Фоновый модулятор: беспроводная связь из ничего (перевод)

3.3 Приёмник фонового модулятора

В разработке приёмника есть две основные сложности. Во-первых, фоновое излучение уже несёт в себе закодированную информацию, осложняя наложение дополнительных данных. Во-вторых, скрытые в интерференции фонового сигнала данные должны быть пригодны к извлечению малопотребляющими устройствами без использования "прожорливых" компонентов, типа АЦП или генераторов. Рассмотрим для начала как с помощью обычного цифрового приёмника можно извлекать данные из неоднородностей внешнего излучения. После этого будет описан приёмник со сверхмалым потреблением, построенный только на аналоговых компонентах.

3.3.1 Извлечение данных из неоднородностей фонового сигнала

Внешние сигналы, подобные сотовым и телевизионным, неконтролируемы и уже несут в себе закодированные данные. В качестве примера на рис. 4a приведена временная диаграмма амплитуды телесигнала частотой 539 MHz снятого USRP. Для сравнения на рис. 4b изображён сигнал обычного RFID считывателя, работающего на частоте 915 MHz. В то время как обычная RFID передача является сигналом с постоянной амплитудой, мощность телесигнала сильно меняется со временем. В этом нет ничего необычного, так как в стандарте ATSC для кодирования используется 8VSB модуляция, при которой варьируется мгновенная мощность сигнала. Таким образом, приёмник должен быть способен декодировать данные, наложенные на быстро меняющийся сигнал.

Рисунок 4. Сравнение сигнала на антенне отражающего передатчика в случае фонового модулятора (a) и в традиционнои RFID схеме (b).

Ниже будет описан принцип работы на примере цифрового приёмника, который проводит демодуляцию и декодирование принятого сигнала в цифровой форме. В следующей секции данный подход будет расширен для чисто аналоговой схемы.

Ключевым параметром приёма наложенных данных является тот факт, что он идёт на значительно меньшей скорости, чем скорость изменения самого фонового сигнала. Таким образом, можно создать приёмник, который будет проводить селекцию, опираясь на разность частот. А именно, фоновый телесигнал передаёт информацию закодированную в полосе 6 MHz и если будет обеспечена болеее низкая частота переотражённого сигнала, то приёмник сможет выделить данные за счёт усреднения отсчётов. Понятно, что широкополосный телесигнал меняется с высокой частотой и при переодических измерениях несовпадение двух его соседних значений будет более вероятно, чем несовпадение уровней медленно меняющегося переотражённого сигнала. Таким образом, усреднение принимаемого сигнала по нескольким значениям эффективно отфильтровывает высокочастотные изменения, позволяя декодировать переотражение.

Для полноты изложения опишем математическое обоснование данного процесса. Пусть имеется цифровой приёмник, который принимает отсчёты с частотой Найквиста для телевизионного сигнала. Эти отсчёты "y[n]" могут быть представлены в виде комбинации широкополосного телевизионного и переотражённого сигнала, то есть:

где "x[n]" - уровень телесигнала на входе приёмника, "w[n]" - шум, "α" - коэффициент затухания телесигнала, вносимый переотражением, "B[n]" - биты, передаваемые переотражающим передатчиком. В связи с тем, что приём идёт с частотой Найквиста, соседние значения "x[n]" не коррелированы между собой. Теперь, если модулятор выдаёт данные с меньшей частотой, сажем "1/N", то все "B[n+j]" будут одинаковы для всех "j" от 1 до N.

Если приёмник усредняет мгновенную мощность N приняных значений, соответствующих одному переотражённому биту, то в результате получается:

где "B" равно "0" или "1". Так как телесигнал "x[n]" не коррелирует с шумом "w[n]", соотношение можно переписать следующим образом:

Пусть "P" - средняя мощность принимаемого телесигнала, т.е.

Если не учитывать шум, то средняя принимаемая мощность равна (|1 + α|²)*P для отражающего и P для поглощающего состояния. Приёмник может различить указанные уровни и декодировать данные от переотражающего передатчика. Таким образом, устройство может принимать данные даже в присутствие быстро меняющегося телесигнала.

Применим этот подход при рассмотрении сигнала стандарта ATSC [2]. А именно, настроим частоту передачи на 1 kbps. На рисунке 5(a) изображён сигнал на расстоянии 1ft (0.3м) от передатчика, принимаемый с помащью универсального программируемого радиоприёмника (USRP). На рисунке 5(b) он же, но усреднённый по 100 отсчётам. Как можно видеть, усреднение уменьшает воздействие быстрых изменений телесигнала на результат. Более того, теперь становятся видны два уровня мощности, в которых закодированы передаваемые данные.

Рисунок 5. Сравнение модулированного сигнала, принятого с усреднением (b) и без него (a).

Отметим, что фоновый переотражатель может как увеличивать, так и уменьшать средний уровень принимаемого сигнала. Дело в том, что коэффициент затухания канала "α" - величина комплексная, в связи с чем выражение |1 + α| может иметь любой знак. Это означает, что нулевому биту может соответствовать мощность как большая, так и меньшая средней мощности принимаемого сигнала. Интуитивно понятно, что создаваемая модулятором многолучевая передача может создавать и синфазную, и противофазную интерференцию с фоновым сигналом. Чтобы исключить необходимость учёта возникающих различий в проекте используется дифференциальное кодирование данных (см. §4.1).

3.3.2 Декодирование сигнала в режиме сверхмалого энергопотребления

Описанный выше принцип декодирования подразумевает возможность получения приёмником цифровых отсчётов уровня сигнала с использованием операций усреднения и сравнения. Но цифровые значения подразумевают наличие АЦП, потребляющего заметную мощность и в большинстве случаев не совместимого со схемотехникой сверхмалого потребления [37], поэтому все необходимые операции будут реализовываться аналоговыми схемами.

На рисунке 6 видно, что приёмник имеет два каскада: прямого амплитудного детектирования со входным фильтром, сглаживающим входной телесигнал, и схемы формирования разницы между прямым и усреднённым сигналами. Компаратор проводит сравнение и выдаёт итоговые данные.

Амплитудный детектор: Эта часть схемы включает детектор несущей и RC фильтр для сглаживания формы входного телесигнала. Как видно из рисунка 6, фильтр состоит из двух элементов: диода и конденсатора C1 и, кроме того, нагружен делителем из резисторов R1 и R2. В первом приближении диод работает как однонаправленный клапан, позволяя току течь только в одном направлении. Конденсатор является накопителем, а резисторы регулируют ток. Конденсатор заряжается через диод каждый раз, когда амплитуда входного сигнала превышает напряжения на конденсаторе. Когда амплитуда сигнала меньше напряжения на конденсаторе, зарядный ток через диод не идёт, и накопленная конденсатором энергия постепенно рассеивается делителем, понижая напряжение на конденсаторе. Скорость падения напряжения приблизительно определяется выражением C1(R1+R2). Таким образом, выбирая номиналы резисторов и конденсатора в соответствии с динамическим сопротивлением диода можно получить фильтр низких частот, убирающий быстрые изменения входного телесигнала, но пропускающий наложенную информацию, которая меняется медленно.

Каскад, выделяющий средний уровень сигнала: На выходе усредняющей схемы формируются два уровня, соответствующие нулю и единице. В общем случае их можно распознавать в приёмнике с помощью АЦП. Скажем, имеются два разных напряжения V0 и V1, причём V1 > V0, соответствующие уровням мощности нуля и единицы. Для того, чтобы их различить необходимо сначала вычислить пороговый уровень, равный среднему значению двух напряжений (V0+V1)/2. Когда принимаемый сигнал больше порога, считается, что на входе V1, в противном случае на входе V0.

Из-за того, что для снижения энергопотребления решено полностью отказаться от АЦП, приёмник выполняет эти операции в аналоговой форме. На рисунке 6 показаны используемые для операции сравнения компоненты. Схема состоит из RC-цепи и компаратора. RC-цепь использует те же резисторы R1 и R2 и дополнительный конденсатор C2 для сглаживания порогового напряжения (V0+V1)/2. Оба напряжения подаются на вход компаратора, который выдаёт "0" или "1", сообщая какое из значений больше. На прямой вход подаётся отфильтрованное входное, а на инвертирующий - пороговое напряжение.

Рисунок 6. Демодулятор. Используются два каскада: детектор и фильтр. Выделенный и сглаженный сигнал сравнивается со средним значением (отфильтрованным с большой постоянной времени).

Отметим, что выбранная скорость передачи задаёт номиналы компонентов RC-цепи (т.е. приёмник, работающий на 10 kbps требует иных значений, нежели работающий на 1 kbps [* Основное неудобство аналоговых схем в сравнении с цифровыми решениями, где параметры подстраиваются программно]). Это происходит, потому что каждый бит занимает больший временной интервал и, соответственно, требует большего усреднения для корректного сравнения с пороговым уровнем. Параметры, использованные в данной реализации приведены в §5.

Наконец, хотя в теории при достаточном усреднении возможно сравнение любых двух уровней мощности, каждый компаратор имеет конструктивное ограничение, не позволяющее различить напряжения, разница между которыми меньше определённого значения. Данный параметр определяет максимальную дальность, на которой два устройства могут общаться между собой.