Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Амплитудная модуляция и демодуляция хаотических сигналов
1.1. Постановка задачи 15
1.2. Амплитудная модуляция гармонической несущей 15
1.3. Амплитудная модуляция хаотической несущей 20
1.4. Модуляция и демодуляция хаотического сигнала с подавлением несущей. "On-Off' модуляция. 31
1.5. Амплитудная модуляция фазохаотической несущей 32
1.6. Метод выравнивания огибающей амплитудохаотической несущей 38
1.7. Выводы 43
Глава 2. Прием сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов .
2.1. Постановка задачи. Идеальная система прямохаотической связи 45
2.2. Структура реального приемника. Квадратичный детектор 49
2.3. Логарифмический детектор. 53
2.4. Распознавание импульсов. 58
2.5. Выводы 70
Глава 3. Малогабаритный сверхширокополосный прямохаотическии приемопередатчик .
3.1. Постановка задачи 71
3.2. Макет приемопередатчика 71
3.2.1. Генератор хаоса 75
3.2.2. Ключ - модулятор 78
3.2.3. Приемник огибающей 80
3.2.4. Цифровая плата (блок) 83
3.3. Моделирование статистических характеристик 85
3.4. Экспериментальный макет и его исследование 89
3.5. Выводы 90
Глава 4. Сверхширокополосная СВЧ приемопередающая платформа на основе хаотических сигналов .
4.1. Постановка задачи. 93
4.2. Основные требования к платформе. 96
4.3. Структура платформы (приемопередатчика) 96
4.3.1. Цифровой блок. ПЛИС 97
4.3.2. Цифровой блок. Микроконтроллер (МК) 111
4.3.3. Вспомогательные устройства. 122
4.3.4. СВЧ часть приемопередатчика. 123
4.4. Экспериментальное исследование платформы 127
4.5. Выводы 128
Заключение 130
Список Литературы 131
- Метод выравнивания огибающей амплитудохаотической несущей
- Структура реального приемника. Квадратичный детектор
- Моделирование статистических характеристик
- Цифровой блок. Микроконтроллер (МК)
Введение к работе
Динамический хаос - сложное непериодическое движение, порождаемое нелинейными системами. Такой тип движения может возникать в отсутствии внешнего шума и полностью определяется свойствами детерминированной динамической системы. В течение последних 40 лет, с момента открытия динамического хаоса интерес к нему в научной среде не ослабевает. На протяжении этого времени это явление активно исследовалось различными учеными и научными группами [1-16].
Динамический хаос обладает рядом интересных свойств : сплошным спектром мощности, экспоненциально-спадающей корреляционной функцией, высокой чувствительностью к начальным условиям, и как следствие экспоненциальное в среднем разбегание близких траекторий и др. В многочисленных теоретических и экспериментальных работах было показано, что явление динамического может быть широко использовано в различных областях науки и техники. Одним из перспективных направлений использования ДХ является применение его в коммуникационных технологиях.
Работы по использованию хаоса в системах связи проводились еще в 80-годы прошлого века [1], интенсивные исследования по передаче информации с помощью хаоса стартовали в начале 90-х годов. (Куоме К., Оппенгейм А., Чуа Л., Дмитриев А.С., Хаслер М., Рульков Н.В., Шалфеев В.Д., Шварц В., Парлиц Ю., Гребожи С, Э. Отт, Панас А.И., Кеннеди М., Колумбан Г., Капранов М.В., Бутковский О.Я., Старков CO., Тратас Ю.Г. и др.).
Возникший интерес был во многом связан с открытием явлений хаотической синхронизации [17-19] и хаотического синхронного отклика [20]. Первые серьезные успехи были связаны с тем, что для ряда модельных схем была продемонстрирована возможность передачи цифровых и аналоговых сообщений с использованием хаотических сигналов [21-36]. В схеме с нелинейным подмешиванием информационного сигнала в хаотический были получены экспериментальные результаты, подтверждающие передачу реальных речевых и музыкальных сигналов, как в низкочастотном так и в радио- диапазонах [27].
Разработанные подходы и модели передачи информации с использованием хаотической синхронизации и их экспериментальная проверка заложили основу для дальнейшего развития хаотических коммуникаций. Однако дальнейшие исследования показали, что системы связи, использующие хаотическую синхронизацию (хаотический синхронный отклик), имеют серьезные ограничения на качество канала связи и не являются, на ближайшую перспективу, практически применимыми.
Следующим важным шагом было осознание того, что, возможно, следует отказаться от использования хаотической синхронизации для того, чтобы улучшить характеристики систем связи, использующих хаос. В работах М. Кеннеди и Г. Колумбана [30-31] было показано, что в этом случае можно получить неплохие характеристики связных систем. Эти характеристики хотя и уступают характеристикам традиционных систем, но уже не в такой степени, как это имеет место для систем с хаотической синхронизацией.
Анализ накопленной к этому времени информации позволил сделать вывод о том, что предложения, которые рассматривались в подавляющем большинстве публикаций, посвященных связи на основе динамического хаоса, страдали отсутствием целевой установки: как, зачем, и при каких условиях такие системы могут быть использованы. При этом даже в наиболее продвинутых работах авторы ограничиваются сугубо модельными ситуациями, типа рассмотрения характеристик системы в канале с белым шумом или в канале с простейшей многолучевой структурой. Все это находится достаточно далеко от реальных коммуникационных задач и практических инженерных решений.
При построении реальных коммуникационных каналов на основе хаоса, в том числе каналов беспроводной связи, нужно отчетливо понимать, что: а) хаотические системы связи будут применяться только там и только в том случае, когда они будут иметь совокупность некоторых характеристик, делающих их конкурентно способными по отношению к другим типам беспроводных систем. В список этих характеристик могут входить скорость передачи информации, простота и стоимость системы, устойчивость работы в конкретных условиях, множественный доступ, возможность удовлетворения определенным правилам частотного регулирования и т.д; б) техника передачи информации с помощью хаотических сигналов находится в зарождающейся фазе, и эффективные инженерные решения достаточно ограничены по элементной базе.
С другой стороны с практической точки зрения за кадром долгое время оставался вопрос реализации самих источников хаоса. Неявно предполагалось, что скорость передачи не будет превышать нескольких сотен кбит/сек, а хаос будет использоваться в качестве промежуточного носителя. При этом хаотический сигнал может быть сгенерирован в цифровом виде, а его полоса будет составлять от нескольких мегагерц до нескольких десятков мегагерц. Подобный подход не дает возможности использовать такие, наиболее притягательные свойства хаоса, как широкая полоса и простота устройства связи на основе аналогового хаотического генератора. Именно такого типа преимущества могли бы служить причиной использования систем связи на основе динамического хаоса вместо традиционных систем с регулярными носителями информации.
В 2000 году в ИРЭ РАН была предложна технология беспроводной прямохаотической связи [32-48]. Ключевым понятием предлагаемой технологии является понятие хаотического радиоимпульса. Он представляет собой фрагмент сигнала с длиной, превышающей длину квазипериода хаотических колебаний. Полоса частот хаотического радиоимпульса определяется полосой частоты исходного хаотического сигнала, генерируемого источником хаоса, в широких пределах изменения длины импульса не зависит от его длительности. Это существенно отличает хаотический радиоимпульс от классического, заполненного фрагментом периодической несущей, полоса частот которого определяется его длиной. В основу прямохаотических схем связи заложены три базовые идеи: - источник хаоса генерирует хаотические колебания непосредственно в заданной полосе СВЧ-диапазона;
- ввод информационного сигнала в хаотический осуществляется путем формирования соответствующего потока хаотических радиоимпульсов;
- извлечение информации производится из СВЧ-хаотического сигнала без промежуточного преобразования частоты.
К моменту подготовки диссертационной работы был проведен ряд теоретических и экспериментальных работ по беспроводным прямохаотическим системам, результаты которых подтвердили предложенные принципы. Были также созданы экспериментальные макеты сверхширокополосных прямохаотических приемопередатчиков для передачи мультимедийной информации со скоростью до 100 Мбит/сек.
В данной диссертационной работе развиваются принципы построения прямохаотических систем связи на основе сверхширокополосных СВЧ хаотических сигналов применительно к использованию в беспроводных сенсорных сетях, а также для домашних и офисных приложений. Рассматриваются задачи амплитудной модуляции и демодуляции хаотического сигнала, выбора типа приемника, цифровой обработки демодулированных сигналов. Наряду с этим в диссертации разрабатываются макеты приемопередатчиков и исследуются вопросы их сетевого использования.
Актуальность работы определяется существующим в настоящее время интересом к практическому применению динамического хаоса; потребностью в эффективных сверхширокополосных сигналах СВЧ; развитием сверхширокополосной радиосвязи.
Целью работы является теоретическая разработка структуры малогабаритных сверхширокополосных прямохаотических
приемопередатчиков, практическая реализация макетов таких приемопередатчиков для диапазона 3-5 ГГц и их экспериментальное исследование.
Основные задачи, решаемые в работе:
- разработка методов амплитудной модуляции и демодуляции хаотических сигналов, включая модуляцию двоичными сигналами;
- исследование методов приема сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов;
разработка структуры малогабаритного прямохаотического приемопередатчика для беспроводных персональных и сенсорных сетей;
- построение универсальной сверхширокополосной прямохаотической платформы для домашних и офисных сетей.
Научная новизна результатов заключается в том, что
- разработаны принципы амплитудной модуляции и демодуляции хаотических сигналов, произведены оценки точности восстанавливаемого информационного сигнала;
предложен эффективный приемник для демодуляции сверхширокополосных хаотических радио импульсов в малогабаритных прямохаотических приемопередатчиках;
предложена структура малогабаритного прямохаотического приемопередатчика для беспроводных персональных и сенсорных сетей, и создан макет такого устройства.
- разработана универсальная сверхширокополосная прямохаотическая платформа для домашних и офисных сетей со скоростью передачи данных до 50 Мбит/сек.
Достоверность научных выводов подтверждается соответствием теоретических результатов с результатами экспериментальных исследований. На защиту выносятся следующие основные положения:
• Анализ возможности амплитудной модуляции и демодуляции хаотических сигналов.
• Эффективный приемник огибающей на основе логарифмического детектора для демодуляции сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов.
• Макет прямохаотическиой сверхширокополосной системы связи для персональных и сенсорных сетей
• Универсальная сверхширокополосная прямохаотическая платформа для персональных и сенсорных сетей.
Научно - практическое значение.
Результаты диссертации могут быть применены в задачах проектирования беспроводных сенсорных сетей, систем персональной идентификации, позиционирования внутри офисных зданий и складских помещений и др. Материалы диссертации могут быть использованы в учебных курсах для студентов и аспирантов, специализирующихся в радиофизике, радиотехнике и электронике.
Личный вклад автора в работу заключается:
1) в разработке принципов амплитудной модуляции и демодуляции хаотических сигналов.
2) в анализе возможных типов приемников для прямохаотических систем связи.
3) в разработке структуры малогабаритных приемопередатчиков.
4) в создании цифрового блока обработки информации и участии в конструировании приемопередатчиков в целом.
5) в участии в экспериментальных исследованиях макетов.
Апробация работы, публикации, внедрение и использование результатов.
Материалы работы докладывались на Всероссийской конференции "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации и акустике (СРСА-2006)", 2006, 4-7 июля, Муром, Россия, 1-ой Международной конференции "Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике", 27-29 сентября 2005, Суздаль, Россия, 6- ой Международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Владимирский государственный университет, Владимир, 2005, Международной конференции ICCSC2004 (International Conference on Circuits and Systems for Communications) , 30 июня - 2 июля, Москва, Россия, 2004, 12-ой Международной конференции NDES 2004( Nonlinear Dynamics of Electronics Systems), 9-13 Мая, Evora, Португалия, 2004, на 13-ой Международной конференции - семинаре « Foundations and Advances in Nonlinear Science» 25-28 сентября, Минск, Белоруссия, 2006, на Международных школах -семинарах «Нелинейные волны 2004» и «Нелинейные волны 2006», Нижний Новгород, на Международной школе - семинаре «Динамический хаос и его применения», Звенигород 2007, на конкурсах молодых ученых и специалистов в Институте радиотехники и электроники РАН, в Московском физико-техническом институте.
По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ [], в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, 7 работ в трудах научных конференций, 1 препринт и 1 патент РФ.
Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Содержит 135 страниц, 55 рисунков, 3 таблицы. Список цитированной литературы содержит 74 наименования.
Краткое содержание диссертационной работы
Во введении освещается история вопроса применения хаотических сигналов в задачах передачи и кодирования данных, сформулированы цели и задачи работы, рассмотрена структура диссертации, обоснована актуальность решаемых задач и выдвинуты положения, выносимые на защиту.
В главе 1 рассматривается возможность использования в прямохаотических системах методов амплитудной модуляции, близких по своей идее к методам амплитудной модуляции периодических сигналов. В разделе 1 дается постановка задачи.
В разделе 2 рассматриваются методы амплитудной модуляции гармонических колебаний, являющиеся прототипами для методов амплитудной модуляции хаотических колебаний, а именно упоминаются однополосная и двухполосная модуляция, с подавлением и без подавления несущей частоты
Далее, в разделе 3, вводятся некоторые варианты амплитудной модуляции хаотических сигналов и описываются их спектральные свойства. Причем рассматривается амплитудная модуляция и демодуляция хаотического сигнала с амплитудным хаосом. Исследуются два варианта приема таких сигналов - когерентный и некогерентный. В конце показывается, что хотя когерентный прием по своей природе более эффективен по сравнению с некогерентным, последний при определенном соотношении между полосами информационного и несущего сигналов может быть также использован для передачи данных. В разделе 4 рассмотрен специальный случай амплитудной модуляции хаотического сигнала - «модуляция включения/выключения», который применяется в
прямохаотических системах связи (ПХСС).
В разделе 5 обсуждается проблема использования фазохаотического сигнала в качестве объекта для модуляции. Показывается, что некогерентный прием в таком случае гораздо более эффективен, чем в случае некогерентного приема амплитудно-модулированного хаотического сигнала.
В разделе 6 предлагаются меры по обработке амплитудного хаотического сигнала с целью улучшения его характеристик с точки зрения демодуляции. Это связано с тем, что во многих практических случаях получить фазохаотический сигнал труднее, чем сигнал с амплитудным хаосом.
И, наконец, в разделе 7 предлагаются результаты компьютерного моделирования процессов модуляции и демодуляции хаотических сигналов, и делается вывод о возможности применения этих методов на практике.
Во второй главе исследуется задача приема сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов. В разделе 1 рассматриваются статистические характеристики идеальной системы прямохаотической связи. В разделе 2 предлагается и исследуется структура реального приемника, основанного на квадратичном детекторе, и приводятся его характеристики чувствительности. В разделе 3 рассматривается структура приемника на основе логарифмического детектора, приводятся результаты численного моделирования и характеристики чувствительности такого детектора. Также производятся сравнения различных характеристик приемников на основе квадратичного и логарифмического детектора, и делается вывод, что второй из этих двух приемников является более эффективным, с точки зрения использования в ПХСС. В разделе 4 описываются алгоритмы обработки сигналов с выхода детектора, в цифровых блоках приемопередатчиков.
В главе 3 вводится архитектура сверхширокополосного хаотического приемопередатчика диапазона 3-5 ГГц. Основная цель данной главы - показать практическую реализуемость подобных устройств и возможность их применения в персональных и сенсорных сетях устройств. В первом разделе описывается структура системы в целом. Во втором разделе рассматривается устройство генератора хаоса кольцевого типа, приводятся его основные характеристики. В следующем разделе рассматривается ключ модулятор. В четвертом разделе описывается приемник. Причем рассматривается два различных варианта реализации такого устройства - на основе квадратичного детектора и на основе логарифмического детектора. Результаты экспериментального исследования приемников согласуются с теоретическими результатами, полученными во второй главе диссертации. В пятом разделе описывается устройство цифровой платы приемопередатчика, которая управляет модуляцией хаотического сигнала, осуществляет цифровую обработку продетектированных хаотических радиоимпульсов и выполняет функции интерфейса для связи всего устройства с различными периферийными устройствами (персональным компьютером). В следующем разделе главы приведены результаты моделирования работы системы в условиях многолучевого распространения сигнала и рассматривается бюджет канала связи. И, наконец, в последнем разделе описано экспериментальное исследование макетов. Показывается, что в экспериментах по передаче звуковых файлов формата МРЗ (128 Кбит/сек) удается добиться устойчивой передачи данных на расстояния до 30 метров с приемлемым качеством.
На основании полученных результатов делается вывод, что разработанная архитектура может быть использована для создания универсальной платформы для домашних беспроводных приложений и сенсорных сетей.
В четвертой главе приведены результаты разработки универсальной прямохаотической приемопередающей платформы. В главе описаны структура платформы и все ее модули. Рассмотрены основные принципы функционирования этих модулей и особенности их исполнения.
В разделе 1 дана постановка задачи и ее актуальность. В разделе 2 приводятся основные требования к макетам данного семейства и ко всей платформе в целом, а именно: небольшие размеры, низкое потребление энергии; устройства должны быть более технологичны в производстве, иметь возможность подключения к ним широкого ассортимента периферийных устройств (например, датчиков); обладать возможностью организации в сеть.
Раздел 3 содержит описание структуры приемопередатчика платформы. Структура данного устройства во многом повторяет структуру приемопередатчика, описанного в главе 3. Однако есть ряд существенных отличий. Во-первых, в СВЧ части в качестве генератора хаоса применяется однотранзисторный генератор хаоса с внутренней модуляцией, что позволяет существенно экономить энергию в режиме передачи данных. Основной особенностью такого генератора является возможность генерации
хаотических радиоимпульсов длительностью до единиц наносекунд. Данный генератор обладает достаточно ровным спектром в рабочей полосе частот (3 - 5 ГГц), потребляет около 90 мВт при непрерывном режиме работы, состоит всего из одного активного элемента - биполярного транзистора и нескольких пассивных элементов. Модуляция (генерация хаотического импульса) осуществляется путем подачи соответствующего напряжения питания. Также стоит отметить простоту настройки генератора и повторяемость его рабочих характеристик при тиражировании. Во-вторых, в приемнике применяется 3-х вольтовый логарифмический детектор с существенно меньшим потреблением энергии по сравнению с 5 вольтовым аналогом, использованным в предыдущем варианте приемопередатчика. В-третьих, здесь применена высокотехнологичная сверхширокополосная антенна, не требующая настройки, выполненная непосредственно на плате приемопередатчика. В состав цифровой части вошли принципиально новые компоненты, которых не было в предыдущей версии. Например, одним из таких компонентов является малопотребляющий ПЛИС с раздельным питанием вычислительного ядра (1.8 Вольт) и периферийных блоков (3.3 Вольт) и с относительно большой емкостью.
Помимо этого использовалась новая идеология работы всей цифровой части, что позволило организовать так называемый спящий режим с потреблением энергии около 1.5 мВт и увеличить число различных периферийных компонент (например, датчиков), которые могут быть подключены к данному устройству.
В разделе 4 представлены результаты экспериментов с приемопередатчиками. Их универсальность позволяет использовать их в качестве приемопередатчиков для сенсоров, сетевых ретрансляторов, персональных брелков и терминалов для сбора данных внутри всей сети.
В заключении суммируются полученные в работе результаты и определяются пути дальнейших исследований в области связи на основе динамического хаоса.
Метод выравнивания огибающей амплитудохаотической несущей
И, наконец, в разделе 7 предлагаются результаты компьютерного моделирования процессов модуляции и демодуляции хаотических сигналов, и делается вывод о возможности применения этих методов на практике.
Во второй главе исследуется задача приема сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов. В разделе 1 рассматриваются статистические характеристики идеальной системы прямохаотической связи. В разделе 2 предлагается и исследуется структура реального приемника, основанного на квадратичном детекторе, и приводятся его характеристики чувствительности. В разделе 3 рассматривается структура приемника на основе логарифмического детектора, приводятся результаты численного моделирования и характеристики чувствительности такого детектора. Также производятся сравнения различных характеристик приемников на основе квадратичного и логарифмического детектора, и делается вывод, что второй из этих двух приемников является более эффективным, с точки зрения использования в ПХСС. В разделе 4 описываются алгоритмы обработки сигналов с выхода детектора, в цифровых блоках приемопередатчиков.
В главе 3 вводится архитектура сверхширокополосного хаотического приемопередатчика диапазона 3-5 ГГц. Основная цель данной главы показать практическую реализуемость подобных устройств и возможность их применения в персональных и сенсорных сетях устройств. В первом разделе описывается структура системы в целом. Во втором разделе рассматривается устройство генератора хаоса кольцевого типа, приводятся его основные характеристики. В следующем разделе рассматривается ключ модулятор. В четвертом разделе описывается приемник. Причем рассматривается два различных варианта реализации такого устройства - на основе квадратичного детектора и на основе логарифмического детектора. Результаты экспериментального исследования приемников согласуются с теоретическими результатами, полученными во второй главе диссертации. В пятом разделе описывается устройство цифровой платы приемопередатчика, которая управляет модуляцией хаотического сигнала, осуществляет цифровую обработку продетектированных хаотических радиоимпульсов и выполняет функции интерфейса для связи всего устройства с различными периферийными устройствами (персональным компьютером). В следующем разделе главы приведены результаты моделирования работы системы в условиях многолучевого распространения сигнала и рассматривается бюджет канала связи. И, наконец, в последнем разделе описано экспериментальное исследование макетов. Показывается, что в экспериментах по передаче звуковых файлов формата МРЗ (128 Кбит/сек) удается добиться устойчивой передачи данных на расстояния до 30 метров с приемлемым качеством. На основании полученных результатов делается вывод, что разработанная архитектура может быть использована для создания универсальной платформы для домашних беспроводных приложений и сенсорных сетей. В четвертой главе приведены результаты разработки универсальной прямохаотической приемопередающей платформы. В главе описаны структура платформы и все ее модули. Рассмотрены основные принципы функционирования этих модулей и особенности их исполнения. В разделе 1 дана постановка задачи и ее актуальность. В разделе 2 приводятся основные требования к макетам данного семейства и ко всей платформе в целом, а именно: небольшие размеры, низкое потребление энергии; устройства должны быть более технологичны в производстве, иметь возможность подключения к ним широкого ассортимента периферийных устройств (например, датчиков); обладать возможностью организации в сеть. Раздел 3 содержит описание структуры приемопередатчика платформы. Структура данного устройства во многом повторяет структуру приемопередатчика, описанного в главе 3. Однако есть ряд существенных отличий. Во-первых, в СВЧ части в качестве генератора хаоса применяется однотранзисторный генератор хаоса с внутренней модуляцией, что позволяет существенно экономить энергию в режиме передачи данных. Основной особенностью такого генератора является возможность генерации хаотических радиоимпульсов длительностью до единиц наносекунд. Данный генератор обладает достаточно ровным спектром в рабочей полосе частот (3 - 5 ГГц), потребляет около 90 мВт при непрерывном режиме работы, состоит всего из одного активного элемента - биполярного транзистора и нескольких пассивных элементов. Модуляция (генерация хаотического импульса) осуществляется путем подачи соответствующего напряжения питания. Также стоит отметить простоту настройки генератора и повторяемость его рабочих характеристик при тиражировании. Во-вторых, в приемнике применяется 3-х вольтовый логарифмический детектор с существенно меньшим потреблением энергии по сравнению с 5 вольтовым аналогом, использованным в предыдущем варианте приемопередатчика. В-третьих, здесь применена высокотехнологичная сверхширокополосная антенна, не требующая настройки, выполненная непосредственно на плате приемопередатчика. В состав цифровой части вошли принципиально новые компоненты, которых не было в предыдущей версии. Например, одним из таких компонентов является малопотребляющий ПЛИС с раздельным питанием вычислительного ядра (1.8 Вольт) и периферийных блоков (3.3 Вольт) и с относительно большой емкостью.
Помимо этого использовалась новая идеология работы всей цифровой части, что позволило организовать так называемый спящий режим с потреблением энергии около 1.5 мВт и увеличить число различных периферийных компонент (например, датчиков), которые могут быть подключены к данному устройству.
Структура реального приемника. Квадратичный детектор
Если положить к=0 в (1.6), то мы получим вариант модуляции хаотического сигнала с подавлением несущей. Когерентный прием такого сигнала был рассмотрен выше и при определенных соотношениях между полосами информационного и несущего сигналов он может быть успешно использован. Некогерентный прием такого сигнала при произвольном виде информационного сигнала i(t) невозможен, так как мощность помехи в этом случае будет достаточно большой. В этом можно убедиться если устремить в (1.28) параметр глубины модуляции m в бсконечность.
Однако, в этом случае можно применить модуляцию специального вида. Речь идет о так называемой модуляции «включение - выключение» или по другому «On-Off» модуляции. Такой способ ввода информационного сигнала в несущий хаотический сигнал подразумевает следующее. Для передачи на приемную сторону логической единицы передается хаотический радиоимпульс определенной длительности и некоторый защитный интервал. Для передачи логического нуля передается пустая позиция ( плюс защитный интервал). Другими словами информационный сигнал в этом случае представляет из себя меандр. И модуляция может быть осуществлена с помощью ключа или, например, устройства включения/выключения генератора несущего хаотического сигнала. Естественно, что такая модуляция может быть применена в системах передачи цифровых данных. В зависимости от требований к системе связи и от условий распространения сигнала в среде длительности битовых позиций (импульсов), а также длительности защитных интервалов варьируются. Например, для повышения устойчивости системы к многолучевому распространению защитные интервалы задаются более длинными. Для повышения скорости передачи информации длительность как самих импульсов, так и защитных интервалов уменьшается. Некогерентный прием таким образом промодулированного хаотического сигнала подразумевает после фильтрации (интефирования) в полосе информационного сигнала (меандра) применение компаратора с априорно установленным порогом срабатывания. При превышении этого порога принимается решение о наличии логической единицы. В противном случае принимается решение о наличии логического нуля. Можно легко показать, что отношение сигнал помеха на интервале времени содержащем хаотический импульс можно оценить по формуле (1.27).
Будем называть сигналом с хаотической фазой сигнал, определяемый выражением где /, - частота, задающая центр полосы частот, занимаемой сигналом x[t). z{t) - хаотический сигнал, полученный от какого либо источника хаоса, а -параметр. Из (1.31) видно, что при увеличении а размах амплитуды хаотического сигнала az(t) растет, что приводит к расширению спектра сигнала x(t). Наоборот, при уменьшении а происходит сужение спектра и при а = О x(t) стремится к гармоническому сигналу.
Пусть при фиксированном а ширина спектра сигнала x(t) составит AF. Рассмотрим сигнал х (і). Отсюда следует, что если представить этот сигнал аналогично тому, как это сделано в (1.15), то окажется, что М 2=0.5,s,l4(t)=0, .sm(t) = -cos(27r2fn+2az{t)). х 2 Следовательно, при однополосной и двухполосной модуляции сигнала x(t) в случае когерентного приема величина ?„„ (/)=0. А это значит (см. (1.19) и (1.22)), что информационный сигнал будет восстановлен без искажений. В случае двухполосной амплитудной модуляции при использовании некогерентиого приема уровень мощности низкочастотной помехи по отношению к мощности информационного сигнала составит
Здесь следует заметить, что в случае применения «On-Off» модуляции, описанной в разделе 1.З., низкочастотный информационный сигнал (меандр) также будет восстановлен без искажений.
Для проверки приведенных утверждений о качестве оценки информационного сигнала был проведено численное моделирование процесса модуляции фазохаотического сигнала, определяемого выражением (1.31), полосовым информационным сигналом, и процесса демодуляции с помощью когерентного (рис. 1.6) и некогерентного (рис. 1.4) приемников. В качестве оценки качества восстановленного сигнала использовалось отношение С/Ш (сигнал/шум), определяемое выражением где Рсиг - мощность информационного сигнала i(t), Рпом - мощность разности сигнала /(/) и оценки сигнала /(/) , поступающей с выхода приемника. Все частоты при компьютерном моделировании являются относительными и нормированы к единице. Моделирование состояло из двух серий.
В первой серии численного расчета был исследован процесс двухполосной и однополосной амплитудной модуляции фазохаотического сигнала при когерентном приеме в зависимости ширины полосы А/ информационного сигнала, ширины полосы AF фазохаотического сигнала и от центральной частоты fH. фазохаотического сигнала. Соответствующие спектры информационного, хаотического и модулированного хаотического сигналов, а также временные реализации исходного информационного и принятого информационного сигналов представлены на рис. 1.9-1.11. Пока значения A/, AF и fH удовлетворяли неравенству (1.18), восстановление сигнала происходило без искажений и значение С/Ш составляло около 80 дБ. Но как только неравенство (1.18) нарушилось (рис. 1.11) значение С/Ш упало до 15 дБ.
Моделирование статистических характеристик
Одной из проблем в системах передачи информации на основе динамического хаоса является эффективный прием хаотических сигналов. Исследования в области хаотической связи начались с когерентного приема, который был основан на явлении хаотической самосинхронизации. Однако проведенные исследования показали, что характеристики приемника в этом случае значительно хуже, чем характеристики приемников, характерные для традиционных коммуникационных систем. Поэтому были рассмотрены другие методы приема, в том числе и некогерентный. В главе рассматривается задача некогерентного приема в прямохаотических системах связи (ПХСС). Показывается, что в условиях канала с белым шумом эффективность такого приема близка к эффективности некогерентного приема в традиционных коммуникационных системах. Теоретические оценки по эффективности энергитического приема были положены в основу разработки некогерентных приемников хаотических сигналов для прямохаотических приемопередатчиков в диапазоне 3-5 ГГц, разработанных в рамках готовящегося стандарта ШЕЕ 802.15.4а. Рассмотрено два варианта реализации таких приемников - квадратичный, исполненный на основе СВЧ - диода, и логарифмический, исполненный на основе специализированной микросхемы.
В работе [54] описана принципиальная модель прямохаотических систем связи, представлены характеристики некогерентных приемников и дано сравнение между когерентным и некогерелтным способами приема. Ниже приведены основные результаты, которые необходимы для сравнения характеристик модели идеального квадратичного детектора с характеристиками реальных устройств, описанных в следующих разделах данной главы. ередатчик состоит из источника хаоса, генерирующего сигнал непосредственно в частотном диапазоне передачи информации., модуоятора ключевого типа, усилителя мощности, антенны, источника информации, кодера источника и кодера канала. Источник хаоса обеспечивает генерацию сигнала в полосе частот где FH и Fe - нижняя и верхняя границы полосы частот хаотических колебаний. Устройство управления генератором регулирует полосу и центральную частоту генерируемого сигнала. Кодер источника преобразует информацию, поступающую от источника в цифровой поток данных (последовательность бит). Кодер канала преобразует этот поток в модулирующий сигнал. Модулятор обеспечивает формирование хаотических радиоимпульсов и пауз между ними, либо путем перемножения хаотического сигнала с модулирующим, либо путем модуляции параметров самого сигнала. Поток хаотических радиоимпульсов усиливается в усилителе мощности передается в эфир с помощью антенны. Формирование модулирующего сигнала может производиться по разному. Например по принципу «On-Off модуляции, когда при фиксированной частоте следования импульсов, определяющей физическую скорость передачи данных данных, логическая единица передается радиоимпульсом, а логический ноль - отсутствием сигала.
Приемник состоит из широкополосной антенны, фильтра, малошумящего усилителя и системы обработки сигнала. Хаотические радиоимпульсы принимаются антенной, проходит через фильтр канала, малошумящий усилитель и поступают в систему обработки сигнала, где происходит либо когерентный прием, путем свертки принимаемых радиоимпульсов с их образцами, либо некогерентный прием, путем интегрирования мощности импульсов в пределах их длительности.
Хаотический сигнал моделировался случайным процессом с равномерным распределением амплитуд, пропущенным через полосовой фильтр с полосой пропускания [ F„t Fe] . Такое приближение вполне оправдано, так как хаотический сигнал в реальных радиотехнических устройствах ограничен по амплитуде и не имеет длинных хвостов в распределении мгновенных значений.
На рис. 2.2. представлены вероятности ошибок на бит при некогерентном приеме в зависимости от значения базы сигнала (произведения длительности сигнала на занимаемую полосу частот) при различном отношении энергии бита на спектральную плотность мощности шума на входе приемника - параметра EQ/NQ.
Цифровой блок. Микроконтроллер (МК)
Задача, решение которой описывается в данной главе, состояла в разработке малогабаритного приемопередатчика прямохаотических сигналов, удовлетворяющих основным требованиям стандарта ШЕЕ 802.15.4а.
К моменту начала данной разработки в ИРЭ РАН были созданы макеты для беспроводной сверхширокополосной передачи информации диапазона 3 - 5 ГГц со скоростью передачи данных до 100 Мбит/сек. Предполагалось, что заделы, полученные при разработке этих макетов, будут положены в основу создаваемого приемопередатчика нового поколения.
Высокоскоростные приемопередатчики были выполнены в виде отдельных модулей размерами 37x37x10 см и запитывались от городской сети переменного тока. Задачи, стоявшие при создании этих макетов, заключались в демонстрации высококачественной передачи цифровой информации с вероятностью ошибки на бит 10"8 с помощью прямохаотической системы связи на расстоянии в несколько метров. Никаких требований по таким характеристикам, как малогабаритность и потребляемая мощность не накладывалось. В силу этого и с учетом уровня развития техники на конец 2002 года в разработку была принята следующая структура приемопередатчика.
Устройство состояло из отдельных блоков, а именно: блок питания, цифровой блок на базе ПЛИС, генератора хаоса в виде отдельного модуля, усилителя мощности в виде отдельного модуля, СВЧ усилителя мощности, модулятора, приемника и внешней дискоконусной приемопередающей антенны. Все эти отдельные блоки были размещены как, указывалось выше в специальном металлическом корпусе. Блок питания был рассчитан на 20 Вт, а потребляемая приемопередатчиком мощность составляла 3-4 Вт. Внешний вид устройства показан на рис. 3.1.
Создаваемый малогабаритный приемопередатчик нового поколения должен был иметь небольшие размеры и быть существенно более технологичным, чтобы продемонстрировать перспективность этого направления в персональных и сенсорных сетях. Исходя из этих требований было ясно, что для решения задачи требуется как кардинальное изменение технологии изготовления приемопередатчиков, так и использование других технических решений, в частности в структуре приемника.
Исходя из имеющегося опыта и требований поставленной задачи было принято решение о разработке макета приемопередатчика в пластиковом корпусе с размерами 17x7,5x2,5 см. В качестве цифровой части предполагалось использовать микроконтроллер и небольшая с точки зрения количества вентилей и геометрических размеров ПЛИС для задач модуляции, пакетирования и первичной обработки сигнала с выхода СВЧ приемника. Генератор хаоса должен был быть выполнен в бескорпусном варианте, и его размеры должны были быть существенно меньше, чем у прототипа. При этом предполагалось, что генератор будет совмещен на одной плате с усилителем мощности и с полосовым фильтром. Также на отдельной СВЧ плате планировалось размещение сверхширокополосного приемника огибающей. На отдельной плате должен был быть выполнен и ключ-модулятор, соединяемый через разъем с новой антенной, исполненной в микрополосковом варианте. С целью избежать кабельных соединений между различными блоками и уменьшить размеры всего устройства, все платы должны были размещаться в одной плоскости, а электрические соединения между ними осуществляться путем спайки как самих дорожек (напрямую или посредством переходных конденсаторов) так и «земляного» слоя под ними. При этом каждый элемент устройства должен был быть тщательно проработан и оптимизирован. В процессе разработки устройства было произведено несколько итераций по реализации и оптимизации каждого блока.
Реализованный в итоге макет приемопередатчика состоит из хаотического генератора, ключа-модулятора, усилителя мощности, детектора огибающей, малошумящего усилителя и цифрового блока. Конфигурация приемопередатчика, а также вид сигнала в каждой его точке показаны на рис. 3.2. Внешний вид приемопередатчика показан на рис. 3.3. В качестве детектора огибающей используется СВЧ сверхширокополосный логарифмический детектор с дополнительным малошумящим усилителем на входе и фильтром нижних частот на выходе.
Работает приемопередатчик следующим образом. Хаотический генератор производит непрерывный хаотический сверхширокополосный сигнал с полосой частот 3,1-5,1 ГГц. Выходной сигнал генератора усиливается на 10 дБ и затем модулируется с помощью ключа-модулятора. Ключ помимо функции модулятора выполняет также функцию коммутации антенны между передатчиком и приемником. Например, в режиме передачи один из каналов ключа соединяет выход усилителя мощности с антенной, а второй канал, соединяющий антенну и детектор, в этот момент отключен.
