Фоновый модулятор: беспроводная связь из ничего (перевод)

2   Основы цифровой телетрансляции

Фоновая модуляция - универсальная техника, позволяющая повысить уровень использования радиосигналов, включая излучение телевизионных станций и сетей сотовой связи. Данная работа делает упор на использовании сигнала телепередатчиков.

Телестанции передают до 1 МВт эффективной излучаемой мощности (effective radiated power - ERP) и могут обслуживать потребителей, находящихся на расстоянии до 100mi (160км) в условиях ровной местности и до 45mi (70км) в условиях пересечённой [1]. Они имеют отличное покрытие территории, особенно зон городской застройки: четыре крупнейших телеканала США покрывают 97% жилых строений, а средняя семья принимает до 17 телестанций [4]. Такая распространённость телевизионных сигналов делает их привлекательными для использования в прототипе фонового модулятора.

На данный момент в мире используется три основных стандарта телевизионного вещания: ATSC (Северная Америка и Ю. Корея), DVB-T (Европа, Австралия, Н. Зеландия и др.) и ISDB-T (Япония и большая часть Ю. Америки) [5]. Описываемая конструкция ориентирована на стандарт ATSC, но предлагаемый способ связи использует следующие свойства телесигнала, общие для всех стандартов:

Во-первых, телестанции передают сигнал круглосуточно и, таким образом, являются надёжным источником энергии и несущей для фонового переотражателя. Во-вторых, телесигнал быстро меняется и модулирован по амплитуде. Например, в стандарте ATSC символы передаются по каналу шириной 6 MHz, и используется восьмиуровневая модуляция с подавлением боковой полосы (8VSB) для передачи одного из восьми значений амплитуды на символ.

Наконец, в телевизионный сигнал переодически вставляется синхронизирующий символ, который используется приёмником для вычисления параметров многолучевого распространения сигнала [9]. В ATSC символы в формате 8VSB сначала собираются в сегменты данных по 832 символа, а затем в группы по 313 сегментов. Перед каждым сегментом данных передатчик вставляет четырёхсимвольную синхропоследовательность, предназначенную для калибровки уровня 8VSB в приёмнике. Перед каждой группой передаётся синхронизирующий сегмент данных, по которому приёмник вычисляет параметры канала. Фоновая модуляция создаёт дополнительные пути распространения сигнала, но способность телеприёмника учитывать искажения при многолучевом распространении, позволяет ему подавить вносимую интерференцию, так как частота синхросегмента значительно выше, чем частота искажений. Следует заметить, что другой распространённый стандарт DVB-T использует OFDM-модуляцию, которая содержит синхронизирующие вставки и защитные интервалы, и поэтому страдает от многолучевой интерференции ещё меньше, чем ATSC [2].

Соответствие требованиям регулятора: В общем случа передача случайного сигнала в полосе телевизионных (или сотовых) каналов незаконна. Тем не менее, безбатарейные переотражающие устройства (такие как RFID метки) законодательно не регулируются и не проверяются комиссией по радиосвязи, потому что уровень излучения от таких источников очень низок [7] и, кроме того, они лишь меняют степень собственного отражения внешнего сигнала, а не излучают энергию в интересующей полосе. Фоновый модулятор также попадает в данную категорию и, таким образом, не нарушает существующее законодательство.

В следующих частях статьи будет показано как малопотребляющие устройства могут общаться меняя степень отражения приходящих извне сигналов.

3   Конструкция фонового модулятора

Фоновая модуляция - новый вид связи, используя который, устройства могут общаться без использования дополнительной радиопередающей инфраструктуры (например, специализированного считывателя RFID). Устройства фоновой модуляции для связи друг с другом преломляют (искажают) существующее радио излучение, например, сотовые или телевизионные сигналы. Сам факт существования подобных сигналов делает затраты на установление связи несущественными.

Но разработка таких устройств сложна по трём причинам. Во-первых, существующее радиоизлучение носит случайный и неконтролируемый характер. Таким образом, необходим механизм извлечения данных из изначально случайных переотражённых сигналов. Во-вторых, приёмние безбатарейного устройства должен выполнять детектирование в условиях жёсткого ограничения потребляемой мощности. В-третьих, отсутствие центрального узла, координирующего связь, требует обеспечения поддержки множественного доступа, подобного контролю несущей. В этой секции описываются особенности конструкции, решающие перечисленные задачи.

3.1 Общий обзор

На рисунке 3 представлена блок-схема предлагаемой конструкции. Устройство состоит из передатчика, приёмника и накопителя энергии, причём все эти части используют для своей работы один и тот же внешний сигнал и поэтому подключены к общей антенне. Приёмник и передатчик используют для общения модулированное переотражение фонового радиоизлучения, а накопитель получает из того же фонового сигнала энергию для работы устройства. Все блоки работают независимо друг от друга, но, когда работает передатчик, приёмник и накопитель принимать сигнал не могут. Собранная энергия расходуется на поддержание связи и питание датчиков и цифровой логики (микроконтроллера). В данном проекте был воспроизведён и использовался как самостоятельный компонент накопитель энергии из [32]. Его единственное отличие от [32] заключается в использовании дипольной антенны. Ниже детализируется конструкция приёмника и передатчика.

Рисунок 3. Блок-схема фонового модулятора. Приёмник, передатчик и накопитель энергии подключены к одной антенне и используют один и тот же внешний сигнал. Приёмник и передатчик общаются преломляя его, я накопитель использует энергию фонового излучения для питания схемы.

3.2 Передатчик фонового модулятора

Конструкция предлагаемого передатчика основывается на обычной технике переотражения фонового сигнала. Переотражение возникает при изменении импеданса антенны в электромагнитном поле. Интуитивно понятно, что на границе двух сред, имеющих разный импеданс (плотность), происходит отражение волны [18]. Степень отражения определяется разницей импедансов (плотностей). Это правило выполняется как для мханических волн, движущихся по шнуру, который закреплён одним концом, так и для электромагнитных волн, которые встречают антенну. Меняя импеданс антенны, можно регулировать степень отражения внешней электромагнитной волны, и передавать информацию.

Для достижения этой цели в передатчике фонового модулятора стоит переключатель, который управляет импедансом антенны и вызывает изменение доли отражаемой энергии. Переключатель состоит из транзистора, замыкающего две ветви дипольной антенны. Входным сигналом для ключа является передаваемая кодовая последовательность нулей и единиц. Когда на входе нуль, транзистор выключён, антенна согласована и поглощает (принимает) сигнал, отражая очень малую его часть. Когда на входе ключа единица, транзистор находится в проводящем состоянии и закорачивает ветви диполя, что приводит к увеличению степени отражения. Таким образом антенна переключается между двумя состояниями - отражающим и поглощающим, отсылая биты приёмнику.

У данной конструкции есть несколько свойств. Во-первых, эффективность связи выше, когда топология антенны опримизирована для частоты внешнего сигнала. В прототипе используется 2x5.08in (258мм) диполь, настроенный на 50 MHz полосу из диапазона UHF TV (в данном случае 515-565 MHz). Другие варианты, такие как антенны в форме меандра [29] и антенна с симметричными вибраторами (folded dipole) [27], могут иметь меньшие размеры и дополнительные возможности по расширению границ рабочего диапазона. Но исследование конструкций антенн выходит за рамки данной статьи.

Во-вторых, радиочастотные переключатели могут иметь большую разницу между проводящим и непроводящим состоянием, но только в определённом диапазоне частот, для которого они разрабатывались. Например, переключатель, предназначенный для работы в диапазоне 915 MHz, будет плохо работать с более низкочастотным телевизионным сигналом. Таким образом для передатчика следует выбирать оптимальные для имеющегося фона компоненты.

Наконец, антенны и переключатели разрабатывались для приёма сигналов с полосой большей, чем у стандартного телевизионного канала. В ATSC каждый канал занимает полосу шириной 6 MHz, а соседние каналы располагаются в смежных непересекающихся диапазонах частот. Все они подходят для работы фонового модулятора, нет нужды в точной насторойке на конкретную частоту, и связь возможна пока есть хоть один сигнал в интересующем диапазоне.