ТЕХНОЛОГИЯ СВЕРХСВЕТОВОЙ СВЯЗИ

Занимательные изобретения и модели

Оставьте комментарий

  Теории относительности Эйнштейна запрещает передачу информации со  сверхсветовой скоростью  и утверждает что, никакая материальная частица не может двигаться быстрее, чем свет в вакууме. Но как ни  странно - оказывается  "эхо" от  движения частицы может нарушать этот запрет.

  На этом предположении и основана гипотеза Хоушанга Ардавана из Кембриджа о том что импульсы пульсаров, ни что иное как  ударные волны, вызванные источником, перемещающимся быстрее, чем свет, подобно ударной волне, вызванной преодолением сверхзвукового барьера. Подробнее >>>

  Первый сверхсветовой физический объект - лазерный импульс в усиливающей среде - был впервые обнаружен  в 1965 году. В середине прошлого года в журналах появилось сенсационное сообщение о том что очень короткий лазерный импульс движется в особым образом подобранной среде в сотни раз быстрее, чем в вакууме.   Подробнее >>>

  Можно конечно пользоваться для сверхсветовой связи и азбукой Морзе, но сегодня существует и  гораздо более подходящая технологии временной модуляции в сверхширокополосном диапазоне, или иначе говоря - технология сверхкороткого импульса. Именно ей и посвящена эта статья.

Технология сверхкороткого импульса

Переносчиком сигнала в радиоволне служат ее синусоидальные электрические колебания (а). Но чтобы бесконечное колебание несло информацию (б), на волне необходимо сделать "отметки", то есть промодулировать ее. Для этого меняют либо амплитуду (в) волны (АМ), либо (г) ее частоту (ЧМ- или FM-модуляция, от английского frequency - частота).

  Сегодня, для передачи информации, мы  используем два основных метода модуляции ( или кодирования) несущей синусоидальной волны радиосигнала - амплитудную(АМ - изменение амплитуды волны) и частотную модуляцию( FМ или ЧМ- небольшое изменение частоты несущей) . Амплитудная модуляция технически реализуется проще, а  частотная позволяет обрабатывать сравнительно больший объем информации. Использование несущей волны позволяет сравнительно легко  разделять диапазон передач(по центральной частоте несущей) на участки(каналы) - по каждому из которых передаётся своя информация. Однако существует и принципиально иной подход.

В импульсной радиотехнике существует интересная закономерность: чем короче импульс, тем шире его спектр, тем больше частот в нем содержится. В сверхкоротком импульсе есть частоты от десятков герц до гигагерц (109 Гц). Его спектр неотличим от обычного шума, из которого, однако, можно выделить сигнал передатчика.

  В импульсной радиотехнике существует интересная закономерность: чем короче импульс, тем шире его спектр, тем больше частот в нем содержится. В сверхкоротком импульсе есть частоты от десятков герц до гигагерц (109 Гц). Его спектр неотличим от обычного шума, из которого, однако, можно выделить сигнал передатчика.

  Носителем информации служит последовательность сверхкоротких импульсов длительностью от 0,2 до 1,0 наносекунды, частота которых занимает сверхширокополосный интервал в несколько гигагерц, то есть практически весь радиодиапазон. Спектральная мощность этих сигналов очень мала. Сигнал как бы "размыт" и напоминает обычный шумовой фон. Для традиционных средств связи он не доступен не только к приему, но даже и к определению самого факта своего существования.

Если радиоимпульсы сделать совсем короткими, порядка 500 пикосекунд (1 пс = 10-12 с), электромагнитной волны как таковой уже не будет. От нее останется только короткий всплеск (а). Чтобы послать сообщение в цифровом виде, "гребенку" таких импульсов модулируют, увеличивая или уменьшая расстояние между ними (б).

  Вся информация скрыта в особо точно контролируемом сочетании временных промежутков между отдельными сверхкороткими импульсами. А время может быть чрезвычайно малым. И, следовательно, количество передаваемой информации огромно. Как и практически не ограничено число каналов связи, не требующих выделенного частотного диапазона.

  Если радиоимпульсы сделать совсем короткими, порядка 500 пикосекунд (1 пс = 10-12 с), электромагнитной волны как таковой уже не будет. От нее останется только короткий всплеск (а). Чтобы послать сообщение в цифровом виде, "гребенку" таких импульсов модулируют, увеличивая или уменьшая расстояние между ними (б).

  Сообщение в виде последовательности импульсов в передатчике смешивается с кодированным сигналом, задающим номер канала, и поступает в блок переменной задержки. Там импульсы сдвигаются на заданную программой величину и, таким образом, зашифровываются. Перехваченный сигнал становится невозможно прочесть. После усиления последовательность импульсов уходит в эфир. В приемнике на сигнал накладывается код канала вместе с импульсами задержки, дешифрирующими сообщение.

Схема работы линии связи на пикосекундных импульсах. Сообщение в виде последовательности импульсов в передатчике смешивается с кодированным сигналом, задающим номер канала, и поступает в блок переменной задержки. Там импульсы сдвигаются на заданную программой величину и, таким образом, зашифровываются. Перехваченный сигнал становится невозможно прочесть. После усиления последовательность импульсов уходит в эфир. В приемнике на сигнал накладыва ется код канала вместе с импульсами задержки, дешифрирующими сообщение.

  Такой сигнал  исключительно устойчив ко всем видам помех. В том числе к свойственным обычным радиоволнам наложениям переотраженных сигналов на основной. Ему не требуется определенный диапазон волн, частоты которых ограничены и давно распределены между пользователями. Он не мешает работе традиционных средств связи и сам не испытывает беспокойства от их не слишком рационального существования.

  Но это еще на все. Сигнал сверхширокополосного частотного интервала прекрасно распространяется в любых условиях: внутри здания, среди домов, на местности со сложным рельефом. Он легко преодолевает преграды и расстояния, требуя минимальной мощности передатчика и чувствительности приемника. А это еще и отличное решение проблемы источника питания.

  Таким образом, мы имеем дело с практически идеальным способом связи, обладающим уникальными свойствами. И это не только мобильный телефон или служебная радиостанция. Это - возможность создания беспроводных, надежно работающих даже внутри помещений локальных компьютерных сетей, помехоустойчивых и высокоскоростных, в том числе с включением их в Интернет. А еще внутридомовая связь, возможность безграничного развития программы "разумное жилище" и многое другое.

Разработки

  Создателем технологии временной модуляции в сверхширокополосном диапазоне считают американца Larry Fullerton'а. Его компания "Time domain"  начала свою деятельность в 1987 году. И уже через три года в их активе имелись четыре патента, которые вскоре получили материальное воплощение в виде успешно функционирующих средств связи с дальностью действия 6 миль (1992 г.).

  В 1997 году совместно с компанией IBM была изготовлена первая микросхема, обеспечивающая возможность практического использования технологии, два года спустя - вторая. Заметим, что это - два наиболее сложных и важных компонента. Дальность действия опытных образцов достигла 10 миль.

  Но приемник сигнала и маломощный передатчик - только одна часть успеха. А если надо увеличить скорость передачи информации и дистанцию между передатчиком и приемником? Тогда проблема генерации сигнала с требуемыми параметрами (мощность, частота повторения, точность позиционирования во времени) катастрофически усложняется, закрывая доступ технологии к широкому применению. Идеи и технологии решения этой проблемы появились в России.

  В начале 80-х годов в Ленинградском физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе были открыты два интереснейших эффекта - сверхбыстрого восстановления напряжения и сверхбыстрого обратимого пробоя в высоковольтных переходах. Это привело к созданию принципиально новых полупроводниковых приборов (удостоенных Государственной премии), способных коммутировать большие мощности в малых временных промежутках. И сама идея, и ее материальное воплощение принадлежат одной и той же группе разработчиков во главе с доктором физико-математических наук А. Ф. Кардо-Сысоевым.

  Эти уникальные приборы позволяют в принципе формировать сверхкороткие импульсы нано- и пикосекундной длительности мощностью до десятков мегаватт и частотой повторения до десятков мегагерц, контролируя при этом их временное положение с точностью лучше десяти пикосекунд. И хотя с ростом частоты повторения импульсов их пиковая мощность падает, но по-прежнему остается много выше, чем полученная с помощью любых других устройств. А сами приборы имеют практически неограниченный полупроводниковый ресурс.

  Использование этих технологий и позволяет создать тот передатчик - источник сверхкороткого сигнала в сверхширокополосном диапазоне. И не один из прочих существующих в мире методов не позволяет столь эффективно решить такую задачу.

  Предлагаемая технология помимо связи имеет много интересных применений. Это, прежде всего, локатор, обладающий уникальными свойствами, обусловленными именно сверхширокополосным спектром. Если какая-то частота сильно поглощается в среде, то сработает другая - ведь сигнал захватывает весь диапазон. Такой локатор существенно проще, компактней и дешевле известных конструкций. Он обладает более высоким разрешением, ему не страшны преграды, перед которыми пасуют обычные радиолокаторы, может работать внутри здания, "просвечивая" стены и конструкции из любого материала, или безошибочно определять местонахождение и состояние подземных коммуникаций, размещаясь в небольшом кейсе. Это не только идеальный прибор для строительства и ремонта, но и надежный помощник служб спасения. По такому же принципу могут быть созданы сверхчувствительные сенсоры для систем безопасности, охранной сигнализации, сверхточная система определения координат и расстояний с точностью до сантиметра.

Версия для печати
Дата публикации 01.12.2003гг


вверх