СИСТЕМА СВЯЗИ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ХАОТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Настоящая полезная модель относится к радиотехнике, в частности, к передаче информации с использованием сверхширокополосных сверхвысокочастотных (СВЧ) хаотических сигналов.
В настоящее время известны устройства, предназначенные для передачи информации с использованием широкополосных и сверхширокополосных хаотических СВЧ сигналов.
Известны устройства передачи информации с помощью хаотических сигналов, в которых информация передается путем формирования потока хаотических радиоимпульсов, причем формирование хаотических радиоимпульсов на требуемых временных позициях осуществляется за счет использования внешнего модулятора, либо дополнительных цепей обратной связи, либо управления параметрами динамической системы генератора хаоса, либо управления траекторией упомянутой динамической системы в фазовом пространстве (такой способ передачи описан в патенте РФ №2185032). Передатчик, построенный по предложенной в этом патенте схеме, сложен и имеет значительное энергопотребление.
В патенте РФ №2429566 описано устройство, в котором формирование потока хаотических радиоимпульсов осуществляется при помощи системы ФАПЧ, когда управляемый генератор несущей частоты модулируется хаотическим сигналом, генерируемым отдельной динамической системой. Такой способ формирования хаотических радиоимпульсов не позволяет получить амплитудно-модулированные хаотические радиоимпульсы без применения дополнительного модулятора, с помощью которого на несущие хаотические радиоимпульсы будет накладываться передаваемый информационный поток.
Наиболее близким аналогом описываемой в настоящей заявке полезной модели является устройство, построенное на основе патента РФ №2185032. Такое устройство состоит из генератора хаотических сигналов, модулятора, формирующего из хаотического сигнала хаотические радио- или оптические импульсы в соответствии с передаваемым информационным сигналом, и динамической системы на приемной стороне, согласованной по своему поведению с хаотической динамической системой передающей стороны. Согласно этому патенту, модуляция широкополосных хаотических сигналов осуществляется путем управления поведением динамической автоколебательной системы генератора хаоса за счет изменения ее параметров, а прием хаотических радиоимпульсов выполняется при помощи динамической системы, выходной сигнал которой согласован с огибающей сигнала хаотической динамической системы передатчика. Недостатком передатчика, построенного с использованием этого патента, является сложность схемы и высокое энергопотребление.
Целью предложенной полезной модели является устранение недостатков аналога и создание устройства для передачи информации с использованием хаотических радиоимпульсов, обладающего высокой энергетической эффективностью и/или более простой конструкцией.
В устройстве аналога предложенной полезной модели при помощи генератора генерируют сверхширокополосный хаотический сигнал; формируют в соответствии с поступающим на передатчик информационным сигналом поток хаотических радиоимпульсов заданной длительности, расположенных в заданных временных позициях с заданными временными интервалами между этими импульсами. В результате в передатчике генерируются и передаются в эфир хаотические радиоимпульсы, в значениях амплитуды которых содержится передаваемая информация. Упомянутый поток хаотических радиоимпульсов передают в эфир при помощи антенны.
Для достижения указанной цели передатчик полезной модели содержит электронный ключ между источником питания и генератором хаотического сигнала.
В еще одном варианте достижения указанной цели в передатчике между генератором хаотического несущего сигнала и антенной включен усилитель с переменным коэффициентом усиления, и модуляция осуществляется в этом усилителе.
В еще одном варианте достижения указанной цели передатчик совмещен в одном устройстве с приемником, приемник и передатчик подключены к одной антенне через антенный переключатель, и модуляция сигнала передатчика осуществляется переключением этого антенного переключателя.
На фиг.1 представлена блок-схема передатчика системы связи с использованием сверхширокополосных хаотических сигналов с электронным ключом в цепи питания генератора сверхширокополосного хаотического сигнала. 1 - генератор сверхширокополосного хаотического сигнала, 2 - электронный ключ, 3 - источник информационного сигнала, 4 - источник питания, 5 - антенна передатчика, 6 - модулированный сверхширокополосный несущий сигнал.
На фиг.2 представлена блок-схема передатчика системы связи с использованием сверхширокополосных хаотических сигналов с усилителем хаотического сигнала. 1 - генератор сверхширокополосного хаотического сигнала, 3 - источник информационного сигнала, 7 - усилитель хаотического сигнала, 5 - антенна передатчика, 6 - модулированный сверхширокополосный несущий сигнал.
На фиг.3 изображена блок-схема реализации приемопередатчика с использованием антенного переключателя. 1 - генератор сверхширокополосного хаотического сигнала, 3 - источник информационного сигнала, 5 - антенна, 8 - антенный переключатель, 9 - приемник.
На фиг.4 изображена подробная структурная схема приемопередатчика, построенного с использованием антенного переключателя. 1 - генератор сверхширокополосного хаотического сигнала, 2 - усилитель, 5 - антенна, 8 - антенный переключатель, 10 - цифро-аналоговый преобразователь, 11 - малошумящий усилитель, 12 - компаратор, 13 - ПЛИС, 14 - микроконтроллер, SPI - последовательный периферийный интерфейс, USB - универсальная последовательная шина.
В настоящей заявке предлагается 3 варианта исполнения передатчика, отличающихся местом подачи информационного сигнала для формирования хаотических импульсов заданной длительности с заданными временными интервалами между этими импульсами: на электронный ключ в цепи питания генератора, на усилитель хаотического сигнала перед антенной, на антенный переключатель в исполнении совместно с приемником.
Передатчик с электронным ключом в цепи питания генератора изображен на фиг.1. Электронный ключ расположен между источником питания и генератором. Ключ управляется подаваемым на него информационным сигналом. Передатчик в данном исполнении функционирует следующим образом. В генераторе (фиг.1, поз.1) при подаче требуемого напряжения питания формируется непрерывный сверхширокополосный хаотический сигнал; при помощи электронного ключа 2 в соответствии с битами передаваемого информационного сигнала, который в последовательном двоичном коде поступает из блока 3, на генератор подается напряжение от источника питания 4. Для формирования импульса ключ открывается, на генератор подается напряжение питания, генератор включается и генерирует хаотический сигнал, который излучается антенной 5 в среду передачи. В паузах между импульсами электронный ключ закрыт, на генератор не подается напряжение питания, генератор выключен и не потребляет энергии. Включение/выключение генератора в моменты времени, определяемые информационным сигналом, приводит к формированию хаотических радиоимпульсов на заданных временных позициях с заданными временными интервалами между ними. Технический результат уменьшения энергопотребления достигается за счет того, что в паузах между импульсами электронный ключ закрыт, на генератор выключен и не потребляет энергии.
На фигуре 2 представлен вариант исполнения передатчика с усилителем хаотического сигнала. Усилитель 3 с переменным коэффициентом усиления включен между генератором 1 и антенной 5; коэффициент усиления определяется подаваемым на усилитель информационным сигналом.
Передатчик функционирует следующим образом. В генераторе 1 формируется непрерывный сверхширокополосный хаотический сигнал; этот хаотический сигнал поступает в СШП усилитель 7, коэффициент усиления которого изменяется от минимального до требуемого в соответствии со значениями передаваемого информационного сигнала, который поступает из блока 3. Для формирования импульса коэффициент усиления устанавливается на максимальное (требуемое) значение, усиленный сигнал генератора излучается антенной в среду передачи. В паузах между импульсами коэффициент усиления устанавливается на минимальное значение, в среду передачи антенной излучается неусиленный сигнал генератора.
Технический результат упрощения конструкции передатчика достигается за счет того, что усилитель, который обычно применяют для дополнительного усиления сигнала перед антенной с целью достижения требуемых параметров мощности и дальности действия передатчика, в данном исполнении дополнительно выполняет функцию модулятора. Кроме того, в данном исполнении можно использовать маломощный и малопотребляющий генератор 1 сверхширокополосного хаотического сигнала, обеспечивая требуемую мощность излучения на антенне 5 за счет усилителя 7, который при таком исполнении будет определять общее потребление аналоговой части передатчика. Так как энергопотребление усилителя примерно линейно растет с увеличением коэффициента усиления, то в интервалы времени между импульсами потребление передатчика резко падает, что обеспечивает также технический результат уменьшения энергопотребления передатчика.
На фигуре 3 представлен вариант исполнения системы двусторонней полудуплексной связи с использованием хаотических импульсов, в которой совмещенные в одном устройстве передатчик и приемник подключены к общей антенне через антенный переключатель. В режиме передачи хаотический сигнал, формируемый генератором хаотического сигнала 1, модулируется антенным переключателем 8, который формирует и подает хаотические импульсы на антенну 5 в соответствии с информационным сигналом от источника 3. В режиме приема принятые антенной 5 хаотические импульсы через антенный переключатель 8 поступают в приемник 9.
В данном исполнении полезной модели информационный сигнал подается на антенный переключатель. Для формирования импульса при передаче антенный переключатель подключается к передатчику, при этом сигнал излучается антенной в среду передачи. В паузах между импульсами антенный переключатель подключается к приемнику, при этом сигнал в среду передачи антенной не излучается.
Технический результат упрощения конструкции достигается за счет того, что антенный переключатель 12, помимо коммутации передатчика и приемника с единственной антенной в данном исполнении дополнительно выполняет функцию модулятора, формирующего поток хаотических импульсов.
Рассмотрим подробнее конструкцию приемопередатчика, исполненного по первому варианту. На фиг.4 представлена его развернутая структурная схема, в которой можно выделить аналоговую (радиочастотную) и цифровую части.
К радиочастотной части относятся приемник (блоки 11, 12), генератор (1) с усилителем (7) и антенный переключатель 8. Генератор обеспечивает возбуждение хаотических автоколебаний требуемого диапазона частот, например, 3-5 ГГц или 6-8 ГГц. Модуляция осуществляется с помощью электронного ключа, который подает питание на генератор и обеспечивает на нем необходимое напряжение. Усилитель (7) в данном исполнении имеет фиксированный коэффициент усиления; усилитель предназначен для доведения мощности хаотических колебаний передатчика до значений, требуемых для обеспечения заданной дальности связи.
Антенный переключатель 8 используется для обеспечения возможности совместного использования антенны в трактах приема и передачи. В тот момент, когда осуществляется передача, переключатель находится в положении, при котором обеспечивается коммутация выхода генератора на антенну, причем в канал приемника СВЧ сигнал не попадает. Во время приема антенна соединяется с малошумящим усилителем в тракте приема. Таким образом, антенный переключатель осуществляет развязку между приемным и передающим трактами.
Управление ключом модулятора в режиме передачи выполняется по командам цифровой части приемопередатчика, формируемым в программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) 13. Цифровая часть также может быть выполнена не на ПЛИС, а с использованием специализированной микросхемы, заказной или на основе базового матричного кристалла. ПЛИС формирует импульсы нужной длительности и скважности в соответствии с принятым для канала передачи кодом.
Микроконтроллер (МК) 14 координирует работу всего приемопередатчика. МК в соответствии с загруженной управляющей программой активизирует режимы передачи информации, приема, ожидания; управляет антенным переключателем; хранит информацию, необходимую для работы устройства в сети; реализует интерфейсы связи с внешними устройствами.
Конструктивно передатчик выполнен на печатной плате, на которой располагаются аналоговая часть приемопередатчика, печатная антенна и цифровой блок, обеспечивающий управление аналоговой частью и предоставляющий цифровой интерфейс с внешним источником данных (по протоколу USB FullSpeed со скоростью передачи данных 12 Мбит/с).
Конструкция и принцип действия передатчика разработаны согласно прямохаотической схеме связи, в которой для передачи данных через эфир применяются сверхширокополосные хаотические радиоимпульсы. Конкретный режим работы передатчика определяется программой МК и конфигурацией ПЛИС; загрузка программ для МК и ПЛИС в передатчике осуществляется через специальный технологический разъем, размещенный на его плате.
Передатчик может функционировать в нескольких режимах:
- режим ожидания команд и/или данных от внешнего устройства;
- режим приема информации от внешнего источника данных и передачи информации в эфир;
Передатчик находится в режиме ожидания при отсутствии потока информации от внешнего источника данных. В режиме приема информации от внешнего источника данных передатчик в потоковом режиме преобразует полученную информацию в последовательность хаотических радиоимпульсов и излучает их в окружающее пространство.
В качестве генератора сверхширокополосного хаотического сигнала 1 применяется однотранзисторный генератор с 2,5 степенями свободы (на базе СВЧ транзистора BFP620E7764), обеспечивающий формирование сверхширокополосного сигнала в диапазоне от 3 до 5 ГГц (от 6 до 8 ГГц) с выходной мощностью сигнала на уровне порядка 2 дБмВт.
Цифровой блок обработки выполнен на программируемой логической интегральной схеме 5M240ZT100C5 и микроконтроллере STM32L151RBT6. ПЛИС обеспечивает формирование управляющих и информационных сигналов для аналоговой части передатчика.
Микроконтроллер обеспечивает работу интерфейса USB для связи с внешними устройствами, трансформирование потоков данных, поступающих извне, в информационные пакеты (и обратно), излучаемые в эфир. В программе микроконтроллера реализуются функции канального и сетевого уровней взаимодействия по классификации, принятой ИСО для описания взаимодействия открытых систем. Выбор данного МК для реализации указанных функций целесообразен из-за наличия в МК данного типа аппаратной поддержки FullSpeed USB (12 Мбит/с), достаточно высокой производительности, гарантирующей выполнение за требуемое время всех алгоритмов, необходимых для работы приемопередатчика, и низкого энергопотребления.
Таким образом, техническим результатом данной полезной модели является увеличение энергетической эффективности и упрощение конструкции устройства для передачи информации с использованием сверхширокополосных хаотических сигналов.