Метод множественного доступа с кодовым разделением
В случае FDMA и ТDМА плоскость ресурса связи была разделена на горизонтальные отрезки, соответствующие частотным диапазонам и временные интервалам соответственно. Эти два подхода являются наиболее распространенными в приложениях множественного доступа. Результатом совмещения FDMA и TDMA является метод множественным доступа с кодовым разделением (code-division multiple access – CDMA). Данный метод доступа базируется на основе методов расширения спектра (spread-spectrum – SS), которые можно разделить на две основные категории: расширение спектра методом прямой последовательности (direct sequence – DS) и расширение спектра методом скачкообразной перестройки частоты (frequency hopping).
При использовании расширенного спектра со скачкообразной перестройкой частоты (frequency-hopping spread spectrum – FHSS) передача сигнала производится с помощью определенных наборов частот, имеющих свойства случайных последовательностей. Перестройка частоты сигнала происходит через определенные интервалы времени. Изменение рабочих частот приемника синхронизируется с передатчиком, что позволяет получить сигнал на приемной стороне. В то же время при попытке подслушать сеанс связи будут слышны лишь неразборчивые звуки, а создание преднамеренных помех на одной из частот приведет к уничтожению только нескольких битов сигнала.
На рис. 3.4 приведен пример передачи сигнала со скачкообразной перестройкой частоты (frequency hopping – FH). Для передачи FH-сигнала резервируется определенное количество каналов. Как правило, используют 
несущих частот, которые составляют 
каналов. Расстояние между несущими частотами (а, следовательно, ширина каждого канала) обычно равно ширине полосы входного сигнала. При передаче каждый канал используется в течение фиксированного интервала времени. В стандарте IEEE 802.11, например, этот интервал равен 300 мс. В течение такого интервала производится передача некоторого количества закодированных определенным образом битов. Последовательность использования каналов задается кодом расширения, и поскольку приемник и передатчик используют один и тот же код, переходы между каналами выполняются синхронно.
Рис.3.4. Пример скачкообразной перестройки частоты
На рис. 3.5 приводится типовая блок-схема системы связи со скачкообразной перестройкой частоты. При передаче двоичные данные подаются на модулятор, работающий с использованием определенного метода модуляции. С технологией FHSS часто используется частотная модуляция FSK. Перестройка частоты производится путем модулирования сигнала FSK несущей FHSS. Существует медленная и быстрая скачкообразная перестройка частоты, когда время перестройки соответственно больше или меньше длительности символа.
В схеме на рис.3.5 показано перемножение двух сигналов. Приведем пример подобного умножения, используя FSK. Сигнал FSK на входе системы FHSS можно определить следующим образом:
, при 
.
где 
– амплитуда сигнала;
– базовая частота;
– значение 
-го бита данных (+1 соответствует двоичной 1; -1 – двоичному 0);
– интервал разноса частот;
– длительность передачи одного бита; скорость передачи данных равна 1/
.
Таким образом, в течение интервала передачи - го бита частота сигнала будет равна 
, если бит имеет значение -1, и + при значении бита +1.
Синтезатор частот генерирует последовательность колебаний, частота которых изменяется через равные промежутки времени. Переходы в наборе частот определяются k битами псевдослучайного кода. Будем считать время передачи на одной частоте равным времени передачи одного бита. Результирующий сигнал во время - го интервала передачи (передачи (-го бита) можно выразить в следующем виде:
или
.
Рис.3.5. Система связи расширенного спектра со скачкообразной перестройкой частоты
где 
– частота сигнала, сгенерированного синтезатором частот во время -го интервала передачи.
Полосовой фильтр (рис.3.5) позволяет выделить только составляющие суммарной частоты. Полученный сигнал FHSS может быть записан в таком виде:
Приемник получит сигнал, описываемый определенной функцией 
. В результате умножения полученного сигнала на копию сигнала расширения получим
,
которое можно преобразовать к виду
Для исключения суммарной составляющей частот используется полосовой фильтр (рис.3.5), в результате получается сигнал, который описывается функцией 
,
В приведенном примере упрощенной модели схемы CDMA с перестройкой частоты из требований симметрии вытекает, что каждый сигнал изменяет частоту синхронно со всеми остальными сигналами. Одним из преимуществ схемы CDMA в сравнении с TDMA является то, что группы пользователей не нуждаются в синхронизации (синхронизироваться должны только передатчики и приемники каждой группы).
Как правило, FHSS предусматривает использование большого числа частот, следовательно, ширина полосы сигнала расширенного спектра –
намного больше ширины полосы сигнала –
. Одним из преимуществ такого подхода является большая устойчивость системы к воздействию преднамеренных помех. Предположим, например, что имеется канал с шириной полосы и источник преднамеренных помех с полосой спектра такой же ширины и фиксированной мощностью 
. Тогда отношение энергии сигнала на бит к плотности энергии шума на герц записывается в следующем виде
.
При использовании скачкообразной перестройки частоты генератор преднамеренных помех вынужден будет создавать шум на всех частотах. Поскольку мощность генератора помех фиксирована, мощность шума на каждой из частот будет равна 
. Значит, отношение мощности сигнала к мощности шума возрастет на величину
. (3.3)
При расширении спектра методом прямой последовательности (direct sequence spread spectrum – DSSS) после обработки исходного сигнала кодом расширения каждому исходному биту ставится в соответствие несколько битов передаваемого сигнала. Степень расширения спектра прямо пропорциональна количеству битов кода.
Один из методов применения DSSS – комбинирование цифрового информационного потока А и битовой последовательности кода расширения В, можно представить в виде
.
Здесь суммирование осуществляется по модулю 2. Пример такого формирования приводится на рис.3.6. Комбинация двух последовательностей битов имеет такую же скорость передачи, как и последовательность кода расширения. Следовательно, ширина спектра комбинированной последовательности больше ширины спектра последовательности данных. В данном примере скорость передачи последовательности битов кода в четыре раза превышает аналогичный параметр для битов данных.
Рассмотрим использование схемы DSSS на практике, предполагая применение модуляции BPSK. Для обозначения двоичных данных удобнее будет использовать не нуль и единицу, a „+1” и „-1” соответственно. Сигнал BPSK можно описать следующей формулой:
,
где – амплитуда сигнала;
– несущая частота;
– дискретная функция, принимающая значение +1 или -1 в зависимости от передачи 1 или 0.
Чтобы получить сигнал DSSS, необходимо умножить на функцию 
, которая соответствует псевдослучайной последовательности
Рис.3.6 – Пример использования расширения спектра методом прямой последовательности
При приеме сигнала он еще раз умножается на . Поскольку 
, в результате умножения будет восстановлен исходный сигнал:
(3.4)
Выражение (3.4) можно интерпретировать двояко, откуда следуют две реализации описанного метода. Первая интерпретация – умножение на с последующим применением модуляции BPSK. Можно также использовать альтернативный подход – модуляцию по схеме BPSK потока данных с последующим умножением полученной функции на .
Реализация второй трактовки приведена на рис. 3.7.
Расширение спектра при использовании схемы DSSS определяется числом разрядов, используемых для кодирования каждого бита передаваемой информационной последовательности (
). Как и для схемы FSSS, представление об эффективности DSSS можно получить, проанализировав устойчивость системы связи к воздействию преднамеренных помех. Предположим, что преднамеренная помеха ставится на центральной частоте системы DSSS.
Рис.3.7 – Система расширения спектра методом прямой последовательности
Напряжение помех имеет вид
.
Полученный сигнал можно представить так:
.
где - переданный сигнал;
- аддитивный белый шум;
- мощность помехи.
Устройство сужения спектра в приемнике умножает 
на . Поэтому напряжение сигнала можно записать в следующем виде:
.
Таким образом, напряжение помехи модулируется BPSK. Следовательно, мощность несущей , распределена в полосе частот, ширина которой равна 
. В то же время демодулятор BPSK (рис.3.7), следующий за устройством сужения спектра, содержит полосовой фильтр с шириной полосы 
, который согласован с данными BPSK. Значит, большая часть мощности помех отфильтровывается. Мощность преднамеренных помех, которые не были отсеяны полосовым фильтром, будет равна:
.
Таким образом, использование расширенного спектра снизило мощность преднамеренных помех в раз. Величина, обратная данному коэффициенту, выражает выигрыш в отношении сигнал/шум:
, (3.6)
где - ширина спектра передаваемого сигнала;
- ширина расширенного спектра сигнала.
Результат подобен полученному ранее для схемы FHSS.