СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫМ ИМПУЛЬСНЫМ СИГНАЛОМ
METHOD OF TRANSMITTING INFORMATION USING ULTRA-BROADBAND PULSED SIGNAL

Изобретение относится к области электросвязи, а именно к цифровой радиосвязи и может быть использовано для создания сверхширокополосного импульсного передатчика.
Известна полнодуплексная система связи [1] в которой реализован следующий способ передачи информации сверхширокополосным импульсным сигналом:
1) Применяются короткие импульсы в форме производных функций Гаусса - моноцикл Гаусса.
2) Задается период следования коротких импульсов порядка 1 мс.
3) Используется времяимпульсная модуляция сверхширокополосного сигнала, при этом информация заложена в наличии или отсутствии временного сдвига импульса относительно опорной точки на четверть длительности импульса.
Недостатком известного способа передачи информации сверхширокополосным импульсным сигналом является то, что:
1) Время-частотный ресурс используется неэффективно.;
2) Не обеспечивается максимальная скорость передачи информационных посылок.
3) Не учитывается форма сигнала и положение нулей на временной области при прохождении сигнала через ограничивающие фильтры, согласованные с разрешенным частотным диапазоном.
Наиболее близкое по технической реализации устройство, реализующее данный способ, приведено в диссертационной работе Короткова Д.А. "Разработка и исследование генераторов мощных наносекундных импульсов на основе дрейфовых диодов с резким восстановлением и динисторов с глубокими уровнями" Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН [2-4]. Однако данному устройству присущи недостатки, связанные с отсутствием выходного формирующего полосового фильтра, и низкой скоростью передачи информационных посылок.
Согласно [5] при фиксированной полосе частот, определенных для сверхширокополосных сигналов (2,85-10,6 ГГц в Российской Федерации) и жестких ограничений на уровень внеполосных излучений, каждый импульс должен пройти через полосовой фильтр высокого порядка с соответствующими частотами среза. При этом длительность переходных процессов значительно увеличивается. Для обеспечения передачи сигнала без искажения (межсимвольная интерференция отсутствует) необходимо передавать импульсы с периодом следования 4-5 длительности импульса.
Технический результат предлагаемого изобретения - обеспечение высокой скорости передачи информационных посылок в условиях отсутствия межсимвольной интерференции при передаче информации сверхширокополосным импульсным сигналом.
<mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>8</mn><msub><mi>f</mi><mi>н</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
н
Технический результат нового способа достигается тем, что применяют импульсы, полученные путем прохождения короткого импульса с равномерным спектром в полосе частот фильтра через полосовой фильтр, передачу импульсов на временных позициях согласуют с квазипериодическим режимом передачи, а информационную модуляцию осуществляют с помощью временного сдвига импульса на время, равное
, где f - нижняя частота среза формирующего фильтра передатчика, при этом для передачи сигнала используют значительную часть сантиметрового диапазона частот от 3,5 до 10,5 ГГц полосы радиочастот, в которой разрешено применять сверхширокополосный сигнал в Российской Федерации согласно "ГОСТ Р 5001692 [6]; в качестве основы передатчика используются дрейфовые диоды с резким восстановлением, которые позволяют получать короткий импульс; определяют структуру сигнала как последовательность следования импульсов; в качестве формирующей схемы передатчика используют ключ на основе дрейфовых диодов с резким восстановлением, который позволяет сформировать короткий импульс со спектром, равномерным в полосе от 3,5 до 10,5 ГГц; используют выходной фильтр высокого порядка, который позволяет исключить спектральные составляющие сигнала за пределами полосы от 3,5 до 10,5 ГГц; используют устройство управления передатчика, которое согласует периодический информационный поток с квазипериодическим режимом передачи. В качестве средства согласования периодического потока выступает устройство управления с функцией хранения данных (память). Периодический поток информационных посылок заносится в память, а само устройство замыкает ключ по алгоритму, отражающему квазипериодический режим формирования импульсов и вид информационной модуляции.
Для того чтобы информация была передана сверхширокополосным сигналом, информационный сигнал в виде короткого импульса с равномерным спектром в полосе частот фильтра проходит через полосовой фильтр, а передачу импульсов на временных позициях согласуют с квазипериодическим режимом передачи, информационная модуляция осуществляется с помощью временного сдвига.
В качестве информационной модуляции могут выступать следующие виды квантованных импульсных модуляций - квантованная амплитудно-импульсная модуляция, квантованная фазоимпульсная модуляция.
Сущность способа поясняется фиг. 1 - 5, где представлена форма сигнала, полученного полнодуплексной системой связи, и сверхширокополосного импульсного сигнала, полученного идеальным полосовым фильтром.
H
H
На фиг. 1 представлена принципиальная схема передатчика на основе дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ). В исходном состоянии ключ К выключен, конденсатор С2 разряжен. При включении К в первичную обмотку импульсного трансформатора Т1 коммутируется ток разряда конденсатора С1. При этом по цепи вторичной обмотки трансформатора протекает ток, являющийся прямым для ДДРВ (ток включения ДДРВ). В результате осуществляются зарядка конденсатора С2 и накопление неосновных носителей заряда в структуре ДДРВ. В момент окончания процесса зарядки конденсатора С2 происходит насыщение сердечника трансформатора Т1, что приводит к резкому уменьшению индуктивности его вторичной обмотки. Конденсатор С2 быстро разряжается, при этом протекающий в цепи «С2-ДДРВ» ток является обратным для ДДРВ (ток выключения). В процессе протекания тока выключения из структуры ДДРВ выводится накопленный заряд неосновных носителей, величина которого, вследствие малой длительности процесса накопления, фактически равна величине заряда, введенного на этапе пропускания импульса тока включения. После освобождения базовой области ДДРВ от заряда неосновных носителей ток выключения поддерживается за счет вывода основных носителей. При этом электрическая проводимость ДДРВ резко уменьшается и становится существенно меньше электрической проводимости сопротивления нагрузки R. В результате происходит быстрая коммутация тока из ДДРВ в нагрузку R.
Таким образом, именно разряд накопительного элемента за очень короткий промежуток времени (открытие и закрытие ключа) и формирует сверхширокополосный импульс.
На фиг. 2 представлена форма сигнала, полученного полнодуплексной системой связи. Такой сигнал, ограниченный во временной области, имеет неограниченный спектр с боковыми лепестками, и при его применении частотно-временной ресурс используется неэффективно.
в
в
н
На фиг. 3а представлена структурная схема идеального полосового фильтра (ИПФ). Поскольку ИПФ является линейным устройством, то к нему применим принцип суперпозиции. На фиг. 3б структурная схема ИПФ, состоящая из двух идеальных фильтров нижних частот (ИФНЧ), при этом входной сигнал поступает одновременно на блок 2 ИФНЧ f, где f - верхняя частота среза формирующего фильтра передатчика, и блок 3 ИФНЧ f, выход блока 2 и выход блока 3 соединены с вычитателем, выход которого является выходом эквивалентной структурной схемы.
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mi>в</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>f</mi><mi>н</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>3</mn></mrow>
На фиг. 4 представлен полученный с помощью математического моделирования отклик ИПФ с отношением частот среза
на дельта-импульс [6, 7].
На фиг. 5 представлена структура сверхширокополосного импульсного сигнала, обеспечивающая максимальную скорость передачи информационных посылок, при этом время-частотный ресурс используется полностью, межсимвольная интерференция отсутствует, а внеполосные излучения минимальны.
В отличие от известного в данном способе как информационная модуляция, так и передача импульсов на позициях в соответствии с периодом следования осуществляется с учетом необходимости обеспечения квазипериодического режима работы передатчика (передача двух посылок, затем пауза на время передачи двух посылок и вновь передача двух информационных посылок). Целесообразно при этом использовать сигнал с основанием кода а=2, поскольку такой сигнал легче согласуется со структурой, предложенной в способе.
В простейшем случае, при квантованной амплитудной манипуляции с основанием кода 2, ключ будет замыкаться и, соответственно, формировать импульс только для передачи «1», при «0» импульс формироваться не будет, причем срабатывание ключа возможно только в заданные (квантованные) временные позиции. Устройство управления, прежде всего, нужно для того, чтобы информацию в виде нулей и единиц от произвольного источника сгруппировать по принципу - две временные позиции, где возможно срабатывание ключа, далее две временные позиции, на которых невозможно срабатывание ключа. Цикл повторяется.
В данном способе впервые определен квазипериодический режим работы передатчика (передача двух посылок, затем пауза на время передачи двух посылок и вновь передача двух информационных посылок), позволяющий передавать информационные посылки со скоростью, равной удвоенной полосе частот.
â
í
1
2
Данный способ реализуется в полосе частот 2,85-10,6 ГГц. Использование этой полосы частот обусловлено решением государственной комиссии по радиочастотам [8], которое запрещает применять сверхширокополосный сигнал в полосе ниже 2,85 ГГц и выше 10,6 ГГц. Для устранения частотных составляющих вне разрешенной полосы необходимо применять полосовой фильтр высокого порядка с частотами среза f=10,6 ГГц и f=2,85 ГГц. Эквивалентной схемой такого фильтра является схема, состоящая из двух фильтров нижних частот с частотами среза f=2,85 ГГц и f=10,6 ГГц и вычитателя (фиг. 3). Во временной области сигнал, полученный при прохождении δ - импульса через такой фильтр, описывается формулой:
â
í
<mrow><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>x</mi></mfrac></mrow>
Сигнал, описываемый выражением (1), при f сравнимой с f не относится ни к классу сигналов «
», ни к классу узкополосных сигналов, определенных традиционной радиотехникой, кроме того, добиться периодической или квазипериодической передачи можно только при целочисленном отношении частот среза.
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mi>в</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>f</mi><mi>н</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>3</mn></mrow>
Условие
позволяет наиболее полно задействовать весь разрешенный решением ГКРЧ диапазон радиочастот (от 3,5 до 10,5 ГГц).
Сигнал, описываемый выражением (1) с частотами среза 3,5 ГГц и 10,5 ГГц, изображен на фиг. 4. Учитывая форму импульса и положение нулей во временной области, можно указать, что обеспечение максимальной скорости передачи информационных посылок при отсутствии межсимвольной интерференции возможно при квазипериодической передаче (передача двух посылок, затем пауза на время передачи двух посылок и вновь передача двух информационных посылок). При этом достигается максимальная скорость передачи посылок (V=2Δf) и нет межсимвольной интерференции (фиг. 5).
Способ организации работы сверхширокополосного импульсного передатчика позволяет повысить скорость передачи информационных посылок, при отсутствии межсимвольной интерференции.
Список используемой литературы
1. Полнодуплексная система связи. Патент США 5687169, Full duplex ultrawide-Band communication system and method, Larry W. Fullerton, 1997 г.
2. Коротков Д.А. Диссертация на тему "Разработка и исследование генераторов мощных наносекундных импульсов на основе дрейфовых диодов с резким восстановлением и динисторов с глубокими уровнями" Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН. Дис. на соискание ученой степени КТН спец. 01.04.13, ФГБУ Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, СПб., 2013, стр. 28-30.
3. Рожков А.В., Козлов В.А. "Пикосекундные высоковольтные дрейфовые диоды на основе арсенида галлия", "Физика и техника полупроводников", том. 37,  вып. 12, 2003 г.
4. Афанасьев А.В., Иванов Б.В., Ильин В.А., Кардо-Сысоев А.Ф. и др. "Дрейфовые диоды с резким восстановлением на основе карбида кремния" // Математическая Всерроссийская конференция Электроники и микроэлектроники СВЧ, 2002 г. - С. 260-262.
5. Рудько А.С. Научно-техническое обоснование выбора класса и параметров сверхширокополосного сигнала для информационного обеспечения группового космического объекта // Военная академия РВСН имени Петра Великого. М., Деп. в ЦСИФ МО, 2011.
6. «Способ организации работы сверхширокополосного импульсного передатчика» 13 Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи, Москва, ВВЦ, 25-28 июня 2013 г.
7. «Особенности формирования сверхширокополосного импульсного сигнала в условиях частотных и мощностных ограничений». Международный межотраслевой молодежный научно-технический форум. Конкурс научно-технических работ и проектов "Молодежь и будущее авиации и космонавтики. Москва, ВВЦ, 26 ноября 2013.
8. Решения государственной комиссии по радиочастотам №09-05-02 от 19 марта 2009.