Способ передачи данных по радиоканалу сверхширокополосным импульсным сигналом в космических системах связи

Значительное увеличение применения беспроводных высокоскоростных технологий передачи данных привело к усугублению и без того серьезной проблемы — нехватки радиочастотного ресурса в освоенных диапазонах [3]. Освоение новых свободных частотных диапазонов требует развития и применения дорогостоящей элементной базы, что в ряде случаев экономически нецелесообразно. Внедрение технологий беспроводной связи в занятых диапазонах частот — актуальное направление развития современных радиосистем, а решение государственной комиссии по радиочастотам Российской Федерации (ГКРЧ РФ) № 09−05−02 от 19 марта 2009 года дало возможность безлицензионного применения в занятых диапазонах радиочастот маломощных беспроводных устройств, использующих сверхширокополосные сигналы (СШПС). Этим решением определен диапазон радиочастот — от 2,85 до 10,6 ГГц и ограничения на эквивалентную изотропно-излучаемую мощность. Мощностные ограничения указаны дифференцированно и при соблюдении наиболее жестких из них передатчик СШПС может работать в терминалах аэропортов, а так же в самолетах при взлете и посадке. Для работы в подобных условиях также важно не излучать в полосе ниже 2,85 ГГц и выше 10,6 ГГц, и, при этом, максимально эффективно использовать выделенный частотно-временной ресурс.

Известны работы Московского авиационного института, института Котельникова РАН, института Иоффе РАН, а так же ряда других учреждений, которые позволили существенно продвинуться в теоретическом обосновании принципов работы и практическом применении сверхширокополосных технологий. В настоящее время применяются несколько классов СШПС: сигналы без несущей — последовательности сверхширокополосных видеоимпульсов, сигналы с ортогональным частотным мультиплексированием и сигналы с хаотической несущей. С точки зрения скорости передачи информационных посылок наибольшим потенциалом обладают сигналы, относящиеся к первому классу, поскольку частотный диапазон может быть задействован полностью без разрывов, при этом форма спектра определяется элементарным коротким импульсом и имеется возможность применения когерентных систем [2].

Интересной видится задача, заключающаяся в определении структуры сверхширокополосного импульсного сигнала, которая позволит передавать информационные посылки с максимальной скоростью без межсимвольной интерференции в условиях ограничений, налагаемых ГКРЧ РФ.

Рассмотрим идеальный случай и сформируем СШПС, имеющий равномерный спектр в полосе частот 2,85 — 10,6 ГГц и не имеющий частотных составляющих за пределами это полосы. Такой сигнал может быть получен путем передачи дельта-импульса через идеальный полосовой фильтр (ИПФ) с соответствующими частотами среза. Поскольку ИПФ является линейной системой, то для него применим принцип суперпозиции сигналов, и эквивалентной схемой такого фильтра будет являться схема, состоящая из двух идеальных фильтров нижних частот (ИФНЧ) и вычитающего устройства (рис. 1). Выходной сигнал во временной области в этом случае описываться выражением (1):

(1).

где — частота среза ИФНЧ1, Гц и — ИФНЧ2 соответственно, Гц.

Рисунок 1. Эквивалентная схема идеального полосового фильтра.

Для подавляющего большинства сигналов, применяемых сегодня в сантиметровом диапазоне длин волн справедливо соотношение, где fв и fн — максимальная и минимальная частоты в спектре сигнала. Однако, если спектр сигнала будет занимать весь разрешенный решением ГКРЧ РФ диапазон от 2,85 до 10,6 ГГц, то это отношение составит. Аналитическое моделирование показало, что для подобных сигналов добиться периодической или квазипериодической передачи импульсов без межсимвольной интерференции можно только при целочисленном отношении частот среза. Условие позволяет наиболее полно задействовать весь разрешенный диапазон радиочастот (от 3,5 до 10,5 ГГц).

Импульсная переходная функция идеального полосового фильтра с частотами среза от 3,5 и 10,5 ГГц приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Импульсная переходная функция ИПФ с частотами среза от 3,5 и 10,5 ГГц Анализ положения нулей ИПФ, приведенного на рис. 2, показал, что нули расположены не периодически, однако в их расположении есть закономерность и можно найти апериодическую структуру сигнала, при которой будут отсутствовать межсимвольные искажения. Искомая структура приведена на рисунке 3. Как видно из рисунка, в определенные моменты времени переходные процессы от всех импульсов сводятся к нулю за исключением одного импульса, уровень которого максимален. Соответственно, анализируя уровень сигнала в этот момент времени, можно принять решение о наличии или отсутствии информационно посылки на этой позиции. При такой структуре сигнала скорость передачи информационных посылок составит, ?f=fв-fн. Эта скорость соответствует максимальной скорости передачи информационных посылок для случая применения идеального фильтра нижних частот, описанного Г. Наквистом и В.Котельниковым. Таким образом максимальная скорость передачи информационных посылок в условиях отсутствия межсимвольной интерференции и частотных ограничений, накладываемых ГКРЧ РФ составит. Мощностные ограничения приводят к необходимости передачи одного бита информации множеством посылок, количество которых зависит от расстояния между приемником и передатчиком и характеристик внешней среды [1].

Рисунок 3. Структура сверхширокополосного импульсного сигнала Предложенная структура сверхширокополосного импульсного сигнала обладает важной особенностью — при применении для передачи данных балансной модуляции (рис. 4) появляется возможность сформировать синхросигнал. Суммарный сигнал, полученный путем формирования чередующейся последовательности нулей и единиц (рис. 5а), представляет собой гармонический сигнал (рис. 5б), по нулям которого можно осуществлять импульсную синхронизацию передатчика и приемника.

Рисунок 4. Передача данных с помощью балансной модуляции Рассмотрим возможности по практической реализации приведенной структуры сигнала. Проведем имитационное моделирование и разработаем модель в среде программирования LabView. Модель состоит из генератора прямоугольных импульсов, дифференцирующей цепочки (ДЦ), полосового фильтра, блока преобразования Фурье и элементов отображения. Генератор прямоугольных импульсов формирует сигнал, который подается на вход ДЦ, на выходе которой формируются короткие импульсы, соответствующие фронтам и спадам входных прямоугольных импульсов. Короткие импульсы проходят через полосовой фильтр. Полученный сигнал анализируется во временной и спектрально области.

Рисунок 5. Формирование синхросигнала Проведенный анализ показал, что при использовании полосового фильтра начиная с 7-го порядка форма сигнала близка к теоретической. Структура модели и результаты моделирования приведены на рисунке 4.

Результаты исследования применяются в области связи, а именно для организации по радиолиниям между различными маломощными и малогабаритными устройствами информационного обмена при решении задачи «последней мили». Отличительной особенностью результатов исследования является решенная задача обеспечения синхронизации приемника и передатчика при информационном обмене сверхширокополосными сигналами.

Рисунок 6. Структура модели и результаты моделирования Т.о. сущность способа заключает в себе следующие особенности:

Применяются короткие сверхширокополосные импульсы, полученные при прохождении опорного сигнала через дифференциальные цепочки и полосовой фильтр высокого порядка;

Задается особая последовательность передачи импульсов (цикл) — передача двух импульсов, затем пауза на время передачи двух импульсов, затем цикл повторяется;

Используется балансная модуляция сверхширокополосного сигнала, при этом информация заложена в положительной или отрицательной полярности передаваемого импульса;

Периодически передается чередующая последовательность нулей и единиц, служащая маркером, синхросигналом. Эта возможность вытекает из-за особого способа построения сигнала.

Рассмотренная модель сигнала позволила определить структуру сверхширокополосного импульсного сигнала, позволяющая передавать информационные посылки с высокой скоростью и без межсимвольной интерференции. При этом передатчик формирует импульсы по квазипериодическому циклу — передаются два импульса, потом следует пауза на время передачи двух импульсов, а затем цикл повторяется [5,6].

Сигнал на выходе передатчика формируется путем прохождения коротких импульсов, имеющих равномерный спектр в диапазоне частот от 3,5 и 10,5 ГГц и следующих по квазипериодическому циклу, через полосовой фильтр. Значение времени между соседними импульсами составляет, где fн = 3,5 ГГц — нижняя частота среза формирующего полосового фильтра передатчика.

При практической реализации передатчика в качестве генератора коротких импульсов может выступать формирователь на основе дрейфовых диодов с резким восстановлением, а в качестве формирующего полосового фильтра — фильтр, порядка не ниже 7-го [4].

Андрашитов Д.С., Хиль С. Ш., Савилкин С. Б. Оценка параметров формы информационного сообщения на основе совмещенного с физическими принципами синтеза // Научные труды (вестник МАТИ), 2013, вып. 20(92). С. 192 — 200.

Мацыкин С.В., Рудько А. С., Осипов В. В. Особенности работы сверхширокополосных импульсных передатчиков телекоммуникационных систем в условиях частотных ограничений, принятых на территории Российской Федерации // Научные труды (вестник МАТИ), 2013, вып. 20(92). С. 210 — 217.

Рудько А. С. Особенности разделения потоков данных на ведомом космическом аппарате из состава группировки МГКА // Актуальные проблемы Российской космонавтики: Труды XXXV академических чтений по космонавтике. М.: Комиссия РАН, 2011.

Дмитриев В. В. Технологии передачи информации с использованием сверхширокополосных сигналов (UWB) // Компоненты и технологии, 2004, № 1.

Иммореев И., Судаков А. Сверхширокополосные и узкополосные системы связи. Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 2003.

Кардо-Сысоев А. Ф. Методы формирования сигналов для устройств сверхширокополосной связи (импульсное радио). Сборник докладов научной конференции Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике. Муром, 2003.