СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ С НАНОРЕЗИСТОРАМИ
SYSTEM OF DATA TRANSFER WITH NANORESISTORS

Изобретение относится к разделам радиотехники, электрической и оптической связи, с использованием нанотехнологий, в которых рассматриваются методы обработки сигналов в процессе их передачи и приема. Суть изобретения направлена на расширение функциональных возможностей устройства за счет расширения динамического диапазона работы устройства, улучшения линейности и точности характеристик амплитудных модуляторов и амплитудных детекторов, а также на повышение чувствительности приемной части устройства.
Модуляция сигналов и детектирование широко применяются в различных областях радиотехники, в связи, в измерительной технике. Амплитудная модуляция является одним из самых простых и распространенных видов модуляции. В своем классическом варианте амплитудная модуляция применяется в аналоговых системах передачи. В последнее время все большее распространение находят такие виды амплитудной модуляции, которые предназначены для передачи дискретных сообщений в цифровых системах связи.
В аналоговых системах передачи наибольшее распространение получили следующие виды амплитудной модуляции: с двумя боковыми полосами (Double Side Band DSB), с одной боковой полосой (Single Side Band (SSB), балансная (с частичным или полным подавлением несущей), полярная. Основным недостатком амплитудной модуляции DSB является относительно широкий диапазон занимаемых частот. В связи с этим все больший интерес проявляется к использованию амплитудной модуляции с одной боковой полосой SSB (см. патент USA №4272845 Receiver for data transmission system operating with Single Sideband amplitude modulation). Главным препятствием ограниченного применения амплитудной модуляции с одной боковой полосой является необходимость использования детекторов в приемных устройствах со специальной передаточной характеристикой, близкой к квадратичной. В последние годы в связи с развитием цифровых технологий значительно упростилась реализация демодуляторов SSB сигналов. Благодаря этому в цифровых многоканальных системах связи с частотным разделением каналов в настоящее время преимущественно используется амплитудная модуляция с одной боковой полосой. Примером этому может служить мобильная связь в стандарте GSM (см. Васюков В.Н. Цифровая обработка сигналов и сигнальные процессоры в системах подвижной связи. - Новосибирск, НГУ, 2003, 290 с.).
В цифровых системах передачи с амплитудной модуляцией (манипуляцией) Amplitude Shift Keying (ASK) наиболее распространенным является двоичный формат амплитудной модуляции (манипуляции), получивший международное название On/Off Keying (OOK). Тенденции развития средств связи за последние 15 лет показывают, что наиболее перспективными являются многопозиционные квадратурные методы амплитудной модуляции QAM (см., например, патент USA №3925611 Combined Scrambler-Encoder for Multilevel Digital Data), которые сочетают в себе амплитудную и фазовую модуляцию. Как показывает теория, аналоговую квадратурную модуляцию можно рассматривать как предельный случай многопозиционного кодирования с бесконечным числом позиций. В связи с этим аналоговые системы передачи могут в перспективе представлять большой интерес с точки зрения базы для практической реализации современных многопозиционных цифровых технологий.
В аналоговых системах связи для осуществления квадратичного детектирования AM сигналов с одной боковой полосой используют следующие технические решения:
1) аналоговые перемножители сигналов;
2) замена начального участка квадратичной характеристики наиболее подходящим участком экспоненциальной характеристики. Экспоненциальная зависимость получается с помощью полупроводниковых диодов, обладающих экспоненциальной вольт-амперной характеристикой p-n перехода;
3) кусочно-линейную аппроксимацию квадратичной характеристики;
4) преобразование электрической энергии сигнала в тепловую энергию с последующим измерением температуры нагретого тела.
В связи с развитием нанотехнологий наиболее перспективным квадратичным преобразователем с точки зрения достижения поставленной цели заявляемого изобретения может стать использование тепловых преобразователей электрического сигнала. Известно, что в электрических цепях мощность Р тепловой энергии, выделяемой за счет прохождения электрического тока через участок цепи
ф
пропорциональна квадрату напряжения или квадрату тока. В свою очередь, в системах с постоянной излучательной способностью Е тепловой энергии изменение температуры ΔT по отношению к температуре фона Т пропорционально подводимой электрической мощности
P=ΔT(t)·E.
Таким образом, изменение температуры ΔT(t) резистора оказывается пропорциональным квадрату величины сигнала (тока или напряжения). Аналогичным образом можно построить квадратичный детектор, осуществляющий преобразование энергии электромагнитного излучения в тепловую энергию с последующей регистрацией изменения температуры ΔT(t) приемной части антенны.
На протяжении многих десятков лет широкое использование тепловых детекторов огибающей электромагнитного сигнала в системах электрической и оптической связи сдерживалось в связи с тем, что подобные тепловые детекторы имели значительную тепловую инерционность. Так, тепловые приемники инфракрасного излучения, описанные в книге Шоль Ж., Марфан И., Мюнш М., Торель П., Комбет П. Приемники инфракрасного излучения. М.: Мир, 1969, позволяют регистрировать информационные сигналы, не превышающие по частоте десятков Герц. Для систем телефонной связи необходимо передавать сигналы, по крайней мере, до 3,4 кГц. Развитие нанотехнологий может обеспечить существенное снижение тепловой инерционности преобразователей. Это позволяет по-иному взглянуть на перспективы использования тепловых преобразователей модулированных сигналов.
Известная типовая система передачи данных обычно включает в себя следующие функциональные узлы: источник сообщений, преобразователь в электрический сигнал, кодирующее устройство, модулятор, генератор несущей частоты, передающую антенну, канал связи, приемную антенну, линейный частотно-избирательный усилитель, детектор, декодирующее устройство, регистрирующее устройство (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Радио и связь, 1986. с.7). Недостатком известной системы передачи данных является узкий динамический диапазон передачи сигналов, не превышающий 50 дБ.
Наиболее близкой по сути к заявляемому объекту является «Система передачи данных, передатчик, приемник и способ записи информационного сигнала на носителе информации» по патенту РФ №2121164 МПК G08С 19/00, G11В 13/00. Известное устройство содержит передатчик, передающую среду, приемник, цифровую систему обработки принятой информации. Недостатками известной системы передачи данных являются узкий динамический диапазон передачи сигналов и значительный уровень нелинейных искажений, возникающих на приемной стороне при приеме и обработке сигнала. В связи с этим известное устройство имеет ограниченные функциональные возможности при передаче аналоговых и многоуровневых цифровых сигналов. Поэтому известное устройство используется преимущественно для передачи двоичных последовательностей в системах передачи дискретных сообщений, например символьной информации на экран монитора.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей системы передачи данных за счет снижения нелинейных искажений и увеличения динамического диапазона передачи сигналов.
Технический результат достигается тем, что в известной системе передачи данных, содержащей передатчик, приемник и проводную линию связи, приемник выполнен в виде подключенной на выходе линии связи матрицы из последовательно-параллельно соединенных между собой нанорезисторов, согласованной по сопротивлению с волновым сопротивлением линии связи, а приемник содержит инфракрасный измеритель температуры, на приемный оптический элемент которого проецируется инфракрасное излучение активной области матрицы нанорезисторов, при этом выход инфракрасного измерителя температуры является выходом системы передачи данных.
Технический результат достигается также тем, что в заявляемом устройстве передатчик содержит амплитудный модулятор сигнала несущей с одной боковой полосой, выполненный на основе двух амплитудных модуляторов, при этом входы первого модулятора соответственно соединены со входом устройства и с выходом генератора несущей, входы второго модулятора соответственно соединены через преобразователь Гильберта со входом устройства и через фазосдвигатель на π/2 с выходом генератора несущей, кроме того, выходы модуляторов через сумматор и усилитель мощности соединены с входом проводной линии связи.
Отличительные признаки технического решения в заявляемом устройстве, представляющем собой систему связи с матрицей нанорезисторов, позволили получить эффект, заключающийся в расширении функциональных возможностей устройства за счет снижения уровня нелинейных искажений преобразователей. Увеличился динамический диапазон заявляемого устройства, благодаря чему оно может быть использовано как в цифровых, так и в аналоговых системах связи.
Пример технической реализации заявляемого устройства.
Схема устройства по пп.1 и 2 изображена на фиг.1. Заявляемое устройство содержит передатчик, включающий в себя два амплитудных модулятора 1 и 2, генератор несущей 3, устройство сдвига фазы 4 на π/2, преобразователь Гильберта 5, аналоговый сумматор 6, усилитель мощности 7. Входы модулятора 1 соответственно соединены со входом устройства и с выходом генератора несущей, входы модулятора 2 соответственно соединены через преобразователь Гильберта 5 со входом устройства и через устройство сдвига фазы 4 на π/2 с выходом генератора несущей 3. Выходы модуляторов 1 и 2 через последовательно включенные сумматор 6 и усилитель мощности 7 соединены с входом проводной линии связи 8. Приемник выполнен в виде подключенной к выходу линии связи 8 матрицы нанорезисторов 9 и инфракрасного измерителя температуры 11, приемный оптический элемент которого с помощью линзы 10 сфокусирован на активную область матрицы нанорезисторов, а выход инфракрасного измерителя температуры 11 является выходом системы передачи данных.
n
Матрица нанорезисторов 9 представляет собой совокупность последовательно-параллельно соединенных согласно схеме на фиг.2 M*N нанорезисторов. Нанорезисторы конструктивно могут быть выполнены на основе углеродных нанотрубок, углеродных или вольфрамовых зерен. В последнем случае матрица нанорезисторов будет представлять собой вольфрамовую нить миниатюрной лампы накаливания, например вольфрамовую нить сверхминиатюрной лампы накаливания СМН-6.3-20. Известно [Н.А.Азаренко, С.В.Литовченко, Л.С.Ожигов, А.А.Пархоменко. Роль границ зерен в радиационном упрочнении и охрупчивании материалов./Учебно-методическое пособие. Харьков, 2008, С.35], что вольфрамовая нить состоит из наноразмерных зерен, естественным образом последовательно-параллельно соединенных между собой и образующих двухполюсник с эквивалентным сопротивлением R, изображенным на фиг.1. Выбор лампы СМН-6.3-20 был обусловлен малыми размерами ее нити накала и соответственно малой тепловой инерционностью нити накала. Количество резисторов выбирается исходя из необходимости получения требуемого сопротивления и требуемой электрической мощности. Для получения необходимого согласования линии связи по нагрузке сопротивление матрицы нанорезисторов должно быть равно волновому сопротивлению кабеля, используемого в линии связи 8.
Система передачи данных работает следующим образом.
n
n
m
m
Первая квадратурная компонента сигнала несущей U(t) снимается непосредственно с выхода 3 и подается на вход амплитудного модулятора 1. Вторая квадратурная компонента сигнала несущей U(t) формируется путем пропускания сигнала с выхода 3 через устройство 4 сдвига фазы на π/2 с последующей подачей сигнала на вход амплитудного модулятора 2. Управляющим сигналом амплитудного модулятора 1 служит информационный сигнал U(t), а управляющим сигналом амплитудного модулятора 2 является информационный сигнал U(t), преобразованный по Гильберту в модуле 5. С выходов амплитудных модуляторов 1 и 2 сигналы поступают на соответствующие входы аналогового сумматора 6. С выхода сумматора 6 сигнал поступает на вход передатчика 7, представляющего собой усилитель мощности, и далее через проводную линию связи 8 поступает на матрицу нанорезисторов 9. Инфракрасное тепловое излучение активной области матрицы нанорезисторов с помощью линзы 10 проецируется на приемный фотоэлемент инфракрасного измерителя температуры 11. Принятые информационные данные снимаются в виде временной функции ΔT(t) изменения показаний измерителя температуры 11.
Для упрощения изложения теории амплитудной модуляции с одной боковой полосой рассмотрим работу устройства на примере тональной модуляции.
1
2
m
На выходе амплитудных модуляторов 1 и 2 получаются сигналы x(t) и x(t) путем умножения модулирующего колебания U(t) на гармонический сигнал
а
В (1-2) К - крутизна характеристики модулятора,
1
m
max
1
U(t)=U(t)/U(t) - нормированный по амплитуде модулирующий сигнал /U(t)/≤1.
- коэффициент глубины амплитудной модуляции.
0
ΔА=mА определяет максимальное отклонение амплитуды от среднего значения. Для неискаженной передачи информации коэффициент глубины модуляции должен быть меньше 1.
m
Рассмотрим амплитудно модулированный сигнал при тональной модуляции низкочастотным сигналом U(t) с частотой Ω
при Ω<ω. Модулированные сигналы на выходе модуляторов 1 и 2 будут соответственно иметь вид
Используя известные тригонометрические формулы, имеем на выходе модуляторов 1 и 2
Векторное суммирование (вычитание) сигналов в сумматоре 6 (фиг.1) позволяет получить модулированный сигнал с верхней (нижней) боковой полосой. Например, для нижней боковой полосы (Low Sideband LSB) имеем
Согласно схеме, приведенной на фигуре 1, были проведены численные расчеты осциллограмм и спектров сигналов, получаемых на выходе усилителя мощности 7. На фиг.3 приведены результаты численных расчетов осциллограммы модулирующего сигнала (первый сверху график), осциллограммы амплитудно модулированного сигнала с нижней боковой полосой (средний график) и его частотного спектра (нижний график). Как видно из фиг., спектр модулированного сигнала состоит из двух пиков, при этом пик большей интенсивности соответствует частоте несущей, а пик меньшей интенсивности - нижней боковой полосе. Частотный диапазон может быть пропорционально трансформирован в область любых частот, в том числе и более высоких, путем соответствующего выбора периода дискретизации сигнала. Результаты численных расчетов полностью подтвердили правильность предлагаемой функциональной схемы заявляемого устройства.
3
m
Отличительной особенностью заявляемого устройства является то, что прием и демодуляция сигнала на приемной стороне осуществляются с помощью одного функционального блока - матрицы нанорезисторов 9. Сигнал, принимаемый с линии связи 8, поступает на матрицу нанорезисторов и нагревает ее. Изменение во времени температуры активной части нанорезисторов пропорционально мощности излучения, т.е. пропорционально квадрату сигнала x(t). Согласно соотношению (8) это позволяет отслеживать изменения модулирующего сигнала U(t) во времени без нелинейных искажений.
Применение матрицы из нанорезисторов позволило разрешить хорошо известную из литературы техническую проблему, связанную с компромиссным выбором между быстродействием (тепловой инерционностью) теплового преобразователя и его чувствительностью. Действительно, уменьшение размеров активной приемной части резистивного теплового преобразователя способствует снижению его тепловой инерционности. Одновременно с этим снижается эффективность преобразователя как источника вторичного инфракрасного электромагнитного излучения. В связи с этим использовавшиеся ранее тепловые преобразователи имели серьезное ограничение по снижению своих габаритов, а значит - и тепловой инерционности. Матрица нанорезисторов лишена указанного недостатка благодаря большому количеству нанорезисторов. Это способствует улучшению отношения сигнал/шум приемника, а значит - и увеличению динамического диапазона устройства.