Материал: Основы теории радиосистем передачи информации. учебное пособие. Журавлёв Д.В

Для IEEE 802.15.4 (ZigBee) чипсеты производит уже достаточно широкий ряд производителей. Характерен продукт той же компании Freescale Semiconductor однокристальный модем МС13192 для диапазона 2,4 ГГц (рис. 23). Это — закон­ченное решение беспроводного модема- Устройство содержит интерфейс с мик­роконтроллером и может применяться во множестве задач.

Аналогичные исследования велись и в СССР. Насколько можно сулить по пуб­ликациям, почти все они (как и за океаном) были связаны с радарной тематикой. Российские и зарубежные эксперты отмечают работы Зернова, Карцевича, Астанина, Кобзарева, Костылева, Кардо-Сысоева, Глебовича, Мелешко и др. Кстати, первые работы по UWB системам связи с кодовым разделением каналов были выполнены в России в середине 80-х годов В.В. Крыловым в Горьковском по­литехническом институте. Однако с начала 90-х годов многие работы оказались если незамороженными, то сильно заторможенными.

Прорыв произошел в конце 80-х, когда в США несколько компаний очень активно начали продвигать свои UWB-системы гражданского назначении. Наи­более агрессивной из них была компания Time Domain. Ее в 1987 году основал Ларри Фуллертон, тогда же получивший свой первый патент в области сверх­широкополосной связи. За десять лет работы компания со своей технологией PuIsOn превратилась в одного из лидеров в области портативных UWB комму­никационных связных систем И радаров, в ее активе - свыше 60 патентов по тематике UWB. У Time Domain появилось немало последователей и конкурен­тов.

Рассмотрим сущность технологии UWB на примере связной UWB-системы, описанной в патенте Л. Фуллертона «Полнодуплексная система и метод свя­зи». Передача ведется короткими (20 0,1 не) импульсами, следующими друг за другом с интервалом 2 -5000 не (очевидно, что значения параметров в реаль­ных системах могут быть иными). Импульс — моноцикл Гаусса (рис. 24) — описывается первой производной от функции распределения Гаусса:

(9)

где А — амплитуда импульса, т — временная константа, характеризующая зату­хание (длительность импульса 27гт). Спектральная плотность сигнала

. (10)

Рис. 24. Моноцикл Гаусса и его спектральная характеристика

Очевидно, что центральная частота такого сигнала fс = 1/27гт. По уровню - ЗдБ полоса сигнала ограничена частотами fL = 0,319/с и fH = 1,922/с. Таким образом, ширина полосы сигнала в диапазоне 3 дБ составляет около 160% от центральной частоты. Для импульса длительностью 0,5 не центральная частота равна 2 ГГц, а ширина полосы — около 3,2 ГГц. Регулярная последовательность таких импульсов не несет никакой информации, ее спектр имеет выраженный «гребенчатый» характер (рис. 25), следовательно, подобный сигнал может ин­терферировать с другими радиотехническими системами.

В «импульсном радио» (термин Фуллертона) информация кодируется посред­ством временной позиционно-импульсной модуляции. Смещение импульса отно­сительно его «штатного» положения в последовательности вперед задает «0», назад — «1». Время смещения не превышает четверти длительности импульса (рис. 26). Так, в последовательности импульсов 0,5 не с межимпульсным ин­тервалом 100 не импульс, пришедший на 100 пс раньше, — это «0», на 100 пс позже — «1». Один информационный бит кодируется последовательностью мно­гих импульсов, например 200 импульсов на бит.

Рис. 25. Спектр регу­лярной последователь­ности импульсов

Рис. 26. Временная импульсно-позиционная модуляция

Однако возникает проблема: как разделить ка­налы передачи? Для этого «штатное» положение каждого импульса сдвигают на время, пропорцио­нальное текущему значению некоторой псевдослучайной последовательности (разделение посред­ством временных скачков, Time Hopping). При этом время сдвига на один-два порядка выше, чем смещение при временной модуляции. В ре­зультате спектр сигнала существенно сглаживает­ся (рис. 27), становится шумоподобным и уже не мешает другим устройствам, работающим в той же полосе.

Применяя систему ортогональных кодов для управления временными задержками импульсов, теоретически можно в одной полосе создавать тысячи голосовых каналов связи. По утверждению Time Domain, пессимистические оценки да­ют от 200 до 1000 дуплексных каналов со скоростью 64 кбит/с на одну базовую станцию без использования специальных алгоритмов цифровой обработки сиг­налов.

Рис. 27. Спектр пос­ледовательности имп­ульсов после импульсно-кодовой модуляции

Таким образом, в отличие от технологии множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), системы импульсного радио исполь­зуют ортогональные псевдослучайные последовательности не для расширения спектра сигнала (спектр короткого импульса и так достаточно широк), а только для сглаживания его спектральной характеристики, формирования отдельных каналов связи и защиты от помех. С другой стороны, импульсное радио можно рассматривать как предельный случай CDMA, в котором полностью отказались от несущей или, что физически почти то же самое, длительность выходного им­пульса сделали равной одному периоду несущей.

Кроме временного кодирования можно применять и дополнительные подне-су1цие — информационный сигнал предварительно модулируется тем или иным традиционным методом модуляции (AM, FM, PM, FSK, PSK, РСМ и т.д.). Да­лее модулированные поднесущие подвергаются временной модуляции (вместо ин­формационного сигнала модулируется поднесущая, модулированная информаци­онным сигналом) |75).

Приемное устройство импульсного радио функционально представляет собой приемник (детектор) прямого преобразования и коррелятор. На более привыч­ном языке его можно назвать синхронным приемником без промежуточного пре­образования частоты (fпч = 0) с системой ФАПЧ, где частота гетеродина за­меняется импульсной последовательностью, позволяющей выбрать канал связи. Будучи синхронизированным с передатчиком и зная псевдослучайную последо­вательность канала, коррелятор определяет отклонения принятых импульсов, формируя на выходе +1, если сигнал, например, пришел на 100 не раньше окон­чания меж импульсного интервала, —1 — если на 100 не позже и 0 — в остальных случаях. Эти значения накапливаются в интеграторе. В результате узкополосная помеха от передатчика с непрерывной несущей или сигнал от другого импульсно­го передатчика способны помешать приему отдельных импульсов, но не инфор­мационного бита в целом. Накопленным значением коррелятора от случайных помех будет 0. Разумеется, описанный метод корреляционного детектирования последовательности сверхкоротких импульсов — далеко не единственный.

Оценить помехозащищенность импульсного радио можно, используя поня­тие усиления обработки. В системах с расширением спектра усиление обработки определяется как отношение ширины полосы канала к ширине полосы инфор­мационного сигнала. Так, для систем расширения спектра методом прямой по­следовательности с шириной канала 5 МГц и информационным сигналом 10 кГц усиление составит 5(Х) раз (27 дБ). Такой же сигнал, передаваемый импульсным радио с шириной полосы 2 ГГц, будет усилен в 200 тыс. раз (53 дБ). Если один бит задается последовательностью 200 импульсов с частотой следования 10 млн импульсов в секунду (через 100 не) и шириной импульса 0,5 не, скорость инфор­мационного потока составит 48,8 кбит/с, а эффективное усиление 46 дБ. При этом усиление за счет отношения ширины меж импульсного интервала к длитель­ности импульса (100/0,5 = 200) составит 23 дБ, поскольку 200 импульсов задают один бит.

Одно из существенных достоинств импульсного радио - отсутствие интерфе­ренции прямо распространяющегося сигнала с его отражениями от различных объектов. Переотражения - бич для многих связных и локационных технологий (за исключением широкополосных шумоподобных систем связи). Именно из-за них затруднена связь внутри помещений, в условиях сложного рельефа и т. п. В импульсном радио отраженный сигнал попадет в коррелятор с задержкой и будет восприниматься как случайная помеха, никак не воздействуя на прямой сигнал. Кроме того, благодаря широкополосности затухание короткоимпульсного сигнала в различных средах достаточно мало — короткие импульсы легко проходят сквозь различные препятствия, поскольку подавление сигнала проис­ходит не во всем диапазоне.

Из-за высокого эффективного усиления системы UWB могут работать с очень малой средней мощностью передатчика. Так, в октябре 1997 года Time Domain демонстрировала полнодуплексную связь по технологии UWB с центральной ча­стотой 1,7 ГГц на дистанции свыше 900 м и скоростью 32 кбит/с. При этом средняя мощность передатчика составляла около 2 мВт. Система одновременно определяла расстояние с точностью до 3 см. Разработана полнодуплексная систе­ма 1,3 ГГц передачи со скоростью 39-156 кбит/с на дистанции до 16 км. Средняя мощность ее передатчика 250 мкВт. Также компания создала демонстрационную беспроводную локальную сеть со скоростью передачи 5 Мбит/с и радиусом дей­ствия свыше 10 м (через две стены внутри здания) при мощности излучения 50мкВт. С такой же средней мощностью работает радар «RadarVision 1000».

Средняя мощность излучения UWB-устройств может быть чрезвычайно низ­кой, поэтому они не должны мешать существующим радиотехническим систе­мам, работая в одном с ними диапазоне. Поскольку UWB-сигнал распределен по столь широкому спектру, обнаружить его, а тем более перехватить или за­глушить весьма проблематично. Разумеется, совокупность таких свойств, как высокая помехозащищенность, скрытность, малое энергопотребление и простота реализации, не могла не заинтересовать военные и государственные организа­ции. Собственно, в США (равно как в СССР) практически любая деятельность в этой сфере до конца 70-х носила закрытый характер. До недавнего времени в США заказчиками UWB-систем могли выступать только правительственные и военные организации, работы имели статус правительственных программ. Ситу­ация изменилась в 1994 году, когда в США был снят ряд ограничений, и UWB-технологии стали стремительно развиваться. Не последнюю роль сыграла и от­носительная техническая простота в сочетании с возможностью интегральной реализации сверхширокополосных систем. Однако по-прежнему дли использова­ния таких систем требовалось специальное разрешение FCC, что существенно ограничивало сбыт продукции создателей UWB-систем.

Только 10 мая 2000 года FCC разрешила опытное безлицензионное исполь­зование UWB-систем. В результате для UWB-систем появились четкие нормы разработки и применения, а перспективы перед UWB-системами открываются огромные. При малой мощности UWB-системы способны передавать данные со скоростями свыше 20 Мбит/с, причем внутри помещений и объектов со сложной архитектурой. Телефония, локальные сети, системы «последней мили» и т.д. — во всех этих областях могут использоваться UWB-системы. Кроме этого, указан­ные системы могут широко применяться в локации, системах позиционирования, медицинской технике, транспорте и т.д. Недаром ряд крупнейших фирм, среди которых Intel и Siemens, инвестируют средства в UWB-компании. Многие произ­водители полностью подготовились к открытию массового рынка. В частности, Time Domain разработала комплект ИС FulsOn для UWB-приложений. По утверждению Time Domain, на основе данного комплекта ИС можно создавать закон­ченные решения систем импульсного радио стоимостью ниже 20 долл.

Любая UWB-система включает антенную систему, формирующую короткие импульсы электромагнитного излучения; мощный импульсный ключ, управляю­щий антенной системой; устройство модуляции/демодуляции; прецизионный вы­сокочастотный опорный генератор приемный детектор и коррелятор (рис. 28). Отметим, что в UWB-системе нет мощных усилителей, ее приемник прямо­го преобразования (без гетеродина и элементов частотной фильтрации), устройства детектирования и модуляции/демодуляции достаточно просты и реализуются средствами обычной цифровой логики, без сложных алгоритмов цифровой обработки сигналов. Антенные системы также достаточно просты по исполнению и могут изготавливаться непосредственно на печатных платах.

Рис. 28. Структура приемопередающей UWB-системы

Один m важнейших элементов для UWB-технологии мощные импульс­ные ключи, особенно актуальные для локационных систем. Требования к ком­мутирующим элементам достаточно жесткие — они должны открываться (за­крываться) на сотни пикосекунд (или, по крайней мере, иметь фронты откры­вания/закрывания длительностью порядка 10 100 не) с мегагерцовой частотой повторения при очень высокой стабильности. При этом коммутируемое напря­жение измеряется сотнями и тысячами вольт.

В начале 80-х годов в ФТИ им. А.Ф. Иоффе были открыты два интереснейших явления эффекты сверхбыстрого восстановления напряжения и сверхбыстрого обратимого пробоя в высоковольтных переходах. Это открытие привело к созда­нию принципиально новых полупроводниковых приборов, способных коммутиро­вать большие мощности в малых временных промежутках, в том числе приборов на задержанной ударно-ионизационной волне и дрейфовых приборов с резким восстановлением. Идея и ее материальное воплощение принадлежат группе раз­работчиков во главе с А.Ф. Кардо-Сысоевым, за что они были удостоены Госу­дарственной премии СССР.

На основе этих приборов создано семейство генераторов различного назначе­ния, позволяющих формировать сверхкороткие импульсы нано- и пикосекундной длительности с мощностью до десятков мегаватт и частотой повторения до де­сятков мегагерц, контролируя при этом их временное положение с точностью 10 пс Максимальное импульсное напряжение может достигать десятков кило­вольт, а импульсные; токи тысяч ампер. С ростом частоты повторения пикона» мощность падает, но по-прежнему остается намного выше, чем полученная с по­мощью любых других полупроводниковых устройств.

Это позволяет с успехом применять разработанные генераторы в локацион­ных и связных UWB-системах. Причем ресурс этих приборов чрезвычайно высок.

Отметим, что даже сегодня вопросы массового применения UBM-тенологи и окончательно не разрешены. Продолжаются исследовании интерференции UWB- устройств с другими радиотехническими системами. Многие эксперты, в частно­сти, справедливо отмечают, что стоит человеку прикоснуться к антенне UWB-передатчика, как спектр сигнала из непрерывною может стать гребенчатым -все равно что подключить режекторный фильтр. Но уже почти готов стандарт на сверхширокополосные персональные БСПИ (IEEE 802.15.3а). Практически все ведущие мировые полу проводниковые и телекоммуникационные фирмы так или иначе вовлечены в работу в области UWB-технологий, и новые результаты можно ожидать в самое ближайшее время.