Сверхширокополосные системы связи

⇐ ПредыдущаяСтр 11 из 13Следующая ⇒

Сверхширокополосные сигналы. Предельная пропускная способность канала связи (максимальное количество информации, передаваемое по каналу) определяется формулой Шеннона:

где С- количество информации, бит/сек, Δ f - полоса рабочих частот канала связи;

P_C – мощность сигнала; P_N – мощность шума в полосе частот канала.

Из формулы видно, что увеличение объема передаваемой по радиоканалу информации возможно двумя путями: повышением мощности сигнала и расширением полосы пропускания

Рост излучаемой мощности ограничен необходимстью обеспечения электромагнитной совместимостиь (ЭМС) одновременно работающих радиосистем. Обычные радиосистемы относительно узкополосны и работают в отведенной для нее полосе частот, поэтому для них требования ЭМС ограничивают излучения системы за пределами выделенной полосы. Ограничения на нежелательные излучения в каждой стране определены законодательствами.

Второй путь повышения скорости передачи информации связан с расширением полосы пропускания и переходу к сверхширокополосным сигналам (СШП).

Сверхширокополосными принято называть сигнал с относительной полосой частот > 0, 25 или с шириной спектра более 1, 5 ГГц.

где и – верхняя и нижняя частоты спектра.

Использование СШП сигналов для передачи информации по радиоканалу даёт следующие преимущества по сравнению с сигналами, имеющими узкую полосу частот:

-низкая средняя излучаемая мощность, которая обычно не превышает единиц-десятков милливатт и определяется дальностью и скоростью передачи информации;

-скрытная работа линии связи благодаря низкой спектральной плотности мощности на единицу полосы частот; электромагнитная совместимость с узкополосными системами, работающими в той же полосе частот;

-высокая скорость передачи информации;

-эффективная борьба с многолучевым распространением за счет временной селекции прямых и переотраженных сигналов или корреляционного приема;

- простота конструкции и схемотехнических решений.

Поскольку СШП_системы занимают полосы частот шириной от 1 ГГц и более, возникла проблема электромагнитной совместимости с традиционными узкополосными системами, действующими в том же спектральном диапазоне.

Совместная работа сверхширокополосных и обычных систем передачи информации. Рассмотрим одновременную работу обычной узкополосной системы связи с использованием частотной модуляции и сверхширокополосной системы связи. На рисунке 99 обычная система работает в диапазоне f₂– f₃, с амплитудой спектральных составляющих S₁, а сверхширокополосная система – в диапазоне частот f₁– f₄ с амплитудой спектральных составляющих S₂.

Рисунок 99. Спектр сигналов обычной и сверхширокополосной систем связи.

При одинаковой мощности передатчиков амплитуда спектральных составляющих сверхширокополосного сигнала значительно меньше, чем амплитуда спектральных составляющих узкополосного сигнала. Частотный детектор сверхширокополосного сигнала с дискриминационной характеристикой с диапазоном частот f₁– f₄, рисунок 100 воспримет и обычный сигнал, однако амплитуда этого сигнала на выходе детектора будет значительно меньше, пропорционально отношению полосы частот широкополосной и обычной системы.

Рисунок 100. Характеристики широкополосного и узкополосного дискриминаторов

На входе обычной системы также будет присутствовать часть спектра широкополосного сигнала, находящаяся в полосе f₂– f₃ приема. Однако из-за значительно меньшей спектральной плотности широкополосного сигнала, его вклад в выходной сигнал узкополосного дискриминатора будет незначительный и он буден восприниматься как внешняя помеха.

Для совместной работы СШП_ и обычных систем необходимо обеспечить соответствие законодательным нормам на нежелательные излучения (уровни мощности внеполосных радиоизлучений, и индустриальных радиопомех. Сводная таблица норм на нежелательные излучения приведена в таблице 3.

Таблица 3. Допустимый уровень нежелательных излучений

Следует отметить, что при большом количестве одновременно работающих СШП радиосистем ограничение уровня основного радиоизлучения СШП на работу отдельных систем в соответствии с требованиями, указанными таблице не гарантирует полного отсутствия их влияния на обычные радиосистемы.

Международный Электротехнический Комитет (IEC) как международный орган ведет работы по определению электромагнитной совместимости сверхширокополосных импульсных систем передачи информации. Уже действуют стандарты для мощного изучения (импульсное напряжение сотни вольт и более) при длительностях импульсов более 1 нс. Нормы на работу маломощных импульсных СШП систем и для длительностей импульсов менее 1 нс сегодня нет. Поэтому используются нормы на средний уровень излучения, который должен соответствовать Таблице хх.

Дальность действия широкополосных систем связи Рассмотрим пример с наиболее простой амплитудной манипуляции, при фиксированном периоде следования импульсов и двоичной передаче информации. Появление импульса соответствует 1, его отсутствие – 0. Хотя данный вид модуляции энергетически наименее выгоден, он наиболее распространен из-за простоты реализации. В этом случае средняя мощность излучения определяет число импульсов, излученных в единицу времени, т.е. скорость передачи информации.

При длительность излучаемого импульса 0, 5 нс, полоса рабочих частот лежит в диапазоне 1–3 ГГц. В соответствии с таблицей допустимая спектральная плотность мощности СШП_сигнала в рабочей полосе составит 7, 41·10_14 Вт/Гц.

Уровень шума, действующий в рабочей полосе СШП_приемника, рассчитывается по формуле

где k= 1, 38·10_23 Дж/К – постоянная Больцмана, = 293 К – абсолютная температура, = 2·109 Гц – полоса пропускания приемника, N=10 – коэффициент шума приемника.

Откуда мощность шума, приведенная ко входу приемника

= 80, 9 пВт = 70, 9 дБм.

Реальная чувствительность приемника определяется заданным отношением сигнал/шум на входе приемника, требуемое для обеспечения заданной вероятности ошибки на бит (BER) при принятом виде модуляции. Для вероятности ошибки P(λ )= 10^-3 и 10^-6 отношение сигнал/шум составит соответственно 30 и 70, или 14, 77 дБ и 18, 45 дБ.

=70, 9-14, 7= 56, 2 дБм, =70, 9-18, 5= 52, 4 дБм,

При заданной предельной спектральной плотности излучения

предельная мощность, которую может излучать передатчик:

=7, 413·10^-14·2·10⁹=0, 15 мВт=-8, 24 дБм.

Импульсная мощность передатчика:

где Q– скважность, T– период следования импульсов, с; V=1/Т– скорость передачи информации, бит/с.

Результаты расчетов зависимости дальности действия системы связи от скорости передачи информации, выполненные по формуле

где: G_при G_пер – коэффициенты усиления антенн передатчика и приемника, для круговой диаграммы направленности коэффициенты усиления равны 1, С = 3·108 м/с – скорость света, τ = 0, 5 нс.

Данные расчета приведены на рисунке 101.

Рисунок 101. Зависимость дальности от скорости передачи информации

для двух значений вероятности ошибки

Из графика следует, что с учетом ограничений уровня излучаемой мощности СШП_системы можно подразделить на три группы.

Системы передачи данных со скоростью 1–100 Кбит/с (низкоскоростная связь) при дальности действия от нескольких километров до нескольких сотен метров. Они эффективны при информационном обмене с высокой скрытностью. Речь идет о системах передачи голосовых или информационных данных, в том числе – в распределенных сетях беспроводных датчиков. Это могут быть датчики постоянного контроля температуры, влажности, давления, частоты, напряжения и т.д.; датчики охранных и пожарных сигнализаций; медицинские датчики контроля состояния пациентов в госпиталях и в домашних условиях, а также датчики состояния спортсменов в процессе проведения тренировок и соревнований и т.д. Основное достоинство таких систем – возможность их применения без специального разрешения на использование полосы рабочих частот.

Системы передачи данных со скоростью 1–100 Мбит/с при дальности действия от десяти до ста метров могут найти применение в локальных беспроводных внутриофисных сетях вместо проводных сетей типа Ethernet. Подобные системы будут дешевле используемых сегодня для этих целей узкополосных систем, не говоря об их меньшем энергопотреблении.

Системы передачи данных со скоростью более 100 Мбит/с (высокоскоростная связь), в соответствии с прогнозами, – основная область для СШП_систем связи. Такие системы связи эффективны для быстрого обмена большими массивами данных между мобильными устройствами (карманные персональные компьютеры, ноутбуки, цифровые фото_ и видеокамеры, различные регистраторы информации), а также между мобильными устройствами и стационарными компьютерными системами сбора, обработки и хранения данных. Основное достоинство СШП_систем связи перед близкими по скорости обмена системами на инфракрасных лучах – возможность работы через стены помещений и на больших расстояниях, а по сравнению с лазерными системами – более низкая стоимость.

Наиболее востребованной областью применения СШП_систем связи при существующих ограничениях по ЭМС является высокоскоростная связь ближнего действия. Узкополосным же системам останется менее скоростная связь на большие расстояния.

Использование временной модуляции при СШП передаче информации. Компанией Time Domain был спроектирован и разработан набор микросхем PulseON, архитектура которых основана на Сверхширокополосной Временной Модуляции (Time Modulated Ultra Wideband – TM-UWB). Технология PulseON позволяет передавать последовательность одиночных сверхширокополосных импульсов в очень точные временные интервалы. Результат – маломощный, шумоподобный сигнал, который может передавать данные, голос и видео в связи; может быть использован в персональных радарах или в устройствах определения местоположения и следящих устройствах. TM-UWB архитектура была задумана как средство позволяющее осуществлять широкополосную передачу в спектре где уже работают другие радиотехнические устройства. TM-UWB технология радикально отличается от традиционной “синусоидальной” технологии используемой в данный момент в таких беспроводных технологиях как CDMA, TDMA и FHSS.

TM-UWB передатчики Time Domain излучают сверхкороткие " гауссовы" моноциклы с жестко управляемыми временными интервалами между импульсами (от импульса к импульсу). Time Domain работает с длительностью импульса моноцикла от 0.20 до 1.50 наносекунд и временными интервалами между импульсами от 25 до 1000 наносекунд. Эти короткие импульсы являются сверхширокополосными. В системе используется модуляция импульсов позицией. Временной интервал между импульсами изменяется в соответствии с двумя компонентами: информационным сигналом и кодом канала. TM-UWB приемник непосредственно преобразовывает полученный радиосигнал в немодулированный цифровой или аналоговый выходной сигнал. Входной коррелятор когерентно преобразовывает последовательность электромагнитных импульсов в модулирующий сигнал за один этап. Каскад промежуточной частоты отсутствует, что очень упрощает исполнение устройства. Как правило, один бит информации модулирует множество моноциклов. Приемник когерентно суммирует соответствующее число импульсов для восстановления переданной информации.

При временной модуляции коротких импульсов обычно используется гауссовский моноцикл – первая производная гауссовской функции. На рисунке 102 показан идеализированный моноцикл во временной и частотной областях.

а б

Рисунок 102. а - форма гауссовского моноцикла,

б – спектр гауссовского моноцикла

Моноцикл является сверхширокополосным сигналом с центральной частотой и шириной спектра полностью зависимой от длительности моноцикла. Во временной области гаусов моноцикл математически схож с первой производной гаусовой функции. Он имеет вид:

где, τ - временной коэффициент затухания, определяющий длительность моноцикла, t – время. В частотной области гауссов моноциклический спектр имеет форму:

Центральная частота спектра обратно пропорциональна длительности импульса, то есть:

Центральная частота спектра моноцикла обратно пропорциональна длительности моноцикла и ширина полосы его спектра составляет 116% от центральной частоты моноцикла. Таким образом для 0.5 нс моноцикла, показанного на рисунке, центральная частота равняется 2 ГГц и ширина его спектра на уровне половинной мощности приблизительно равна 2 ГГц.

Чтобы передать информацию, требуется дополнительная обработка, то есть модуляция моноциклической последовательности. TM-UWB системы используют модуляцию позиции импульсов так как эта технология позволяет использовать оптимальную фильтрационную обработку при приёме. Приёмники используют коррелятор, который даёт возможность осуществить синхронное детектирование. Этот режим приёма позволяет обнаруживать сигналы, уровень которых, значительно ниже уровня фоновых шумов.

Рисунок 103. Смещение импульсов при временной модуляции

и их спектр

Как показано на рисунке 103, модуляция импульсов позицией изменяет точное время передачи моноцикла относительно средней позиции (разрушается периодичность передачи). Например в системах передачи со скоростью 10 миллионов импульсов в секунду (Мгбит/с) моноцикл передаётся каждые 100 нс (на рисунке показан как временной период Т_ср). В таких системах 0 может быть представлен, передачей импульса на 100 пс раньше и 1 – передачей на 100 пс позже. Как показано на правом графике рис.3 модуляция позиции импульсов распределяет радиочастотную энергию более равномерно в этом диапазоне. Таким образом “сглаживание” спектра модуляцией делает систему менее заметной (обнаружимой). Однако так как информационная модуляция сдвигает импульсы только на небольшую часть его ширины, это сглаживание спектра сигнала оказывается незначительным.

Временное разделение каналов. Любая импульсная последовательность, промодулированная информацией, похожа на любую другую импульсную последовательность; она ещё не подверглась канальному кодированию. При помощи сдвига времени передачи каждого моноцикла через больший временной интервал в соответствии с кодом импульсная последовательность может быть прокодирована канально. Как показано на рисунке 104, для каждого импульса применяет относительно большой временной сдвиг (несколько нс). Только приёмник, выделяющий импульсы с таким же временным интервалом, может осуществить декодирование принимаемой информации.

Рисунок 104. Временное распределение каналов при синхронной передаче

Для скрытности передаваемой информации может применяться псевдослучайная временная модуляция. В частотной области эта модуляция делает такой сверхширокополосный сигнал неразличимым на фоне белого шума. Во временной области каждый пользователь должен иметь уникальный псевдослучайный изменяющийся во времени код и в этом случае система имеет фактически неограниченное количество канальных кодов. Без знания этого кода сигнал фактически не обнаружим даже на очень близком расстоянии от передатчика. Это делает сигнал трудно обнаружимым и перехватываемым даже при помощи соответствующего корреляционного приёмника. Подобные системы обычно имеют сравнительно низкую частоту повторения, от 1 до 40 МГц.

Приём моноциклической последовательности. Сверхширокополосный дискретный сигнал необходимо принять с минимальными спектральными искажениями. Оптимальным является использование корреляционного приёмника (коррелятора). Коррелятор умножает принятый радиочастотный сигнал с копией сигнала и затем интегрирует результат этого процесса и получает на выходе постоянное напряжение. Процесс умножения и интегрирования происходит в течение длительности импульса и выполняется менее чем за 1 нс. В соответствии с опорной кодовой последовательностью, выход коррелятора измеряет относительную временную позицию принятой и опорной моноимпульсной последовательности. Рисунок 105 показывает значение напряжения на выходе коррелятора, которое соответствует различному временному смещению между опорной и принятой последовательностью.

Рисунок 105 Формы напряжения на выходе коррелятора

Когда принимаемый импульс приходит на 1/4 импульса раньше – на выходе коррелятора +1; когда приходит на 1/4 позже – на выходе – 1; и когда принимаемый импульс приходит по центру корреляционного окна – выходе 0.

Для шумового сигнала принятого в полосе частот приёмника средняя величина на выходе коррелятора равна 0. Когда моноцикл находится в шумах других сигналов, важно обнаружить приём одиночного TM-UWB импульса. С помощью сложения многочисленных корреляционных пиков становится возможным принять передаваемый сигнал. Этот процесс называется " импульсным интегрированием.

Выигрыш при обработке и устойчивость к интерференциям. Сочетание псевдослучайного кодирования, случайной временной модуляции и корреляционного приема делают временную модуляцию в радиосистемах и радарах устойчивой к интерференциям. Это важно, так как все другие сигналы в пределах полосы занимаемой сигналами с временной модуляцией действуют как помехи для радиосистем с временной модуляцией. Выигрыш в отношении сигнал/шум при обработке измеряется устойчивостью приёмника к помехам. Выигрыш при обработке определяется как отношение ширины радиочастотного сигнала к ширине информационного сигнала. Радиосистемы с временной модуляцией имеют огромный выигрыш. Например, широкополосная система множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA) с информационной полосой 8кГц и полосой канала 1.25 МГц имеет выигрыш при обработке 156 (22 дБ). TM-UWB системы с шириной информационного сигнала 8 кГц и шириной канала 2 ГГц имеют выигрыш 250000 (54 дБ). Ддля TM-UWB сигнала дополнительный выигрыш складывается из:

1. Рабочего цикла передачи, например 1% рабочего цикла приносит выигрыш 20 дБ;

2. Эффекта импульсного интегрирования, например интегрирование энергии 100 импульсов приносит выигрыш 20 дБ;

В итоге выигрыш составит 40 дБ.

Многолучёвость и распространение сигнала. Многолучевое распространение сигналов при использовании обычных систем связи приводит к интерференции сигналов в точке приема, в результате которой наблюдаются замирания сигналов, искажаются фазовые характеристики принимаемого сигнала.

Система с временной модуляцией не испытывает этого эффекта. На рисунке 106 показано прохождение моноцикла к приёмнику двумя путями. Так как это пути разной длины, второй импульс придет после первого импульса. Приёмник может быть настроен на любой из импульсов и принять более сильный, без интерференции, сигнал. Если в приёмнике будут использоваться два коррелятора, настроенных каждый на свой сигнал, станет возможным когерентное сложение сигналов и увеличение отношения сигнал/шум при приёме.

Рисунок 106. Разделение импульсов

при многолучевом распространении

Когда передаётся последовательность импульсов, возможен интерференция принимаемого импульса с запоздавшим отражением от предыдущего импульса. При псевдослучайной временной модуляции эти интерферирующие импульсы некореллированы и могут игнорироваться.

Структурная схема приемопередатчика. На рисунке 107 представлена структурная схема TM-UWB передатчика. Как видно, передатчик не содержит усилителя мощности. Импульсы требуемой мощности генерируются генератором. Критической частью схемы импульсного генератора является антенна, которая работает как фильтр. Приемник имеет сходство с передатчиком за исключением того, что здесь за импульсным генератором стоит коррелятор, а также имеется полосовой сигнальный процессор, который должен извлекать модулирующий сигнал, осуществлять контроль и слежение за принятым сигналом.

Рисунок 107. Структурная схема приемопередатчика

Основные узлы приемопередатчика выпускаются в виде микросхем. Компанией Time Domain был спроектирован и разработан набор микросхем PulseON.

Подповерхностная локация

В России и за рубежом известны фирмы, производящие системы контроля материальных сред применительно для решения задач инженерной геологии, контроля полотна автодорог, археологии и т.д. Эффективность их применения недостаточна из-за низких тактико-технических характеристик. В таблице 4 приведены основные характеристики некоторых георадаров, выпускаемых отечественными и зарубежными фирмами.

Кроме приведённых в таблице, можно отметить ёще георадары других фирм:

- геолокатор “ГЕО-1(2, 3)” фирмы ZONDAS, г. Вильнюс, Литва;

- геолокатор “RAMAC/GPR” фирмы MALA GeoScience, Швеция.

Таблица 4. Технические характеристики подповерхностных локаторов

Технические характеристики прибора	" Зонд-12" Фирма “Radar Inc.”, г. Рига	“ГЕЯ”, Фирма“Логические системы”, г. Жуковский	“Sistem-10” Фирма GSSI, USA	“Грот-7" Фирма ИЗМИРАН, г. Троицк
Динамический диапазон усиления, дБ
Программируемое окно записи, нс	50-2000		16-8192
Скорость сбора информации, Гц			2-20
Амплитуда зондирующих импульсов на входе передающей антенны		400-500
Длительность импульсов, нс	4-5	5-6
Разрешение по глубине, м	0, 3 – 0, 5	0, 25-0, 4	0, 25 –0, 3	0, 3 – 0, 4
Глубина зондирования, м	12-15	4-8	5-8	12-15
Рабочая температура, град.	0 - +40	0 - +40	-10 - +40	-10 - +40
Размеры прибора, см	35х30х6		44х38х17, 8	31х31х18
Масса прибора, кг
Центральная частота антенны, МГц
Размеры антенн, См	98х52х4

Исходя из опыта использования георадаров специалисты пришли к следующим выводам. Глубинность исследований тем больше, чем ниже центральная частота возбуждаемых электромагнитных колебаний, выше удельное сопративление среды и ниже удельное затухание, но при понижении частоты падает разрешающая способность. В средних условиях (150-300 Ом.м) при частоте 50-100 МГц глубинность составляет в среднем 12-15 метров, а разрешающая способность при этом будет от 0, 5 до 1 метра – это типичный вариант исследований для решения инженерно-геологических задач. Увеличение частоты зондирующего сигнала до 250-300 МГц приведет к улучшению разрешающей способности до 0, 25-0, 3 м, но при этом уменьшается глубина зондирования. Поэтому без применения специальных мер нельзя достигнуть требуемых параметров георадара для решения задач контроля.

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8 9 101112 13 Следующая ⇒