4.2. Постановка проблемы

В настоящее время широкое применение находят системы связи, построенные на основе технологии многостанционного доступа и кодового разделения (CDMA - Code Division Multiply Access). Они применяются во многих областях цифровой беспроводной связи, включая спутниковую, сотовую, микросотовые персональные системы связи, локальные односотовые (транкинговые) системы. При этом сотовые системы CDMA радиосвязи должны стать наиболее распространенным средством радиодоступа к мировым информационным сетям, в первую очередь из-за высокого коэффициента использования частотного диапазона. Сотовые системы CDMA обладают рядом преимуществ по сравнению с другими системами, к которым можно отнести высокую пропускную способность, высокое качество связи, возможность гарантированного засекречивания информации и возможность интеграции услуг различных видов связи и взаимодействия с развивающимися цифровыми сетями, с интегральными службами (ISDN) и сетями пакетной передачи данных.

Перспективы развития военных подвижных средств связи связаны с созданием ШПС систем, построенных по технологии CDMA с использованием ППРЧ. Разрабатываемые системы связи должны обладать не только высокими характеристиками пропускной способности и качества связи, но и удовлетворять дополнительным требованиям, к которым относятся такие, как скрытность системы связи и устойчивость к влиянию непреднамеренных и преднамеренных помех. Если проблемы скрытности и связанные с ними проблемы защиты информации от несанкционированного использования в системах CDMA решаются относительно просто (за счет кодирования информации и ППРЧ), то проблема защиты от помех (количество и мощность преднамеренных помех в военных системах связи непредсказуемы) требует введения дополнительных устройств защиты (УЗ), располагаемых как на базовой станции, так и в приемнике мобильного терминала.

Проблема влияния узкополосных помех на широкополосные системы связи в коммерческих системах связи менее актуальна, поскольку широкополосные и узкополосные системы связи работают в разных частотных диапазонах, выделенных только для этих систем. Но и в этом случае данная проблема возникает в виде проблемы защиты от не сертифицированных или еще используемых устаревших передающих узкополосных устройств и комбинационных составляющих от узкополосных станций, работающих в соседних частотных диапазонах. Причиной появления комбинационных составляющих может быть нелинейность передающих трактов узкополосных станций или нелинейность приемных трактов станций CDMA.

Наибольшую опасность представляют внутриканальные помехи (помехи, попадающие непосредственно в полосу полезного сигнала). Эффективность применения устройств подавления узкополосных помех может быть проиллюстрирована следующим примером. При секторизации на три сектора наличие всего одной узкополосной помехи с мощностью, равной мощности одного пользователя AMPS, приводит к уменьшению числа пользователей CDMA с 36 до 26. Если же применить некоторый метод подавления узкополосных помех, то число пользователей в тех же условиях увеличивается до 33.

По данным российских операторов связи, основным источником помех являются помехи от не сертифицированного оборудования. Эта ситуация встречается довольно часто. Жалобы на воздействие узкополосных помех выражали многие операторы (в том числе и СОНЕТ). Количество таких помех, по данным фирмы СОНЕТ, в индустриальной зоне не более 4.

Зарубежные фирмы также столкнулись с этой проблемой. Так например, фирма Samsung приводит следующие требования на устройство защиты:

• УЗ не должно противоречить стандарту IS-95 и алгоритмам обработки сигнала в базовой станции (BTS V4);

• сложность устройства должна соответствовать возможности реализации его в условиях базовой станции (минимальные аппаратные затраты);

• УЗ должно эффективно бороться с 4 помехами одновременно, обеспечивая их 40дБ подавление или с двумя помехами, обеспечивая подавление их на 60дБ. Ширина зоны режекции по указанным уровням должна составлять 7кГц;

• шаг сетки частот 12.5кГц;

• время перестройки (адаптации) 250мс при полосе 1.5МГц;

• разработанное устройство должно быть по возможности автономным и независимым от других блоков системы.

Ряд операторов устанавливает подавители помех на своем оборудовании. Эти подавители по своей сути являются режекторными фильтрами, настроенными на расположенную в соте помеху. При этом оператор должен проанализировать помеховую обстановку в секторе и настроить режекторный фильтр на обнаруженную помеху. Эта операция занимает продолжительное время. Кроме того, при изменении помеховой обстановки необходимо заново перестраивать режекторный фильтр. Такой подход неэффективен, поскольку требует постоянного контроля состояния базовой станции.

Фирма JRS предлагает адаптивный подавитель помех, выполненный в аналоговом виде. Подавитель способен обнаруживать и подавлять до 4 помех c шириной спектра 7кГц в диапазоне 898-901MГц. Подавление помехи при этом составляет 40дБ. Вес подавителя составляет 8кг. Фазо-частотная характеристика не объявлена.

Одним из существенных недостатков аналоговых устройств подавления помех является их нелинейная фазо-частотная характеристика. Кроме того, эти устройства обладают плохими массогабаритными показателями. Стоимость таких устройств высока, поскольку сами устройства сложны в регулировке при производстве.

Для борьбы с узкополосными помехами в системе CDMA отделом 219 в 1998 году разработан подавитель узкополосных помех адаптированный для стандарта IS-95. Подавитель помех подключается непосредственно к выходу АЦП и реализован на одной микросхеме FPGA (Field Programmable Gate Array) XILINX 4062. Блок разделяет сигнал на 7 частотных каналов с помощью цифровых фильтров с конечной импульсной характеристикой (КИХ). После разделения сигнала производится анализ и обнаружение канала, содержащего узкополосную помеху. Выходной сигнал формируется суммированием не пораженных помехой частотных каналов. Для регулировки уровня сигнала на выходе блока защиты реализовано выходное АРУ. Блок защиты имеет следующие характеристики:

• полоса сигнала - 1.25МГц;

• частота дискретизации входного сигнала – 8*1.2288 МГц;

• разрядность входного сигнала - 8 бит;

• количество частотных каналов - 7;

• неравномерность в полосе пропускания - 1.5Дб;

• подавление узкополосных помех на 28Дб при режекции одного частотного канала и на 42Дб при режекции двух частотных каналов;

• диапазон регулировки выходного АРУ 40Дб с шагом менее 1Дб;

• разрядность выходного сигнала – 4 бита.

Существенным его недостатком является малое число каналов, т.е. режекция (подавление) помехи обменивается на слишком значительную часть полосы полезного сигнала (при 4-х помехах от полезного сигнала, в лучшем случае, остается 3/7). Кроме того, цифровой БЗ не обеспечивает необходимого уровня подавления помех. Следующими главными шагами в развитии УЗ должны быть улучшение подавления помех (увеличение глубины режекции), увеличение числа каналов (либо сужение полосы режекции другими методами). Увеличение числа каналов является не оптимальным решением, т.к. вероятность одновременного воздействия большого количества мощных УП весьма мала.

Определим возможную элементную базу, на которой можно реализовать данное устройство. Минимальная частота дискретизации УЗ будет равна F_Д=1.2288*2=2.4576МГц, однако такая частота дискретизации накладывает слишком высокие требования на фильтры ПЧ, и поэтому F_Д>1.2288*4=4.9152МГц. Для реализации УЗ на современных процессорах обработки сигналов потребуется процессор быстродействием порядка 1000 MIPS, т.е. 200 команд на отсчет. Стоимость такого процессора примерно $300. Данный подход является чрезмерно дорогостоящим для его использования в мобильной станции. Кроме того, недостатком такого подхода является невозможность функционирования при более широкой полосе сигнала.

Другой подход к построению УЗ основан на использовании FPGA (Field Programmable Gate Array). Именно этот вариант исполнения и был выбран для реализации устройства. В качестве элементной базы была выбрана одна микросхема FPGA VIRTEX фирмы Xilinx. Кроме того, FPGA- подход можно рассматривать и как этап разработки специализированной СБИС УЗ.