РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2008, том 53, № 10, с. 1278-1289
ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
УДК 519.6
СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ БЕСПРОВОДНАЯ СВЯЗЬ И СЕНСОРНЫЕ СЕТИ
© 2008 г. А. С. Дмитриев, Е. В. Ефремова, А. В. Клецов, Л. В. Кузьмин, А. М. Лактюшкин, В. Ю. Юркин
Поступила в редакцию 19.05.2008 г.
Рассмотрено интенсивно развивающееся направление в области беспроводной сверхширокополосной связи. Описаны разработанные в ИРЭ РАН сверхширокополосные прямохаотические приемопередатчики двух типов и продемонстрировано их применение в беспроводных сенсорных сетях.
ВВЕДЕНИЕ
Радиосвязь, основателями которой были выдающиеся инженеры и ученые М. Фарадей, Дж.К. Максвелл, A.C. Попов, Г. Маркони, Н. Тесла, как средство коммуникаций существует уже более 100 лет. При развитии беспроводной (радио) связи возник вопрос о ее массовом использовании, что обусловило в 20-30 гг. XX века создание радиовещания и построение сетей радиовещательных станций. В 1930-1940 гг. было создано телевещание как новое направление в радиосвязи. Развертывание беспроводных сетей телевещания обеспечило доступ к высококачественной видеоинформации в ранее удаленных от цивилизации уголках земного шара и даже за его пределами.
Развитие радиосвязи стало возможным благодаря совместным усилиям исследователей и разработчиков в различных областях техники и науки. При реализации масштабных проектов массовой радиосвязи, а также при более специальных ее применениях возникли и успешно развивались такие направления в науке, как радиофизика и теория информации. Уже в 20-е гг. XX века некоторым выдающимся ученым и инженерам (эти термины в отношении них практически невозможно разделить), стала ясна необходимость более глубокого изучения физических явлений, связанных с генерацией, модуляцией, излучением, распространением, приемом и обработкой радиосигналов. Также нужно было решить фундаментальные вопросы, связанные с содержанием передаваемых сигналов. Хотя развитие радиосвязи начиналось с систем дискретной передачи информации, радиовещание и телевидение - наиболее массовые системы, использующие радиотехнологии, которые в течение многих лет являются аналоговыми системами. Научный прорыв, совершенный в 1930-1940-е гг. В.А. Котельниковым [1], и результаты, полученные К. Шенноном [2], составили основу теории информации. Эти работы были поддержаны и математически обоснованы в трудах А.Н. Колмогорова, А.Я. Хинчина,
Р.Л. Стратоновича, A.M. Яглома и других советских ученых, что привело к формированию теории информации как научной дисциплины (см. [3] и приведенную там библиографию).
Успешное развитие радиофизики, электроники (элементной базы) и теории информации в 1950-1960-х гг. позволило решить ряд чрезвычайно сложных задач космической связи и радиолокации планет. С точки зрения массовых коммуникаций выдающимся событием стало в этот период появление и развитие спутниковой связи. Для этой цели начали использовать спутники на высокоэллиптических и стационарных орбитах. Выяснилось, что необходимо передавать через спутники-ретрансляторы разнообразную информацию: от телефонных разговоров до телепередач и цифровых потоков обмена информацией между компьютерами. Серьезность проблемы привела к комплексным решениям, позволяющим "увязывать" передачу разнородной информации в рамках одной радиосистемы. Это - методы разделения сигналов по пространству, частоте, по времени, а также кодовое разделение сигналов. Также появилась и постепенно стала доминировать идея полного перехода к цифровым методам передачи.
Применение цифровых методов передачи информации в решающей степени связано с развитием вычислительной техники. Действительно, осуществление функций разделения сигналов, пакетирования информации, ее адресация и обработка после приема требуют значительных вычислительных ресурсов. Применение цифровых методов в персональных коммуникационных системах стало возможным на рубеже 80-90-х гг. XX века с появлением достаточно эффективных сигнальных процессоров и микроконтроллеров.
К этому времени уже появились первые беспроводные сотовые телефонные сети. Сочетание сотовых технологий с цифровыми методами обработки сигналов позволило широко использовать временное и кодовое разделение сигналов, что привело к фантастическому синергетическо-
му результату - сверхмассовому распространению сотовой связи. Возможность реализации мобильной персональной связи для миллиардов людей 20-30 лет назад обсуждалась только писателями-фантастами.
Такая ситуация сложилась с беспроводными коммуникациями в начале XXI века. Кажется, что самые необычные и интригующие возможности уже реализованы, но воображение и потребности не ограничены.
В данной работе на примере одного потенциально очень важного направления радиосвязи -сверхширокополосного радио - рассмотрен создаваемый в последние годы новый научно-технический потенциал систем и средств беспроводной связи, который должен ответить на вызовы нового века.
1. СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЕ СИГНАЛЫ И НОВЫЕ ТИПЫ НОСИТЕЛЕЙ ИНФОРМАЦИИ
Гармонические колебания в течение длительного времени были основным типом носителя при передаче информации. Однако в последние годы эта ситуация начинает меняться, что связано с развитием сверхширокополосной связи.
К сверхширокополосным (СШП) сигналам относят сигналы с центральной частотой —ц и полосой Д—, имеющие относительную полосу Б = Д— >
—ц
> 0.2...0.25. В решении Федеральной комиссии США по связи (ФКС) 2002 г. [4], заложившей основу для нелицензируемого использования СШП в средствах беспроводной связи, к сверхширокополосным сигналам относят также сигналы с полосой Д— > 500 МГц (в диапазоне частот 3.1.10.6 ГГц).
Первоначально в качестве основного типа СШП-сигналов рассматривались сверхкороткие импульсы, при использовании которых разработка технологии связи стимулировала развитие СШП-технологий в целом. Затем появились и другие СШП-технологии, часть из которых к настоящему времени уже вошла в стандарты связи.
Приведем перечень СШП беспроводных технологий, который в настоящее время следующий.
1. Ультракороткие импульсы [5, 6]. Длительность импульсов зависит от используемого диапазона частот, но обычно составляет от 100 до 2000 пс. Свойством этих сигналов являются жесткая связь длительности импульса с шириной спектра мощности и его расположение на частотной оси: спектр мощности простирается от нуля до частоты / ~ 1/Т , где Т - длина ультракороткого импульса (рис. 1а). База сигнала В ~ 1.
2. Короткие радиоимпульсы - цуги колебаний [7]. В рамках данного подхода сигнал формирует-
ся в заданной полосе частот. Как и в случае ультракоротких импульсов, имеет место жесткая связь между длиной импульса и спектром мощности сигнала. Для получения более равномерной спектральной плотности в полосе частот форму огибающей импульса выбирают колоколообраз-ной (рис. 16). База сигнала B ~ 1.
3. Хаотические радиоимпульсы [8, 9]. Огибающая спектра мощности у этих сигналов определяется исходным спектром непрерывного хаотического сигнала и при выполнении определенных условий практически не зависит от длины импульсов (рис. 1в). База сигнала может меняться в широких пределах.
4. Пачки коротких импульсов [10]. Как и в случае единичного короткого импульса, форма одинаковых импульсов согласуется с заданной полосой частот (рис. 1г). База сигнала пропорциональна числу импульсов в пачке.
5. Сигналы с прямым расширением спектра. Это решение предполагает "нарезку" синусоидального сигнала на очень короткие фрагменты -"чипы" [11]. Для передачи одного бита используется серия "чипов". В пределе при использовании одного "чипа" для передачи одного бита данный метод совпадает с методом формирования ультракоротких импульсов. База сигнала равна числу "чипов", используемых для передачи одного бита информации.
6. Сигналы с ортогонально-частотным мультиплексированием (OFDM) [12]. Этот тип сигналов давно и успешно применяется в радиосвязи (рис. 1д). Особенностью его использования в СШП-системах является большая ширина спектра (=500 МГц) по сравнению с OFDM-сигналами, применяемыми ранее.
7. Сверхширокополосные сигналы на основе частотной модуляции (FM UWB) [13, 14]. Эти сигналы формируются за счет сканирования частоты в генераторах, управляемых напряжением (рис. 1е). При однократном проходе частоты в пределах импульса база сигнала пропорциональна длине импульса. Скорость перестройки определяет минимальную длину импульса, на которой происходит полная перестройка частоты. В этом случае база сигнала равна B = ATAF, где AT - длина импульса; AF - полоса частот перестройки.
Этот перечень можно продолжить.
Следует отметить, что основная идея массового применения СШП-связи была тесно связана с импульсной СШП-технологией и заключалась в том, чтобы создать очень простые и дешевые беспроводные средства связи. Действительно, в схемах связи с ультракороткими импульсами все выглядит очень просто: "1" - передается импульсами, "0" - импульс на заданной временной позиции отсутствует. Любое усложнение этой схемы приводит к увеличению стоимости приемопередатчи-
Рис. 1. Фрагменты СШП-сигналов (зависимость аплитуды А от времени I): а - ультракороткий импульс длительностью Т; б - короткий импульс, сформированный из фрагмента гармонического сигнала длительностью Т с гауссовской огибающей; в - хаотический радиоимпульс длительностью Т; г - пачка из ультракоротких импульсов; д - сигнал с ортогонально-частотным мультиплексированием; е - линейно-частотно модулированный импульс длительностью Т.
ков. Но даже в такой на первый взгляд простой схеме передачи информации есть проблемы, требующие решения. Одной из проблем, в частности, является синхронизация передатчика и приемника. Например, для того чтобы эффективно осуществить когерентный прием, необходимо обеспечить синхронизацию с точностью не хуже 10 пс при длине импульса, равной 150 пс. Это непростая задача, и для ее решения применяются техноло-
гии со значительным потреблением энергии и достаточно сложной схемотехникой.
2. НОРМАТИВНАЯ БАЗА
Начиная с 2002 г., когда было принято упоминавшееся выше решение ФКС США, в ряде стран проводились аналогичн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.