最新の通信およびナビゲーションシステムのコードシーケンスの主な種類。参照データ

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最新の通信およびナビゲーションシステムのコードシーケンスの主な種類。参照データ

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この記事では、最新の通信およびナビゲーションシステムで使用されるコードシーケンスの主なタイプについて説明します。指定されたパラメーターは、この分野の最新の研究を参照して、科学的かつ実用的な観点から考慮されています。

システム処理のゲイン、そのノイズ耐性、および感度はそのパラメータに依存するため、無線工学情報伝送システムにおける疑似乱数コードシーケンスの選択は非常に重要です。コードシーケンスの長さが同じであっても、システムパラメータは異なる場合があります。

複雑なノイズのような信号を使用するシステムは、50 年以上使用されています。ハイパワーの狭帯域干渉に対する高いノイズ耐性、加入者をコードで分離する可能性、送信の秘密性、マルチパス伝搬に対する高い耐性、さらには高解像度など、ノイズに似た信号のよく知られた利点レーダーおよびナビゲーション測定、さまざまな通信システムでの使用の事前定義、および位置決定。

ノイズのような信号のどのようなパラメータにより、アプリケーションには多くの素晴らしい特性があり、それらは改善できるのでしょうか?

ノイズ状信号の特徴

ノイズのような信号を使用するシステムの重要なパラメータは、処理ゲインです。処理ゲイン（BO）は、受信機が受信したノイズのような信号を目的の情報信号に変換するときに、信号対ノイズ比がどの程度改善されるかを示します。この手順は、圧縮または逆拡散と呼ばれます。

古典的な定義によると、VO は次のようになります。

VO \u10d XNUMX Lg [C_к /と_и]どこ

С_к- 擬似ランダムシーケンスチップの頻度、チップ/秒。

С_и- 情報転送速度、ビット/秒。

この定義により、情報レートが 1 Mbps でチップレートが 11 Mchips/秒のシステム (情報の各ビットが 11 ビットの疑似ランダムシーケンスでエンコードされることを意味します) の RR は 10,41 dB になります。この結果は、入力での有用な信号が 10,41 dB 減少しても、情報伝送システムの操作性は同じ BER のままであることを意味します。

Ａｒｌａｎ、Ｗａｖｅｌａｎなどの従来の商用のノイズに似た無線モデムでは、ステルスやノイズ耐性よりも、情報伝送の速度が最優先されることが多い。このようなデバイスに対する米国連邦通信委員会 (FCC) の指示では、10 dB の最小 VO 値が提供され、XNUMX つのチャネルの最小許容帯域幅も割り当てられているため (これにより、チップ C の最大繰り返し率に制限が課されます)。_к) の場合、疑似ランダムコードシーケンスの長さは、ビットあたり少なくとも 11 チップでなければなりません。コードシーケンスの長さをビットあたり 64 チップに増やすと (これは、Zilog の有名な NPS Z87200 プロセッサで可能な最大長です)、11 Mchip/秒の同じチップ繰り返しレートで、処理ゲインは10Lg (64) = 18,06 dB とすると、情報転送速度は 64/11 = 5,8 倍に低下します。

NPS システムで使用するには、コードシーケンスに特定の数学的およびその他のプロパティが必要です。その主なものは、非常に優れた自己相関および相互相関のプロパティです。さらに、コードシーケンスはバランスが取れている必要があります。つまり、コード内の XNUMX と XNUMX の数が XNUMX 文字以内である必要があります。最後の要件は、情報信号の定数成分を除外するために重要です。

DSSS 受信機は、受信したコードシーケンスをメモリに保存されている正確なコピーと比較します。両者の相関を検出すると、情報受信モードに切り替わり、同期を確立し、有用な情報の解読動作を開始します。部分相関があると、誤検知や受信機の混乱につながる可能性があるため、コードシーケンスには良好な相関特性が必要です。相関の概念をより詳細に検討してください。

自己相関および相互相関関数

NPS システムで使用されるコードシーケンスの相関特性は、コードシーケンスのタイプ、その長さ、そのシンボルの繰り返し率、およびそのシンボルごとの構造によって異なります (1)。

一般に、自己相関関数（ACF）は、次の積分によって決定されます。

Y (t ) = ∫f(t)f(t-t )dt

信号とそれ自体のコピーとの接続を示しており、時間的に τ シフトされています。 ACF の研究は、誤った同期を確立する可能性が最も低いという点で、コードシーケンスの選択において重要な役割を果たします。

一方、相互相関関数 (CCF) は、CDMA などのコード分割システムにとって非常に重要であり、積分記号の下に異なる関数があり、同じ関数ではないという点でのみ CCF と異なります。

Y (t ）=∫f（t）g（t-t )dt

したがって、FCF は、あるコードシーケンスと別のコードシーケンスとの対応度を示します。 ACF と VKF の概念を単純化するために、特定の関数の値を、文字ごとに比較したときのコードシーケンスのシンボルの一致数 A と不一致数 B の差として表すことができます。この例を説明するために、次の形式を持つ 11 チップ長の Barker コードシーケンスの自己相関関数を考えます。

1 1 1 0 0 0 1 0 0 1

このシーケンスと独自のコピーの文字ごとの比較を表にまとめます。

シフト値	シーケンス	試合数 A	不一致数 B	差分値
1	01110001001	5	6	-1
2	10111000100	5	6	-1
3	01011100010	5	6	-1
4	00101110001	5	6	-1
5	10010111000	5	6	-1
6	01001011100	5	6	-1
7	00100101110	5	6	-1
8	00010010111	5	6	-1
9	10001001011	5	6	-1
10	11000100101	5	6	-1
0	11100010010	11	0	11

このバーカーシーケンスの ACF のグラフィック表示を図に示します。

最新の通信およびナビゲーションシステムのコードシーケンスの主な種類。 11 チップ Barker シーケンスの ACF

このような ACF は、偽信号の検出に寄与する可能性のあるサイドピークがないため、理想的と言えます。

否定的な例として、任意のコードシーケンスを考えてみましょう。次に例を示します。

1 1 1 0 0 0 1 1 1 0

前の例に対応する計算を実行すると、次の図に示す自己相関関数のグラフ表示が得られます。

最新の通信およびナビゲーションシステムのコードシーケンスの主な種類。 ACF シーケンス 11100011100

7ユニットと3ユニットのサイドピークは、そのようなシーケンスが信号分配に使用される場合、システムの誤警報につながる可能性があります。

加入者のコード分離ではなく、情報の送信を目的とした高速NPSシステムの場合、通常、良好な自己相関特性を持つバーカーコードが使用されます。コンピューターシミュレーションの助けを借りて、いわゆるウィラードコード (2) が見つかりました。これは、バーカーコードと同じ長さで、より良い相関特性を持つ場合があります。 13 シンボルを超える長さのバーカーコードシーケンスは不明であるため、より大きな VO を取得し、ノイズ耐性を高め、加入者のコード分離のために、より長いシーケンスが使用され、その重要な部分が M を形成します。 -シーケンス。

M系列

最もよく知られている位相シフトキーイング信号の 2 つは、コードシーケンスが最大長シーケンスまたは M シーケンスである信号です。 M シーケンスを構築するには、通常、特定の長さのシフトレジスタまたは遅延要素が使用されます。 M シーケンスの長さは XNUMX です^N-1。N はシフトレジスタのビット数です。放電出力をフィードバック回路に接続するためのさまざまなオプションにより、特定のシーケンスのセットが提供されます。

M シーケンスの ACF は、値が -1 から値 0 まで変化する領域 1±1 を除き、すべての遅延値で -2 に等しくなります。^N-1。さらに、M系列には別の興味深い特性があります。各系列にはゼロよりもXNUMXがXNUMXつ多くあります。多くの文献がM系列の形成方法と特性に専念しているため、これについては詳しく説明しません。

新しい PRISM チップセットの機能を調べるには^TM Harris Semiconductor は、自己相関関数の観点から最適なものを見つけるために、短い M シーケンスとバーカーコードの実用的な研究を実施しました (3)。

この研究の一環として、長さ15のM系列が分析され、次の形式になりました。

111 1000 1001 1010

結局のところ、次の形式の 13 文字の Barker シーケンスよりも自己相関特性が劣っています。

1 1111 0011 0101

M シーケンスの ACF の実際のビューを図に示します。

最新の通信およびナビゲーションシステムのコードシーケンスの主な種類。 15チップM系列のACF

比較のために、長さ 13 のバーカーコードシーケンスの ACF は次のようになります。

最新の通信およびナビゲーションシステムのコードシーケンスの主な種類。長さ 13 のバーカーコードシーケンスの ACF

写真の上部にオシロスコープの時計が表示されています。写真からわかるように、M シーケンスにはいくつかの大きなサイドピークがあり、NPS システムの受信品質を著しく低下させ、場合によっては誤信号検出につながる可能性があります。

さらなる調査の過程で判明したように、13文字のバーカーコードシーケンスにXNUMXつのゼロが追加された場合、結果のシーケンスのACF

001 1111 0011 0101

説明されている M シーケンスの ACF よりもはるかに優れています。これも 15 シンボルで構成されています。新たに取得したシーケンスの ACF:

最新の通信およびナビゲーションシステムのコードシーケンスの主な種類。 13 つのゼロを追加した後の 2 文字のバーカーコードシーケンスの ACF

したがって、短い M シーケンスは、XNUMX と XNUMX のバランスが優れているにもかかわらず、自己相関特性の点で Barker シーケンスよりも大幅に劣っています。

M シーケンスを使用する最もよく知られているシステムの中で、加入者 CDMA の符号分割とグローバルナビゲーションシステム GPS を備えた移動通信システムを挙げることができます。 CDMA システムは 32 つのコードシーケンスを使用します。それらの最初のものは、すべての機器の動作を同期させるために使用され、可変長 N ≈ (131÷10)XNUMX を持ちます。³ 文字。 2 番目の M シーケンスの最大長は N=XNUMX⁴²-1 で、基地局から加入者局を識別するために使用されます。 XNUMX 番目のシーケンスは、基地局と加入者局の間で有用な情報を送信するために使用され、ウォルシュシーケンスの XNUMX つです。

ウォルシュシーケンス（アダマール行列の行または列がそれらとして機能します）には、相互に直交する特性があります。数学的な観点から、直交性とは、ウォルシュシーケンス間に時間シフトがない場合、それらの内積がゼロであることを意味します。これにより、無線工学の観点から、基地局から複数の加入者局への情報送信における相互干渉を排除し、それによって通信システムのスループットを劇的に向上させることができます（5）。直交性のこの利点は、すべてのサブスクライバーへのシーケンスの送信が正確に同期されている場合にのみ発生します。ＣＤＭＡ基地局と加入者局の正確な同期は、主に全地球的航法システムのＧＰＳの助けを借りて実行される。 Walshシーケンスに加えて、他の直交シーケンスが通信システムで使用されます：DigilokおよびStifflerシーケンス。

M シーケンス自体に加えて、M シーケンスの組み合わせであり、いくつかの特定のプロパティを持つ複合コードシーケンスが通信システムに適用されています。それらの中で最も有名で使用されているのは、グールドシーケンスです。グールドのコードシーケンスは、同じ容量の XNUMX つのシフトレジスタに基づく単純なシーケンスジェネレータを使用して形成され、M シーケンスに関して XNUMX つの利点があります。

まず、それぞれ長さ N の 2 つのシフトレジスタに基づいて構築されたコードシーケンスのジェネレータは、XNUMX つの元の M シーケンスに加えて、長さ XNUMX の N 個のシーケンスを生成できます。^N-1、つまり、生成されるコードシーケンスの数が大幅に拡張されます。

次に、XNUMX つのジェネレータから受信したすべてのコードシーケンスの CCF が同じになり、そのサイドピークの値が制限されるように、グールドコードを選択できます。

M シーケンスの場合、TCF のサイドピークが特定の指定値を超えないことは保証できません。グールドコードシーケンスは、GPS などのグローバルナビゲーションシステムで使用されます。いわゆる「粗い」コード (C/A - クリア/取得) は、1023 MHz のクロック周波数で送信される、長さ 1,023 文字のグールドシーケンスを使用します。軍および特殊サービスがアクセスできるまったく同じコード (P - 精度) は、267 日の繰り返し周期と 10,23 MHz のクロック周波数を持つ超長い複合シーケンスを使用します。グールドの複合シーケンスに加えて、カサミシーケンスが最もよく使用されます。

新技術

この記事で言及されている M シーケンス、Gould シーケンス、Kasami シーケンスは、線形形成アルゴリズムを持つシーケンスを指します。このようなシーケンスの主な欠点は、予測可能性とそれに関連する送信の機密性の欠如です。非線形シーケンスはより予測不可能です。

最近、ダイナミックカオス現象を利用したノイズのような信号の生成に関する多くの出版物が出版されています (4)。動的カオス現象とは、特定の条件下での決定論的な動的システムの動きが、広帯域カオスプロセスのすべての特性を備えていることです。同時に、この現象を記述するアルゴリズムの基本的な特徴はその非線形性であり、生成される時間過程の特徴はその非周期性です。これにより、さまざまな目的の無線工学システムで使用する新しいクラスのランダムシーケンス、つまり擬似ランダムシーケンスの要件をよりよく満たす広帯域カオス ShHS 信号を検索する可能性が開かれます。

まとめ

第 6 世代モバイルシステムは、ヨーロッパの国際プログラムの枠組みの中ですでに開発されており、擬似ランダムシーケンスによって生成された広帯域信号を使用します。特に、エリクソンによって開発された WCDMA またはブロードバンド CDMA は、UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) の基本標準として選択されました。世界の発展した電気通信会社と一流大学を多かれ少なかれ結びつけたXNUMX以上のプロジェクトがあり、将来のグローバルな世界通信の問題にさまざまな角度からアプローチしようとしている(XNUMX)。

遠い将来、地球上のすべての住民が自分専用の端末を所有することになるのは明らかであり、その端末はサイズが小さく、テレビ電話から地球規模の世界情報システムへのアクセスまで、利用可能なあらゆる種類の通信を所有者に提供します。

そして、そのようなシステムでは、疑似ランダムシーケンスを使用した加入者のコード分離が使用される可能性が高いです。

文学

R.K.Dikson、ブロードバンドシステム: per. 英語/エドから。 V.I. Zhuravleva.- M.、Svyaz、1979 .-304 p。
John Faktselis、Madjid A.Belkerdid、ダイレクトシーケンススペクトラム拡散通信システムおよび PRISM のプロセッシングゲイン^TM. アプリケーションノート 9633、Harris Semiconductor、1996 年 XNUMX 月。
Carl Andren、ダイレクトシーケンススペクトラム拡散無線用の短い PN シーケンス。ハリス・セミコンダクター、フロリダ州パームベイ。 4/11/97。
V.Ya.Kislov 他、動的カオスを伴うシステムによって生成されるノイズのような信号の相関特性。 Fg 無線工学とエレクトロニクス、1997 年、第 42 巻、第 11 号、p.1341-1349。
N.I. Smirnov、S.F。Gorgadze、加入者局の同期コード分割：有望な世代のパーソナル通信システム。テクノロジーとコミュニケーション手段。 4年第1998号。
Yu.M.Gornostaev。第 3 世代のモバイルシステム。モスクワ、ICSTI。 1998年。

著者：Malygin Ivan Vladimirovich; 出版物：library.espec.ws

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