Рис. 7. Общая схема программируемого радио
В классическом представлении (рис. 7) система ПКР собой центральный процессор (ЦП), оснащенный приемным и передающим блоками. Роль ЦП заключается в выводе/вводе данных в систему, а также получении управляющих команд и их последующей трансляции соответствующим компонентам.
В [17] указывается, что передающий блок имеет коммуникационный процессор (КП), основной задачей которого является упаковка битов передаваемых данных в символы модуляции и генерация на их основе модулирующего сигнала определенной системы связи, который поступает на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и далее на аналоговый радиоинтерфейс.
Приемный блок содержит аппаратную аналоговую часть, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), КП, осуществляющий демодуляцию сигнала и преобразование демодулированных символов системы связи в биты данных.
Программно-определяемые радиосистемы могут быть реализованы как на вычислительных средствах общего назначения, так и на ПЛИС, осуществляющих обработку сигнала в реальном времени. При этом за пределы ПЛИС выносятся радиоинтерфейсы, а также АЦП и ЦАП. Применение ПЛИС не приводит к снижению гибкости системы, поскольку ПЛИС могут быть в любой момент полностью или частично перепрограммированы.
Использование в технологии ПКР цифровых методов формирования и обработки сигналов, как базового принципа, позволяет эффективно использовать для достижения цели работы.
Моделирование программно-определяемой хаотической приемо-передающей системы в пакете LabView.
Первым этапом является создание модели исходной приемо-передающей системы. Целью моделирования является отработка алгоритмов работы системы для последующего физического эксперимента.
Модель была создана в программном пакете LabView. Это сделано из расчета, что в дальнейшем при проведении эксперимента с помощью приемо-передающего устройства, большая часть обработки данных, например считывание реализации хаотического сигнала из памяти передатчика и приемника, будет производиться с помощью этого программного обеспечения.
Блок-схема модели представлена на рис. 8.
Рис. 8. Принципиальная блок-схема модели
На схеме изображено кодирование входной двоичной последовательности с использованием фрагмента хаотического сигнала, взятого из памяти. Полученный сигнал передавался в декодер. После происходило декодирование при помощи такого же фрагмента хаотического сигнала. Результатом являлась выходная двоичная последовательность.
Рассмотрим подробнее кодер и декодер. Заранее рассчитанный фрагмент хаотического сигнала записывался в память передатчика и приемника.
Рис. 9. Схема формирования кодированного сигнала
При кодировании данных, на вход кодера, изображенного на рис. 9, подавалась двоичная последовательность, состоящая из нулей и единиц. Данная последовательность преобразовывалась в двухуровневый сигнал с уровнями «-1» и «1», где уровень «-1» соответствовал символу «0», а уровень «1» - символу «-1». Длительность одного бита полученного сигнала равнялась длительности фрагмента хаотического сигнала ц(t), извлеченного из памяти. Далее двухуровневый и хаотический сигналы перемножались с учетом синхронизации, в результате чего на выходе кодера получался модулированный хаотический сигнал s(t).
Сформированный таким образом сигнал s(t) передавался на декодер приемника по идеальному каналу. В модели считалось, что кодер (передающая сторона) и декодер (приемная сторона) синхронизированы во времени между собой.
Рис. 10. Схема декодирования принятого сигнала
При декодировании (рис. 10) принятый сигнал s(t) делился на отрезки длительности, равные длительности эталонного фрагмента хаотического сигнала. Эти отрезки хаотического сигнала обрабатывались с использованием записанного в память приемника фрагментом хаотического сигнала следующим образом: отрезки принятого сигнала перемножалась с фрагментом хаотического сигнала, извлекаемого из памяти приемника, затем полученное произведение интегрировалось по всей длине фрагмента опорного хаотического сигнала. Результат интегрирования сравнивался с нулем. Если он был больше нуля, то делался вывод, что принята единица, если меньше - то нуль. В соответствии с полученными в результате обработки значениями двоичных символов на выходе декодера формировалась двоичная информационная последовательность, состоящая из нулей и единиц.
Использование программного пакета LabView при моделировании позволило эмулировать все описанные аналоговые процессы в цифровом виде. Фактически описанная выше схема в цифровом виде является цифровой частью построенной системы связи, описанной в следующей главе. Построенная модель послужила основой для разработки цифровой части приемника и передатчика рассматриваемой в работе системы когерентного приема и передачи информации на основе хаотических импульсов.
Схема моделирования в среде LabView представлена на рис. 11. Результаты моделирования представлены на рис. 12.
Рис. 11 Схема модели в среде LabView.
Рис. 12. Результаты моделирования
На рис. 12а изображен сформированный в соответствии с входной двоичной информационной последовательностью хаотический сигнал. На рис. 12б,в изображены соответственно построенные на основе входной и выходной двоичных информационных последовательностей двухуровневые сигналы. Как видно из рис. 12б,в в результате работы смоделированной системы связи двухуровневые сигналы на передатчике и приемнике, содержащие соответственно входную и выходную двоичные информационные последовательности, совпали.
В процессе проведенного моделирования на основе двоичной информационной последовательности сформирован, передан и корректно обработан сигнал, состоящий из фрагментов хаотических сигналов, предварительно сгенерированных и записанных в память передатчика и приемника. Это позволило перейти к постановке и проведению физических экспериментов.
Эксперимент.
По результатам моделирования программно-определяемой приемо-передающей хаотической системы связи, обеспечивающей когерентный прием, был поставлен физический эксперимент. Эксперимент проводился в режиме «точка-точка». Приемник и передатчик располагались на расстоянии порядка 1 м друг от друга. В качестве передающего и приемного устройств были созданы идентичные макеты системы ПКР. Макеты приемо-передающей системы были собраны на основе модульного оборудования PXI [16] от компании NationalInstruments. Системы PXI представляют собой шасси, состоящие из объединенных в общую панель и соединенных шиной передачи данных PXI-слотов, предназначенных для системного контроллера и периферийных модулей. Все используемые модули располагались в PXI-слотах шасси модели NI PXI 1055, с которое обеспечивало связь между модулями макета ПКР.
Рис. 13. Макет системы ПКР, собранный из модулей компании National Instruments, использовавшийся в эксперименте в качестве приемника/передатчика
Формирование модулированного цифрового хаотического сигнала осуществлялось в baseband диапазоне с помощью встраиваемого системного контроллера NI 8133 с операционной системой Windows 7. Управление контроллером осуществлялось через среду программирования LabView.
Заранее рассчитанный эталонный фрагмент реализации хаотического сигнала записывался в память приемника и передатчика. На вход передатчика поступала двоичная информационная последовательность в цифровом виде, состоящая из символов «1» и «0». Последовательность поступала на вход цифрового блока NRZ кодера, где символ «0» заменялся на «-1», в результате чего получался двоичный цифровой сигнал с постоянными уровнями амплитуды +1 и -1.
Длительность одного бита двухуровневого цифрового сигнала Tб равнялась длительности эталонного фрагмента хаотического сигнала. С учетом временной синхронизации начала каждого бита с началом фрагмента хаотического сигнала, полученный двухуровневый сигнал перемножался с извлекаемым эталонным фрагментом хаоса. Между фрагментами выставлялся защитный интервал, длительностью равной длительности самого фрагмента (скважность 2). В результате перемножения формировался модулированный хаотический сигнал s(t).
Сформированный таким образом сигнал, поступал на адаптерный модуль NI FlexRIO, осуществляющий цифровую обработку сигналов с помощью ПЛИС. Этот модуль обеспечивал связь между цифровой и аналоговой частями системы, а также настройку параметров компонент аппаратной части. Программирование цифровой части, а также управление параметрами аналоговых компонент, настраиваемых при помощи ПЛИС, передатчика осуществлялось в среде программирования LabView.
Затем сигнал поступал на приемопередающий модуль для беспроводной связи NI 5791 с частотным диапазоном от 0,2 до 4,4 ГГц, где осуществлялось цифро-аналоговое преобразование. Полученный аналоговый сигнал, содержащий промодулированную хаосом информационную последовательность, фильтровался, усиливался и переносился вверх на частоту 2,47 ГГц. Далее сигнал излучался в эфир. Схема передатчика изображена на рис. 14а. Схема передатчика, отображенная в среде LabView, показана на рис. 14б.
Рис. 14. а. Передатчик когерентной схемы с одной базовой функцией в виде хаотического импульса, б. Схема элементов передатчика, отображенная в среде LabView
Рис. На приемнике сигнал принимался антенной приемопередающего модуля NI 5791. На этом модуле сигнал усиливался, фильтровался и переносился вниз по частоте обратно в basebandдиапазон, а затем оцифровывался с помощью АЦП. Далее через ПЛИС адаптерного модуля FlexRIO данный цифровой сигнал поступал на контроллер NI 8133, где производилась его окончательная обработка. Для обеспечения когерентного приема использовалась преамбула в виде стробирующего импульса, передаваемого перед началом посылки данных. Таким образом, производилась синхронизация по времени начала принимаемого цифрового сигнала, содержащего информационные данные с эталонным фрагментом хаотического сигнала, хранящегося в памяти контроллера приемника. Этот сигнал разбивался на отрезки длительности Tб, равные длительности эталонного фрагмента. С учетом скважности каждый полученный отрезок цифрового сигнала, содержащий информационный бит, поэлементно перемножался с эталонным фрагментом хаоса, а затем производилось интегрирование на всем временном интервале отрезка Tб. Решение, о значении принятого информационного символа - «1» или «0» выносилось на основе знака результата перемножения и интегрирования cor:cor > 0 соответствовал символу «1»; cor < 0 соответствовал символу «0». Из полученных символов составлялась выходная двоичная информационная последовательность. Схема приемника изображена на рис. 15а. Схема приемника, отображенная в среде LabView, показана на рис. 15б.
Рис. 15. а. Приемник когерентной схемы с одной базовой функцией в виде хаотического импульса, б. Схема элементов приемника, отображенная в среде LabView
В эксперименте передавалась двоичная цифровая информационная последовательность. В результате работы построенной системы входная двоичная последовательность совпала со входной. На рис. 15 изображен передаваемый сигнал в baseband диапазоне (рис. 16а) перед преобразованием в аналоговый вид и построенный на основе входной двоичной последовательности двухуровневый сигнал (рис. 16б). На рис. 17 изображен передаваемый в baseband диапазоне сигнал (рис. 17а) перед преобразованием в аналоговый вид и построенный на основе выходной двоичной последовательности двухуровневый сигнал (рис. 17б).
Рис. 16. а) Фрагмент сигнала, полученный после перемножения двоичного цифрового сигнала с постоянными уровнями амплитуды с эталонным фрагментом хаотического сигнала; б) двухуровневый информационный сигнал в передатчике
когерентный хаотический фазовый модуляция
Рис. 17. а) Фрагмент сигнала на выходе АЦП приемника; б) двухуровневый информационный сигнал на приемнике
В работе предложен метод когерентного приема и передачи информации с помощью хаотических импульсов. Когерентность обеспечивается за счет использования фрагментов хаотических сигналов фиксированной длительности цифровом виде, получаемых с помощью моделирования в среде Matlab и хранимых в памяти приемного и передающего устройств.
Была построена модель системы связи «точка-точка» в среде LabView с идеальным каналом связи, осуществляющая антиподальную моудялцию фрагмента хаотических колебаний двоичным информационным сигналом в baseband диапазоне, а также когерентный прием этого сигнала, где в качестве опорного сигнала приемника использовался такой же фрагмент хаотического сигнала. В результате моделирования входная двоичная информационная последовательность совпала с выходной.
Построенная модель послужила основой для построения когерентной системы передачи двоичной информации с помощью хаотических импульсов. Код модели в среде LabViewиспользовался при построении блоков цифровой части приемника и передатчика. В качестве приемного и передающего устройств использовались макеты ПКР, собранные из модулей PXI компании National Instruments. Управление собранных макетов ПКР осуществлялось через интерфейс среды LabView.
Были проведены эксперименты, которые подтвердили возможность передачи информации через эфир предложенным способом с хорошим качеством.