Сверхширокополосный передатчик хаотических радиоимпульсов с ASK модуляцией

Основное свойство хаотических сигналов – это высокая воспроизводимость при сильной стохастизации этих колебаний. Это значит, что несмотря на схожие со случайными процессами характеристики, хаос в то же время в целом предсказуем. Это открывает широкие возможности для применения хаотических колебаний в теории и практике передачи информации. Сохраняя все положительные качества широкополосных систем передачи информации – возможность работы при низких отношения С/Ш, высокую помехозащищенность, устойчивость к явлению многолучевости, – широкополосные системы с хаос-сигналами практически гарантируют невозможность “подслушивания” в силу своей непериодичности [1].

До настоящего времени предложены модификации систем связи на хаотических несущих, однако подобные предложения в различных научных статьях не выходят за рамки теоретических изысканий. Между тем кардинальное развитие теории работы подобных систем возможно только после экспериментов с реальными (пусть даже простейшими) макетами.
Важной задачей при построении передатчика хаотического сигнала является разработка широкополосного генератора хаоса с заданными спектральными характеристиками и возможностью перестройки генерируемой полосы частот в СВЧ диапазоне. Одним из первых опытов стала реализация передатчика на основе генератора с 2,5 степенями свободы с биполярным транзистором в качестве активного нелинейного элемента. Схема приведена на рисунке 1. За основу взят трехточечный генератор, видоизмененный путем последовательного включения в цепь обратной связи дополнительного RLC звена, являющегося фильтром низких частот второго порядка. Этот дополнительный элемент дает возможность формирования АЧХ более сложной формы, по сравнению с обычной трехточечной схемой генератора.
Принцип модуляции был выбран, основываясь на патенте Л. Фуллертона «Полнодуплексная система и метод связи», который описывает сущность технологии UWB на основе связной системы импульсного радио, где передача ведется короткими наносекундными импульсами [2]. В передатчике хаотического сигнала используется амплитудная манипуляция с переключением On-Off Keying (OOK), являющаяся частным случаем ASK модуляции. Данный тип модуляции позволит в дальнейшем значительно уменьшить энергозатраты на передачу полезного сигнала, т.к. для передачи «0» не требуется отправка сигнала.

Питание передатчика осуществляется от двух источников: один задает напряжение коллектор-база V_c транзистора, а другой – эмиттер-база V_e. Значения этих напряжений определяют режим работы генератора.
Схема, приведенная на рисунке 1 содержит на выходе блокировочную емкость С4 = 100 пФ. Блокировочная ёмкость введена для того, чтобы избавиться от постоянной составляющей в спектре выходного сигнала.

Схема передатчика хаотических сигналов
Рисунок 1 – Схема передатчика хаотических сигналов

В макете передатчика использовался свч транзистор BFU660F. На плате присутствует микросхема модулятора ADG918 от Analog Devices. Микросхема выполняет роль ключа-модулятора. Данное устройство выполняет две функции. Первая – формирование последовательности хаотических радиоимпульсов на выходе передатчика в соответствии с передаваемой цифровой информацией, роль источника которой в нашем эксперименте будет играть генератор низкочастотных импульсов. Вторая функция заключается в том, что подавая определенный логический уровень на вход CTRL микросхемы можно коммутировать ВЧ входы микросхемы соединенные на общую антенну, это очень полезное свойство понадобится в дальнейшем, когда потребуется реализовать интегрированный на одной плате приемопередатчик.
Четырехполюсник в цепи обратной связи генератора состоит из набора пассивных элементов с номиналами: L1=L2=10 нГн, C1=C2=C3=15 пФ, R3=200 Ом, R1=R2=22 Ом. Катушки L1, L2 бескаркасные 2,5 витка провода 0,5 мм на оправке 2 мм.
Плата передатчика была разработана в среде P-CAD, опытный образец был произведен на фрезерном станке. Опытный образец показан на рисунке 2.

Макет передатчика хаотических сигналов
Рисунок 2 – Общий вид платы макета передатчика с завершенным монтажом

Антенна выполнена по микрополосковой технологии, в виде спирали, что обеспечивает ей требуемую широкополосность.
Оборудование, используемое в эксперименте состояло из двух канального осциллографа Agilent MSO6032A с полосой пропускания 300 МГц, в качестве импульсно-задающего устройства использовался генератор сигналов низкочастотный Г3-112, а также лабораторной блок питания.
Схема проведения опыта показана на рисунке 3.

Схема проведения опыта
Рисунок 3 – Схема проведения опыта

Как видно из рисунка 3 контроль сигналов производился в трех точках: с выхода передатчика, с выхода приемника и с выхода НЧ генератора. НЧ генератор также используется для синхронного сравнения этих сигналов.
Здесь генератор низкочастотного сигнала выполняет функцию модулирующего цифрового сигнала, амплитудный диапазон которого может меняться от CMOS до TTL логики, соответственно от 3.3 В до 5.5 В.
Приведенные ниже осциллограммы наглядно иллюстрируют принцип работы хаотического передатчика. Здесь и дальше амплитуда НЧ импульсов равна 4 В. Верхняя осциллограмма на рисунке 4 показывает временную развертку сигнала НЧ генератора. Нижняя осциллограмма – сигнал с выхода передатчика, уходящий в эфир.

Рисунок 4 – Осциллограмма с выхода передатчика при частоте следования НЧ импульсов 3 МГц и V_e=2,6 В.

В ходе экспериментов было установлено, что при фиксированном напряжении коллектор-база V_c=6 В режим работы генератора зависит от напряжения эмиттер-база V_e следующим образом: в диапазоне 0 В < V_e < 0.7 В генерация колебаний отсутствует; при V_e = 0.8-0.9 В возбуждаются гармонические колебания; в диапазоне 2.4 В < V_e < 2.6 происходит ряд бифуркаций с переходом к хаосу; при V_e > 2.6 В реализуется устойчивый режим хаотических колебаний (рисунок 5).

Рисунок 5 – График выходной мощности в зависимости от эмиттерного напряжения Ve.

Существенную роль в работе передатчика играет нелинейность транзистора в генераторе, которую не может учесть упрощенная математическая модель транзистора, описываемая системой из трех дифференциальных уравнений [3] и используемая на низких частотах. Необходим переход к модели, учитывающей влияние нелинейных эффектов на высоких частотах. Переход сводится к использованию специальных симулирующих пакетов типа ADS (Advanced Design System), в которых уже сами активные элементы представляются в виде достаточно сложных моделей. Для описания BFU660F была использована модель Гуммель-Пуна [4,5]. Параметры этой модели учитывают нелинейные эффекты на больших частотах, паразитные емкости, зависимость от температуры, шумы и т.п. и именно она применяется для описания динамических режимов высокочастотных транзисторов. С математической точки зрения при этом производится переход от математической модели, описываемой тремя обыкновенными дифференциальными уравнениями первого порядка к математическим моделям, описываемыми десятками дифференциальных уравнений [6].

Рисунок 6 – Спектрограммы, полученные при моделировании (слева – при V_e=1.6 В, справа – при V_e=2.8 В)

Анализируя полученные результаты эксперимента и моделирования можно сделать вывод, что они практически идентичны, что доказывает адекватность выбранной математической модели; верхняя граница полосы хаотического сигнала равна частоте первой гармоники при автоколебательном режиме генератора передатчика, как следствие, изменяя параметры частотно-избирательной цепи генератора можно регулировать ширину полосы выходного сигнала.

Список литературы

1. Шустер Г. Детерминированный хаос: введение. Изд. “МИР”. 1988
2. Патент 5687169 США. Full Duplex Ultra-Wide Band Communication System and Method/Larry. Fullerton. 27.04.95.
3. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В. Генерация потока хаотических импульсов в динамической системе с внешним (периодическим) воздействием. ИРЭ РАН. 2007
4. Лактюшкин А.М. Беспроводные сверхширокополосные прямохаотические системы связи для персональных и сенсорных сетей. ИРЭ РАН. М. 2007
5. Атанов Н.В., Дмитриев А.С., Ефремова Е.В. Неавтономный генератор хаотических радиоимпульсов. Изд. ИРЭ РАН. 2009
6. Agilent Technologies Inc. Agilent ADS Tutorial. 2009

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *