CC BY
6УДК 621.391.64
Расширение спектра ИК-сигналов на базе матрицы микрозеркал для атмосферных оптических линий связи
А.В.Поташникова, А.И. Чекасин, Е.В.Стрельцов, Н.В.Степанов
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Описаны кодовые последовательности для реализации метода расширения спектра ИК-сигналов и вариант их использования для атмосферного оптического канала связи. Приведены результаты анализа возможности реализации многоканального доступа на базе микрооптоэлектромеханиче-ской системы. Выявлены достоинства и недостатки предлагаемого метода. Предложен способ решения указанных недостатков на базе матрицы микрозеркал.
Ключевые слова: система передачи данных, расширение спектра, квадратично-согласованные коды, ИК-излучение.
Для повышения эффективности передачи информации через канал связи широко используются методы расширения спектра. Одним из способов является расширение спектра методом прямой последовательности (МПП), используемый в таких системах, как CDMA (Code-Division Multiple-Access - многоканальный доступ с разделением по кодировке сигнала). Эта система позволяет улучшить качественные характеристики оптических линий связи (ОЛС), а также реализовать многоканальный доступ с помощью кодовых последовательностей. В литературе рассматривается несколько вариантов возможного кодирования сигналов для обеспечения совместного доступа нескольких пользователей к одному каналу [1].
Существуют простые коды, расширенные простые коды, модифицированные простые коды, квадратично согласованные коды и т.д., отличающиеся основными показателями качества передачи сигнала.
Конструкция и свойства кодов в системах CDMA. Оптический ортогональный код (ООК) из нулей и единиц, длины n и веса w (число, равное количеству единиц в коде) C(n, w, Ха, Хс) удовлетворяет следующим условиям [2]:
- свойство автокорреляции:
n—1
X XtXt+т^ а
t=0
для любого x е C и любого натурального т,0 < т < n;
- свойство кросскорреляции:
n—1
X xtyt+т^к
t=0
для любого x Ф y е C и любого натурального т.
© А.В.Поташникова, А.И.Чекасин, Е.В.Стрельцов, Н.В.Степанов, 2011
Здесь автокорреляция равна при т = 0 пока каждая последовательность х имеет вес w; Ха и Хс - константы авто- и кросскорреляции; (0,1) - последовательности нулей и
единиц ООК, которые называются кодовыми словами; размер ООК |С| есть количество кодовых слов.
Введем понятие максимальных размеров величин п, w, Ха и Хс и обозначим их как Ф(п, w, Ха, Хс). Верхняя граница размера последовательности ООК при заданной длине кода и условии Ха ^ Хс задается соотношением [3]:
^ 1 1 \^п(Ха -Хс)+ ™-Ха
ф(П М>, Ха, Хс )< К а 2 с\-а .
w -Х„п
В случае Х = Ха =Хс верхняя граница Джонсона [3] определяется как
/ ч 1 N -1N -2 N -Х
ф(Мс, К, Ха, Хс )< 1 "с 1 2 Х
К К-1 К-2 К-Х Это ограничение может применяться, если Ха ^ Хс (однако оно может быть слабее). Для данного случая Х = тах{Ха, Хс}.
Чтобы система могла корректно различать каждый возможный адрес, должно выполняться несколько условий [4]:
1) количество единиц ( вес w) в кодовой последовательности должно быть максимизировано и одинаково для каждого пользователя;
2) число совпадений Ха в отдельной функции автокорреляции
N
£)с(в) = £С(г) С(г-в) при -N +1 < в < N-1
1=0
кода Сд = {сд (/)}_ 1 и сд е {0,1} для каждого сдвига я (исключая нулевой сдвиг) должно
быть минимизировано;
3) число совпадений Хс для каждого сдвига я функции кросскорреляции
N
0сх ,С2 (в) = Е С1 (1С (1-в) при - N +1 < в < N -1
1=0
для двух кодовых последовательностей С1 и С2 должно быть минимизировано.
Полученные соотношения позволяют оценить качество различных кодов.
Для простых кодов имеем (р2, р, р - 1, 1), где р - простое число. Для каждого р существует р различных кодов, таким образом, р пользователей могут обслуживаться в одном оптическом канале. Недостаток этих кодов в том, что они не удовлетворяют условию 2. Фактически непредельное значение автокорреляционной функции может быть выше, чем р - 1.
Для квадратично согласованных кодов имеем (р , р, 2, 4). Учитывая, что функция автокорреляции не превышает 2, эти коды имеют хорошие кросскорреляционные свойства. Так же как и для простых кодов, здесь каждому пользователю соответствует своя кодовая последовательность.
Для повышения качества и количества передаваемой информации в коммуникациях предлагается внедрить в систему матрицу микромеханических зеркал (ММЗ). Для
этого в атмосферном оптическом канале связи предполагается использовать микрозеркала как дополнительный способ модулирования оптического сигнала. Такой метод позволяет увеличить (в десятки, сотни, тысячи раз) количество передаваемых данных в зависимости от структуры ММЗ. Реализация параллельной передачи данных позволяет повысить пропускную способность канала, что актуально в связи с постоянным ростом требований к объему и скорости передаваемой информации.
Эксперимент. Эксперимент проводился на базе созданного макета микрооптоэлек-тромеханической системы (МОЭМС) для атмосферного оптического канала связи. На рис. 1 представлена схематическая структура созданного макета.
Рис. 1. Обобщенная структурная схема макетного образца аппаратуры связи
на базе МОЭМС
Назначение созданного макетного образца аппаратуры связи на базе МОЭМС состоит в проверке принципов построения ИК-канала связи (атмосферной оптической линии связи) между передатчиком и приемником с использованием микромеханического модулятора сигнала, а также анализе различных способов кодирования информации в данной системе и качества реализации обмена данными.
На базе макета импульсами от источника ИК-сигнала в пространстве создается лазерный пучок. ИК-сигналы модулируются по определенным законам кодирования. Макет приемного устройства, входящий в состав аппаратуры связи, обеспечивает прием ИК-сигналов, дешифрацию переданного кода и анализ качества передачи информации по ИК-каналу с заданным способом кодирования.
В исследованиях используются четыре ИК-излучателя («пользователя») и один фотодатчик. К персональному компьютеру (ПК1) подключаются четыре канала-передатчика. Возможна проверка эффективности использования метода расширения спектра, а именно технологии многоканального доступа. Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), используя соответствующую ортогональную последовательность, кодирует данные по каждому каналу. В свою очередь, приемник должен корректно выделить передаваемый сигнал. Полученные сигналы обрабатываются программой на приемнике (ПК2).
После запуска макетной установки в окне результатов приемника выводятся принятые данные. При этом все каналы работают независимо друг от друга.
Результаты и обсуждение. Для проверки качества передачи информации с помощью программы, обрабатывающей принятые данные, строят графики функций автокорреляции и кросскорреляции (рис.2).
По результатам проведенных экспериментов можно сделать вывод о том, что в созданной МОЭМС для атмосферного оптического канала связи сигнал передается качественно, о чем говорят ярко выраженные пики (рис.2), которые означают единицу. При наложении маски одной последовательности на несоответствующую последовательность
Рис.2. График зависимости коэффициента автокорреляции от параметра т для маски СО и С1 (а) и коэффициента кросскорреляции от параметра т для маски СО и С2, С1 и С3 (б)
сигнал не выделяется и не распознается. На базе таких кодов появляется возможность реализации многоканального доступа, когда несколько пользователей имеют возможность воспользоваться одним каналом, имея собственную маску для распознания приемником.
Недостаток метода расширения спектра - резкое уменьшение количества передаваемой информации для заданной частоты излучения. Предположим, что выделяется 100000 ячеек для передающих данных. Выявлено, что среднее значение правильно переданных символов без расширения спектра примерно равно 19,5%, а с расширением -91,8%. Однако при маске длиной 25 бит последовательность сокращается в 25 раз, т.е. если переданная по каналу информация состояла всего из 100000 бит, то полезная информация будет составлять 100000/25 = 4000 бит. Тогда правильно переданных бит будет 0,918-4000 = 3672, а в случае без реализации МПП - 0,195-100000 = 19500, что является серьезной потерей информации при больших затратах на кодирование.
Эту проблему предлагается решить с помощью внедрения в систему матрицы ММЗ, которая является дополнительным модулятором сигнала, т.е. реализует параллельную передачу огромного количества информации за один период тактовой частоты. Канал связи, построенный на базе ММЗ, изображен на рис.3.
Матрица управляется при условии возможности передачи либо «0» - излучения нет, либо «1» - излучение есть. Следовательно, чем больше микрозеркал в матрице, тем больше информации можно передать за один такт. Например, при матрице с количеством зеркал 10^10 количество передаваемой информации возрастает в 100 раз относительно обычного канала связи. В рассматриваемом примере это число символов возрастет до 367200. Преимущества использования матрицы микрозеркал очевидны. Модернизируя систему, можно добиться передачи 1024*768 = 786432 бит ~ 98 Кбайт за один такт, что значительно
Рис.3. Схема атмосферных ОЛС на базе матрицы микрозеркал (А - лазерный светодиод; В - микромеханическая матрица микрозеркал; С - объектив-коллиматор; D - плоскость сечения луча; Oj - область засветки одним импульсом лазерного светодиода пространственной плоскости; О2 - область засветки луча, соответствующая области Oj матрицы)
увеличит количество и скорость передачи информации, а также скомпенсирует потери при использовании метода расширения спектра, который позволяет реализовать многоканальный доступ для атмосферного оптического канала связи.
Литература
1. Вишневский В., Ляхов А., Портной С., Шахнович И. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. - М.: Техносферы, 2005. - 595 с.
2. Tang J.T., Letaief K.B. Bit-error rate computation of optical CDMA communication systems by large deviations theory // IEEE Trans. Communications. - 1998. - P. 1422-1428.
3. ChungR.K., Salehi J.A., Wei V.K. Optical orthogonal codes: Design, analysis and application.: IEEE // Transactions on Information Theory. - 1989. - Vol. IT-35, N 3. - P. 595-604.
4. Maric S.V., Hahm M.D. Titlebaum E.L. Construction and performance analysis of new family of optical orthogonal codes with ideal auto- and cross-correlation functions for use in CDMA fiber-optic LANs // IEEE Transactions on Information Theory. - 1994. - P. 136-140.
Статья поступила после доработки 6 октября 2010 г.
Поташникова Алина Владимировна - инженер-электроник НИИ вычислительных средств и систем управления МИЭТ. Область научных интересов: системы связи, защита информации, цифровая схемотехника. E-mail: alina_olvs@mail.ru
Чекасин Андрей Игоревич - младший научный сотрудник НИИ вычислительных средств и систем управления МИЭТ. Область научных интересов: микропроцессорные системы, микромеханика, гироскопия, ориентация и навигация, защита информации.
Стрельцов Евгений Вадимович - младший научный сотрудник НИИ вычислительных средств и систем управления МИЭТ. Область научных интересов: системы ориентации и навигации, микромеханика, защита информации, микропроцессорные системы.
Степанов Николай Викторович - кандидат технических наук, доцент кафедры вычислительной техники МИЭТ. Область научных интересов: микропроцессорные системы для мобильных объектов.
