Генератор хаотических радиоимпульсов

Оглавление

Введение

Глава 1. Генераторы хаотических сигналов: от шумотронов до наноструктур.

.1 Хаотический радиоимпульс. Шумотроны

.2 Микрополосковые генераторы хаоса

.3 Генераторы хаоса на сосредоточенных элементах

.3.1 Генератор хаоса на основе схемы Колпитца

.3.2 Генератор с одним напряжением питания

.3.3 Генератор с печатными индуктивностями

.4 Генераторы хаоса на чип-усилителях

.5 Генераторы хаоса на наноструктурах

Глава 2. WPAN: модель стандарта IEEE 802.15.4a на основе хаотических сигналов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

Введение

Как известно, хаотические процессы имеют некоторые отличительные черты, благодаря которым применение динамического хаоса для передачи информации имеет большие перспективы.

Первой особенностью является широкополосность. Хаотические сигналы непериодичны и обладают непрерывным спектром. Для многих типов хаотических сигналов этот спектр занимает весьма широкую полосу и, кроме того, вид спектральной характеристики можно задавать. В системах связи широкополосные сигналы используются для борьбы с искажениями в каналах распространения сигнала, в частности, с такими эффектами, как затухание сигнала в некоторой полосе частот или с узкополосными возмущениями. Таким образом, хаотические сигналы потенциально применимы для систем связи, использующих широкий диапазон частот.

Вторая отличительная особенность - сложность. Хаотические сигналы имеют сложную структуру и весьма нерегулярны. Один и тот же хаотический генератор может создавать совершенно разные процессы при весьма незначительном изменении начальных условий. Это значительно затрудняет определение структуры генератора и предсказание процесса на какое-нибудь длительное время. Сигналы сложной формы и непредсказуемого поведения являются классическими видами сигналов, используемых в криптографии, что дает еще одну возможность применения хаоса.

Кроме того, для хаотических сигналов характерна ортогональность. В силу нерегулярности хаотических сигналов, их автокорреляционная функция обычно весьма быстро затухает. Поэтому сигналы от нескольких генераторов вполне можно считать некоррелированными, ортогональными. Это свойство указывает на применимость хаотических сигналов для многопользовательских систем связи, в которых один и тот же диапазон частот используется несколькими пользователями одновременно.

Несомненным преимуществом систем, использующих динамический хаос, является их самосинхронизуемость.

В настоящее время изучение и исследование динамического хаоса открывают широкие возможности для практических применений, в частности, для синхронизации приёмника и передатчика, фильтрации шумов, восстановления информационных сигналов, кодирования и декодирования сообщений, модуляции и т.д. Стоит заметить, что при модуляции традиционного гармонического сигнала имеется всего три управляемых параметра, в то время как в случае хаотических колебаний даже небольшое изменение параметра даёт надёжно фиксируемое изменение характера колебаний. Кроме того, хаотические сигналы принципиально являются широкополосными. В системах связи широкая полоса частот несущих сигналов используется как для увеличения скорости передачи информации, так и для повышения устойчивости работы систем при наличии возмущений. Шумоподобность и самосинхронизируемость систем, основанных на хаосе, дают им потенциальные преимущества и над традиционными системами с расширением спектра, базирующимися на псевдослучайных последовательностях.

Глава 1. Генераторы хаотических сигналов: от шумотронов до наноструктур

1.1 Хаотический радиоимпульс. Шумотроны

Хаотические радиоимпульсы (рисунок 1) представляют собой фрагменты хаотического сигнала, который генерируется непосредственно в требуемом частотном диапазоне. Формирование импульсов осуществляется либо за счёт внешней модуляции, либо за счёт внутренней в транзисторном генераторе хаотических колебаний. Характерная ширина спектра мощности потока хаотических радиоимпульсов составляет  , где  - полоса хаотического сигнала,  - характерная ширина спектра модулирующего видеоимпульса. При условии, что длительность модулирующего видеоимпульса  удовлетворяет соотношению  =1/ , то есть импульс содержит более нескольких квазипериодов хаотических колебаний, ширина спектра мощности потока хаотических радиоимпульсов практически совпадает с шириной непрерывного хаотического сигнала.

База хаотического радиоимпульса определяется произведением полосы хаотического сигнала на длительность  и может меняться в широких пределах.

Рисунок 1. Хаотический радиоимпульс и его спектр мощности

Разработка генераторов хаоса радио и СВЧ диапазонов ведется начиная с шестидесятых годов двадцатого века. В первых генераторах стохастических (хаотических) колебаний, разработанных в ИРЭ АН СССР В.Я. Кисловым с сотрудниками, в качестве активного элемента использовались вакуумные электронные приборы - лампы бегущей волны. Такой прибор назывался «шумотроном». На рис. 2 приведена фотография «шумотрона» на основе ЛБВ УВ-34 и УВ-35 [2].

Рисунок 2. Внешний вид шумотрона

Вскоре после создания шумотрона была показана возможность генерации хаотических колебаний в устройствах на основе лампы обратной волны и других вакуумных приборов. В начале восьмидесятых годов возник интерес к генераторам хаоса радио и СВЧ-диапазонов на основе полупроводниковых активных элементов, таких как транзисторы. Такие генераторы были созданы и успешно использовались как в радио, так и в СВЧ диапазонах. Начиная с середины 80-х годов двадцатого столетия различными научными коллективами, как в России, так и за рубежом ведутся активные исследования в области применения явления динамического хаоса для обработки и передачи информации. В качестве практически реализуемой коммуникационной схемы в одной из работ была предложена модель прямохаотической схемы передачи информации, в которой хаотический сигнал генерируется непосредственно в радио или СВЧ-диапазоне и модулируется информационным сигналом. Очевидно, что важнейшей частью систем передачи информации на основе динамического хаоса являются генераторы хаотических колебаний. Здесь они должны использоваться не просто как источники шумоподобных сигналов, но и как источники сигналов - носителей информации. Это новое направление потребовало как дополнительных исследований свойств самого динамического хаоса, так и дальнейшей разработки его источников. Для широкого применения хаотических сигналов в информационных и коммуникационных технологиях необходимо было решить вопрос о характеристиках, конструкции, технологичности, надежности и воспроизводимости источников хаоса, а также о возможной унификации процесса их конструирования.

1.2 Микрополосковые генераторы хаоса

Первые генераторы хаоса с использованием биполярных транзисторов в качестве активных элементов были созданы в ИРЭ АН СССР В.П. Ивановым весной 1981 года [2]. Это были генераторы радиодиапазона, выполненные с применением микрополосковых элементов. В том же году сотрудниками лаборатории В.Я. Кислова на основе этого генератора был разработан передатчик хаотических сигналов «Шатер» для защиты информации в устройствах вычислительной техники от утечки по побочным излучениям. Передатчик оказался очень эффективным и в различных модификациях выпускается и используется до настоящего времени. В 1983-1984 годах Н.А. Максимовым были разработаны транзисторные генераторы хаоса в диапазоне 3ГГц и, таким образом, началось освоение СВЧ диапазона. Ряд интересных динамических явлений характерен этим генераторам. В последующие несколько лет сотрудниками лаборатории был разработан ряд транзисторных генераторов хаоса в диапазоне до 6ГГц. Все эти генераторы были реализованы на микрополосковой технологии и имели выходные мощности от нескольких десятков милливатт до 1Вт. Пример генератора хаоса СВЧ-диапазона приведен на рис. 3.

Рисунок 3. Эскиз топологии и спектр мощности генератора хаоса СВЧ диапазона.

Автогенератор выполнен на основе микрополосковой технологии с использованием одного активного элемента - биполярного СВЧ транзистора КТ982, включенного по схеме с общей базой. В качестве материала подложки в различных вариантах исполнения генератора, использовались фольгированные диэлектрики с различной проницаемостью (ε = 2. 7,.., 10).

Выходная, коллекторная топология представляет собой двухступенчатый трансформатор, согласующий выходной импеданс транзистора Т с внешней нагрузкой (50 Ом) в рабочей полосе частот. Микрополосковый резонатор, расположенный в эмиттерной цепи транзистора с одной стороны согласует импеданс варакторного диода D с входным импедансом транзистора Т, а с другой стороны, его электрическая длина (L = λ/4) определяет центральную частоту генерации в заданном диапазоне частот. Обратная связь между линейным и нелинейным контурами генератора осуществляется за счет внутренних емкостей СВЧ-транзистора. Было показано, что использование варакторного диода в качестве нелинейного элемента (нелинейной емкости), отсутствие энергетических затрат на его управление, позволяет получить КПД автогенератора до 25-30% в режиме хаотических колебаний. Спектр выходного сигнала генератора приведен на рис.3. В данном случае центральная частота диапазона f = 3.2 ГГц, а полоса генерации хаотического сигнала по уровню 10 дБ составляет ~200 МГц. В конце 90-х годов, в связи с идеей использования динамического хаоса в системах связи, встал вопрос о создании генераторов хаоса нового поколения. Существенными характеристиками этих новых генераторов должны были стать: небольшие мощности генерации (единицы мВт), компактность, низкая стоимость и пригодность к массовому производству. Было ясно, что в перспективе задачу нужно решать путем создания хаотических генераторов в виде интегральных микросхем на основе кремниевой или кремниево-германиевой технологий. Следует отметить, что упоминавшиеся выше генераторы хаоса, созданные в 1980-е годы, были сконструированы в результате кропотливых экспериментальных исследований с применением компьютерных технологий в основном для качественного анализа бифуркационных явлений в генераторах на упрощенных моделях. Генераторы нового поколения так создавать было нельзя. Во-первых, это потребовало бы очень больших объемов экспериментальных исследований. Во-вторых, требовалось создать не один генератор с конкретными характеристиками, а генераторы, характеристики которых можно было бы по мере необходимости менять в достаточно широких пределах, в частности, это касается полосы частот генерации сигналов. В-третьих, прямой перенос результатов экспериментальной разработки на генератор в виде монолитной интегральной микросхемы невозможен по технологическим причинам. Наконец, в-четвертых, новое поколение генераторов нужно было реализовать не на микрополосковой технологии, а в виде устройств, использующих только сосредоточенные элементы. В связи с перечисленными обстоятельствами, прежде всего, нужно было решить задачу перехода от экспериментальных методов разработки к компьютерной разработке генераторов с экспериментальной поддержкой. Затем разработать принципы создания транзисторных генераторов СВЧ-хаотических сигналов на основе элементов с сосредоточенными параметрами. После этого создать схемы генераторов, обеспечивающих генерацию хаоса с требуемыми спектральными характеристиками, реализовать эти схемы экспериментально, добиться соответствия между расчетными и экспериментальными результатами и после этого перейти к вопросам оптимизации генераторов по излучаемой мощности и потреблению.

1.3 Генераторы хаоса на сосредоточенных элементах

генератор хаос сигнал микрополосный

.3.1 Генератор хаоса на основе схемы Колпитца

Первым генератором, который будет проанализирован с точки зрения энергетических характеристик, является генератор СВЧ-хаоса на основе емкостной трехточечной схемы (рис. 4). Это - схема, на которой впервые изучалась возможность компьютерной разработки транзисторного генератора СВЧ-хаоса на сосредоточенных элементах. Для этого на основе простой низкочастотной математической модели генератора и ее эквивалентной схемы в специализированном схемотехническом пакете ADS была разработана модель генератора, учитывающая реальные свойства как транзистора, так и пассивных элементов схемы. Результаты проведенных с помощью модели исследований показали, что, масштабируя соответствующим образом параметры структурных элементов генератора и выбирая подходящий активный элемент (кремниево-германиевый транзистор), можно получать в схемах на сосредоточенных элементах хаотические колебания с частотами вплоть до нескольких гигагерц. Впоследствии в генераторе было учтено влияние подложки из материала FR-4. Он был реализован в виде экспериментального макета и была изучена его работоспособность в диапазоне до 5 ГГц.

Рисунок 4. Эскиз топологии генератора: RL = 30 Ом, RE = 400 Ом, L = 3 нГн, C1 = 0.3 пФ, С2 = 0.53 пФ, транзистор BFP620

В качестве активного элемента использовался транзистор BFP620 [3]. Экспериментальное исследование режимов генератора показало, что в системе при напряжениях коллектор-база VC =0-2 В и напряжении эмиттер-база VE ≈ 6 В возникают многочастотные колебания, а также хаотические колебания. Однако последние неустойчивы и существуют в узких зонах изменения питающих напряжений транзистора. Спектр мощности одного из таких режимов приведен на рис. 2, а. Он занимает широкую полосу частот, но весьма неравномерен по диапазону. Второй режим работы генератора наблюдался при напряжении коллектор-база VC = 12 В и небольших напряжениях эмиттер-база VE =0.75-1.5 В (рис. 5). В этом случае хаос в системе возникал практически сразу при открывании перехода эмиттер- база и устойчиво существовал при изменении напряжения на переходе в указанных пределах.

Рисунок 5. Спектры хаотических колебаний генератора на трехточке: а - VC = 1 В, VE = 6 В; б - VC = 12 В, VE = 1.5 В, по уровню примерно 15 дБ ширина спектра примерно 5 ГГц (1.5-6.5 ГГц)

Генератор, работающий в первом режиме, давал на выходе (коллекторная цепь) до 1 мВт выходной мощности. КПД генератора при этом находилось в пределах 1%. При втором режиме работы генератора выходная мощность, выделяемая на нагрузке 50 Ом, достигала 4.5 мВт, а КПД генератора составлял примерно 2%. Поскольку СВЧ-хаотические колебания, получаемые в генераторе на трехточке, довольно неустойчивы, и возможности управления их характеристиками весьма ограничены, были предприняты усилия по улучшению характеристик системы за счет повышения ее размерности.

Рисунок 6. Схема генератора с 2.5 степенями свободы

Были приведены результаты исследования динамики системы в пакете ADS, а также результаты экспериментального исследования динамики генератора, созданного на основе этой схемы в радиодиапазоне. В экспериментах с ним было установлено, что в динамике генератора можно выделить две области изменения управляющих напряжений, в которых система демонстрирует достаточно устойчивое хаотическое поведение. Первая область - это большие отрицательные смещения на переходе эмиттер-база транзистора (VE =4-6 В) и малые положительные на переходе коллектор-база (VC =0-2 В); вторая область наоборот - малые отрицательные напряжения на переходе эмиттер- база (VE =1-2 В) и высокие положительные напряжения на переходе база-коллектор (VC =10-13 В).

Рисунок 7. Спектры мощности хаотического сигнала на выходе СВЧ-генератора хаоса при VC = 1.5 В, VE = 5 В и VC = 12.5 В, VE = 1 В.

В режиме, спектр мощности которого показан на рис. 7, потребляемый ток составляет J = 20 мA, мощность выходного сигнала - P = 4 мВт. В таком режиме генератор имеет КПД примерно 3%. Спектр мощности колебаний состоит из двух частей. Основная мощность хаотических колебаний сосредоточена в диапазоне 1.5- 3.5 ГГц. В районе частоты приблизительно 5.5 ГГц выделяется относительно узкий пик спектральной плотности сигнала, сформировавшийся в окрестности второй гармоники базовой частоты 2.7 ГГц. Мощность выходного сигнала можно увеличить до 5 мВт при VC = 2 В и VE = 6 В. При одновременном изменении коллекторного и эмиттерного напряжения и сохранении между ними отношения VE/VC, примерно 3 В, можно оставаться в области хаоса, сохраняя при этом частотный диапазон спектра мощности. Так, при изменении VE в пределах 3.5-7 В, а напряжения VC в пределах 1-2.5 В, сохраняя в целом форму спектра мощности генерируемого хаотического сигнала, можно варьировать мощность сигнала в диапазоне 2-8 мВт. При движении вниз по параметру VE в динамике системы наблюдался гистерезис; генерация существовала вплоть до значений VE = 0.5 В, проходя стадии от хаоса к многочастотному режиму и через обратные бифуркации удвоения к генерации одночастотных колебаний на частоте примерно 2.7 ГГц. Спектр мощности сигнала, характерный для второго режима хаотических колебаний, также приведен на рис. 7. В этом случае потребляемый ток J ≈ 20 мА. Выходная мощность сигнала составляет 3 мВт и КПД ≈ 1.2%. Спектр сигнала при этом занимает полосу частот от 1 ГГц до 6 ГГц по уровню 10 дБ. Как видно из рис. 7, для такого режима работы транзистора системе свойственны сверхширокополосные хаотические колебания, неравномерность которых можно регулировать подстройкой напряжений питания. В обоих рассмотренных режимах работы транзистора генерация хаотических колебаний была устойчивой в достаточно широком диапазоне изменения управляющих напряжений.

1.3.2 Генератор с одним напряжением питания

Выше был рассмотрен генератор хаотических колебаний на основе модели с 2.5 степенями свободы. На примере этого генератора была показана возможность получения в транзисторном генераторе СВЧ-хаотических сигналов в полосе частот от 1 до 6 ГГц. Однако хаотические колебания в этой системе реализуются при достаточно высоких напряжениях питания.

Для практического использования желательно иметь генераторы с уровнем напряжения питания до 2.0-2.5 В; в частности, только такие напряжения предпочтительны в случае реализации хаотических генераторов в виде монолитных интегральных схем. Так же желательно, чтобы генератор работал от единственного источника напряжения положительной полярности, так как использование дополнительного источника усложняет систему. Для того, чтобы решить эти задачи, был предложен генератор, схема которого приведена на рис. 8. Эта схема отличается от схемы генератора с 2.5 степенями свободы тем, что из схемы удален источник питания в цепи коллектора. Соединение с «землей» перенесено с базы на эмиттер, а единственный источник питания подключен так, чтобы создавать положительную разность потенциалов между базой и эмиттером транзистора. Как показало моделирование генератора в пакете ADS, на высоких частотах значительный вклад в динамику системы, вносят паразитные элементы корпуса транзистора, в частности, они определяют частоту генерации. Поэтому емкости C0 и C2 были удалены из схемы. Их роль выполняют паразитные емкости корпуса транзистора между базой и эмиттером, коллектором и эмиттером. Наконец, для того, чтобы ограничить полосу частот генерируемого сигнала, в схему был введен фильтр высоких частот с частотой среза 2.7 ГГц. Следует отметить, что в схеме отсутствует развязка между генератором и фильтром на выходе генератора, поэтому фильтр играет двоякую роль: с одной стороны, он ограничивает полосу частот сигнала на выходе системы, а с другой, - является элементом цепи обратной связи генератора и вносит свой вклад в динамику генератора. В частности, в некоторых случаях добавление к системе фильтра приводит к возникновению хаотических режимов, хотя в отсутствие фильтра подобные режимы не наблюдались. Плата макета, как и платы предыдущих макетов, выполнена на материале FR-4. В экспериментальном устройстве использовались компоненты со следующими номиналами: L1 = L2 = 3.6 нГн, C1 = 0.1 пФ, R1 = R2 = 1 Ом, RE = 15 Ом, Cbl = 200 пФ. Напряжение питания генератора VE = 2 В. Спектр мощности генератора с полосой генерации хаотического сигнала 3-5 ГГц представлен на рис. 8. Потребляемая мощность в этом режиме около 80 мВт, излучаемая мощность около 0.8 мВт, КПД порядка 1%.

Рисунок 8. Схема генератора с одним источником питания, R = 50 Ом и спектр мощности хаотического сигнала на выходе генератора при VE = 2 В

1.3.3 Генератор с печатными индуктивностями

При работе с генератором, описанными ранее, было выяснено, что верхняя граница частот генерируемого хаотического сигнала определяется номиналами индуктивностей в цепи обратной связи устройства. При этом использование индуктивностей минимального номинала из имеющихся на рынке (1 нГн) позволяет достичь частоты 5 ГГц в качестве верхней границы частот генерации. Для генерации хаоса на более высоких частотах необходимо было использовать какое-то альтернативное техническое решение. В качестве такого решения было предложено заменить чип индуктивности в генераторе на индуктивности в виде фрагментов металлизированных проводящих линий на поверхности платы. Величина индуктивностей таких фрагментов могла быть значительно меньше минимального номинала чипа индуктивностей. Использование печатной технологии позволяло обеспечить хорошую воспроизводимость номиналов и уменьшало количество навесных элементов в схеме. Меняя форму и размеры фрагментов, можно было обеспечить изменения номиналов индуктивностей в нужных пределах. Моделирование в ADS генератора с единственным источником питания и печатными индуктивностями показало, что в генераторе с печатными индуктивностями не только реализуются сверхширокополосные хаотические колебания в диапазоне частот 3-5 ГГц и выше, но и увеличивается КПД по сравнению с генератором, в котором использовались чипы индуктивности. Генератор позволяет получать СВЧ-хаотические колебания в широком диапазоне изменения как центральной частоты, так и ширины полосы генерируемого сигнала. Полоса генерируемого сигнала определяется номиналами используемых компонентов и длиной проводящей линии, играющей роль индуктивности. На рис. 9 приведены спектры мощности сигнала для ряда режимов, полученных при работе с данным генератором.

Рисунок 9. Спектры мощности хаотического сигнала на выходе генератора при различных параметрах системы: а) C1 = 0.5 пФ, VE = 2 В, I = 40 мА, Pвых = 2 мВт, КПД=2.5%; б) C1 = 0.3 пФ, VE = 2.4 В, I = 50 мА, Pвых = 2.5 мВт, КПД=2.1%; в)C1 отсутствует, VE = 2.5 В, I = 60 мА, Pвых = 1.26 мВт, КПД=0.8%; г)фильтр HFCN-3500, C1 отсутствует, VE = 2.8 В, I = 90 мА, Pвых = 1 мВт, КПД=0.4%

Как видно из рисунков, варьируя параметры системы, можно получать хаотические колебания с шириной полосы, по крайней мере, от 1.5 до 5.5 ГГц и с граничной верхней частотой приблизительно 8 ГГц.

1.4 Генераторы хаоса на чип-усилителях

Транзистор - не единственный элемент, который может быть использован в качестве активного элемента при разработке СВЧ генераторов хаоса. Так, был предложен генератор хаоса кольцевой структуры на основе ЧИП-усилителей. Такой генератор представлен на рис. 10.

Рисунок 10. Структура генератора хаоса. 1, 2, 3 -ЧИП-усилители; Р - разветвитель; Б - буферный ЧИП-усилитель.

Генератор состоит из трех ЧИП-усилителей, последовательно включенных и замкнутых в кольцевую схему через микрополосковый разветвитель. Функция последнего - ответвить большую часть сигнала из кольца обратной связи в нагрузку, а оставшуюся часть - направить снова в кольцо. Основной волноведущей структурой генератора является 50-омная микрополосковая линия. В качестве ЧИП-усилителей были использованы стандартные, промышленно выпускаемые усилительные элементы, согласованные по входу и выходу на 50 Ом. Так, если рабочая полоса ЧИП-усилителя по паспортным данным соответствует 100-5500 МГц, то именно её и занимает спектр мощности выходного сигнала генератора. Один из типовых спектров мощности выходного сигнала в режиме генерирования хаотических колебаний для случая использования усилителей МSA-0986 приведен на рис.11.

Рисунок 11. Спектр мощности одного из типовых хаотических режимов генератора

б

а

в г

Рисунок 12. Спектры мощности S выходного сигнала микрополоскового генератора при различных значениях напряжении питания: (а) 1.7 В; (б) 2 В;(в) 2.4 В; (г) 3.3 В.

1.5 Генераторы хаоса на наноструктурах

Мы рассмотрели существующее состояние разработки генераторов хаоса радио и СВЧ диапазонов, из которого следует, что устройства этого типа прошли за прошедшие десятилетия большой путь развития, непосредственно связанный как с эволюцией возлагаемых на них задач, так и с общим развитием технологий электроники. Что можно ожидать в ближайшем будущем в области генерации хаоса в связи с выходом технологий электроники на наномасштабы? В первую очередь переход к КМОП технологиям с меньшими масштабами означает рост доступных частот для аналоговых микросхем [4]. Так, если для технологии 0.35 мк предельные частоты для различных устройств составляют от 2 до 5 ГГц, то для технологий 0.045 мк (45 нм) предельными частотами будут уже частоты 30-50 ГГц. Для других технологий, в частности кремний-германиевых, этот диапазон будет при сопоставимых масштабах ещё значительно выше и достигнет нескольких сотен гигагерц. Это откроет возможность создания дешёвых хаотических приёмопередатчиков верхней части сантиметрового и миллиметрового диапазонов - очень привлекательных с точки зрения высокоскоростных беспроводных локальных применений. Кроме того, такие объекты наноэлектроники как квантовые точки, провода, ямы, полевые транзисторы наноразмеров, одноэлектронные приборы, нанотрубки обладают целым рядом свойств, которые как связывают их с традиционными устройствами электроники, так и обещают новые неординарные возможности. Сообщения о возможности разработки электронных приборов типа ламп бегущей волны на основе нанотрубок или наноприемников - первые ласточки новой эры.

Глава 2. WPAN: модель стандарта IEEE 802.15.4a на основе хаотических сигналов

С тех пор как в начале 2002 года федеральная комиссия по коммуникациям США (FCC) опубликовала частотный диапазон и спектральную маску мощности для нелицензируемых сверхширокополосных (СШП) систем связи, был предложен и исследован ряд интересных подходов для коммерческих приложений в полосе 3,1-10,6 ГГц. Основной областью применения СШП сигналов являются беспроводные персональные локальные сети (wireless personal area networks - WPAN), для которых особое значение имеют низкая стоимость аппаратуры и малое энергопотребление. Такие сети разрабатываются, в частности, в рамках стандарта IEEE 802.15.4a, предназначенного для передачи данных со скоростями до 1-3 Мбит/с (агрегированная по сети скорость до 10 Мбит /с) на расстояния до 100 метров [5-6]. Кроме того, устройства стандарта должны иметь возможность определять свое местоположение в сети. Для реализации задач стандарта предложено использовать несколько типов сигналов: ультракороткие импульсы и последовательности таких импульсов, сигналы с расширением спектра, хаотические радиоимпульсы и сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). Беспроводные сверхширокополосные средства связи для «умных домов и офисов» рассматриваются как одни из наиболее привлекательных продуктов, которые могут существенно расширить рынок WPAN.

Для системы «умного дома» был предложен следующий вид прямохаотической системы связи (рис. 13).

Рисунок 13. Приёмопередающая система

Генератор хаоса должен обеспечивать стабильную генерацию сигнала при допустимой неравномерности спектральной плотности в заданной полосе частот [7]. Существует несколько различных типов хаотических генераторов. В рассматриваемой конструкции приемопередатчика используется генератор хаоса кольцевого типа, структура которого представлена на рис. 14.

Рисунок 14. Генератор хаоса для модели стандарта IEEE 802.15.4a

Генератор включает в себя три усилительные интегральные схемы. Все усилители соединены последовательно, формируя кольцо обратной связи, в которое включен также частотно-избирательный ответвитель. Частотно-избирательный ответвитель отводит большую часть мощности сигнала в выходную нагрузку, а оставшуюся часть подает на вход первого усилителя. Таким образом, три усилителя и ответвитель образуют замкнутое кольцо. Для улучшения спектральных характеристик генерируемого сигнала, между усилителями помещены дополнительные частотно-избирательные структуры. Наличие между усилительными каскадами частотно-избирательных структур, равно как и использование частотно-избирательного ответвителя, не нарушает общей концепции генерации, но помогает формировать хаотический сигнал с заданными спектральными характеристиками. Полоса частот генерируемого хаотического сигнала определяется соответствующей рабочей полосой используемых усилительных интегральных схем. Например, если рабочая полоса усилителя составляет 100-5500 МГц, то спектр мощности располагается точно в этом же диапазоне частот. В макете приемопередатчика генератор хаоса реализован в виде микрополоскового устройства. В качестве усилителей используются микрочипы ADA4743. Функцию ответвителя выполняет балансный микрополосковый элемент с коэффициентом ответвления 10 дБ, рассчитанный на среднюю частоту требуемого диапазона частот (4 ГГц). Сигнал на выходе ответвителя имеет полосу шире, чем 2 ГГц, и простирается в область низких частот [8]. Поэтому на его выходе помещен фильтр высоких частот с частотой среза 3 ГГц. Созданный генератор производит хаотический сигнал мощностью 1 мВт в полосе частот 3,1-5,1 ГГц (рис. 15).

Рисунок 15. Спектр мощности хаотического сигнала

На рис. 16 представлен фрагмент реализации хаотических колебаний для одного из типовых режимов генератора.

Рисунок 16. Фрагмент реализации хаотических колебаний

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ эволюции генераторов хаоса радио и СВЧ диапазона показывает, что эти устройства за сорок лет своего развития прошли большой путь от экспериментальных приборов для специальных приложений, выполненных в виде вакуумных приборов, до компонентов современных перспективных средств связи. Заслуга первопроходцев не только в том, что они обнаружили явление динамического хаоса, но, кроме того, создали соответствующие устройства для практического применения, постоянно и целенаправленно продвигая средства и системы на основе хаоса в жизнь. Так, например, при разработке стандарта IEEE 802.15.4a предполагалось, что передача данных должна быть низкоскоростной, однако дальность передачи должна быть, как минимум, 30 м. Для того, чтобы реализовать такие дальности нужно иметь на входе антенны напряжение ~ 3 В, что входит в противоречие с технологическими тенденциями к снижению напряжения питания и потребляемой мощности. Еще более драматичной ситуация будет, если потребуется обеспечить дальность передачи на 50-60 и более метров. Заметим, что из трех ограничений на излучаемую мощность именно третье ограничение является наиболее тяжелым для импульсных систем. Выходом из этого положения является переход от передачи одного бита одним импульсов к передаче одного бита серией импульсов. В этом случае, при сохранении энергии излучаемой на один бит, можно снизить энергию, приходящуюся на один импульс, пропорционально числу импульсов в серии. Это означает переход от сигналов с единичной базой (процессингом) к сигналам с большой базой. Этот переход как раз и был воплощен в системах с хаотическим радиоимпульсом. Спектр мощности потока таких импульсов близок к спектру мощности порождающего немодулированного хаотического сигнала. Прямохаотические системы, у которых спектр мощности не зависит от длины импульса, а, следовательно, и от величины базы сигнала не имеют энергетических ограничений свойственных системам с короткими импульсами и при любой скорости передачи сохраняют в системах связи идеологию «один бит - один импульс». Это является одним из главных их естественных преимуществ по сравнению с сверхширокополосными системами, использующими сверхкороткие импульсы, и существенно упрощает аппаратурные решения. Хаотические сигналы обладают рядом свойств, которые делают их привлекательными для использования в локальной связи: естественная сверхширокополосность, обеспечивающая простоту генерации и модуляции сигнала по сравнению с традиционными системами расширения спектра; устойчивость к эффекту затухания сигнала в средах с многолучевым распространением, типичных для жилых помещений, офисов и индустриальных сооружений; возможность использования некогерентного приема, который может быть легко реализован с меньшим по сравнению с альтернативными решениями числом компонент (без смесителей и ФАПЧ).

Список литературы

1.       Когай, Г. Д., Тен, Т.Л. Методы и модели хаотических процессов в системах связи / Г. Д. Когай, Т. Л. Тен // Современные наукоемкие технологии. - 2014. - № 10. - С. 61-64.

.         Дмитриев А. С., Ефремова Е. П. [и др.] Генераторы хаоса: от вакуумных приборов до наносхем. / А. С. Дмитриев [и др.] // Динамический хаос. 2009. № 1-2. С. 6-22.

3.       Дмитриев, А. С. [и др.] Транзисторные генераторы хаоса малой мощности / А. С. Дмитриев // Хаос. 2013. № 64.

.         Дмитриев, А. С Детерминированный хаос и информационные технологии /А. С. Дмитриев // "Компьютерра". 1998. № 47.

.         Тайлак, Б. Е. Модель псевдослучайного генератора, построенного на базе хаотической системы / Б. Е. Тайлак // Труды международной научной конференции «Наука и образование - ведущий фактор стратегии «Казахстан - 2030». - Караганда. Изд-во КарГТУ, 2009. - С. 353-355.

.         Тайлак, Б. Е. Генератор псевдослучайных последовательностей на базе хаотической системы / Б. Е. Тайлак // Материалы международной научно-практической конференции. - Омск - 2009.

.         Бейсенби, М. А., Тен [и др.] Управление детерминированным хаосом в распределенных сетях. Учебное пособие - Караганда: КарГТУ, 2012.

8.       Dmitriev A.S., Kletsov A.V., Laktushkin A.M., Panas A.I., Sinyakin V.Yu. Ultrawideband microwave transceiver platform based on chaotic signals. - 2013.