radiolokaci [1], avšak moderní způsoby zpracování signálů pomocí filtrů SAW jim otevírají cestu i do oblasti sdělovací techniky [7].

Podstata systému založeného na metodě časových skoků - označovaného také jako systém s impulsově čápovou modulací - spočívá v tom, že se do modulátoru vysilače realizujícího určitý typ diskrétní (impulsové) modulace přivádí modulační signál. Modulátor ale nepracuje spojitě v čase, nýbrž je zapínán a vypínán jistým pseudonáhodným kódovacím signálem. Tím vzniká zdánlivě nepravidelné vysílání po krátkých časových úsecích, mezi nimiž je vysílače umlčen.

Smíšené systémy s rozprostřeným spektrem vznikají vhodným spojením dvou systémů základních. V praxi se nejvíce uplatňuje kombinace systému s přímou modulací  kódovou posloupností a systému se změnou kmitočtu nosné, dále systému s impulsově časovou modulací a systému se změnou kmitočtu nosné a konečně systému s impulsově časovou modulací a systému a přímou modulací. Kombinované systémy mají tu výhodu že mohou vykazovat vlastnosti, které jsou u elementárních systémů nedosažitelné.

Synchronizace systémů s rozprostřeným spektrem