Радиосенсоры и радиолокаторы

Упражнение 13.2.

Вариант 1. В режиме ожидания вызова антенна и миниатюрный радиоприемник мобильного телефона все время принимают радиоволны выделенной частотной полосы, усиливают полученные высокочастотные колебания, демодулируют их, формируя цифровые сигналы, которые передаются в микропроцессор. Микропроцессор согласно предусмотренному протоколу связи сравнивает полученные цифровые коды с позывными абонента, записанными на SIM-карте. Если они не совпадают, то никакие действия не предпринимаются. И только если вызывается именно данный мобильный телефон, то микропроцессор активирует предусмотренный сигнал вызова – звонок, зуммер, мелодию, вибрацию, световой сигнал и т.п. Вид формы вызова абонент заранее программирует по своему желанию.

Вариант 2. В режиме вызова, если владелец отвечает на вызов, то микропроцессор организовывает передачу радиосигнала отклика на ближайшую базовую станцию. С её помощью определяется телефонный номер вызывающего абонента и отображается на дисплее мобильного телефона. Звуковые колебания голоса владельца воспринимаются чувствительным микрофоном, превращаются в электрические аналоговые сигналы. Последние с помощью аналого-цифрового преобразователя трансформируются в цифровые коды, которыми модулируются выходящие радиосигналы. Микропроцессор организовывает передачу исходных радиосигналов согласно предусмотренному протоколу сотовой связи. Их воспринимает ближайшая базовая станция, усиливает и передает к той базовой станции, из которой пришел вызов. А последняя обеспечивает передачу этих радиосигналов на мобильный телефон позвонившего. Принимая радиоволны, несущие запись речи позвонившего, мобильный телефон преобразует их в звуковые колебания, хорошо слышимые владельцу. Так организовывается и поддерживается разговор. При этом один или оба абонента могут свободно перемещаться. Когда абонент переходит из зоны одной базовой станции в зону другой, радиопередачи автоматически переадресовываются так, что абоненты этого даже не замечают.

Вариант 3. В режиме вызова, если владелец не отвечает на вызов, микропроцессор, выждав заданное время, выполняет передачу предусмотренного на этот случай радиосообщения на базовую станцию. Через неё информация о невозможности связи передается позвонившему. Он может отменить вызов или отправить короткое текстовое сообщение (SMS), которое передается на мобильный телефон адресата и запоминается в нем. Как только владелец активирует свой мобильный телефон, микропроцессор сообщит ему об имевших место входящих звонках и о принятых SMS сообщениях. И по желанию владельца выводит эти сообщения на дисплей.

Вариант 4. В режиме активного вызова микропроцессор сначала организовывает диалог с пользователем через клавиатуру и дисплей мобильного телефона. В ходе диалога выясняется телефонный номер, на который пользователь желает позвонить по телефону. Для номеров, на которые пользователь звонит часто, может быть организована сокращенная процедура вызова. Такие телефонные номера фиксируются в памяти мобильного телефона вместе с коротким именем или кодом. Микропроцессор выводит их на дисплей в виде меню. При выборе одного из них микропроцессор сам выполняет автоматический набор соответствующего телефонного номера. С помощью исходящего радиосигнала этот номер передается к ближайшей базовой станции, которая передает вызов по всей сети. Если приходит сообщение о том, что соответствующий телефонный номер недоступен или не отвечает, то можно отправить ему короткое SMS сообщение. Для этого микропроцессор предоставляет пользователю возможность набора SMS сообщения, проверяет соответствие его установленным требованиям. Готовое к отправке сообщение кодируется в соответствии со стандартом связи. Модулированный этим сообщением радиосигнал отправляется на базовую станцию.

Если вызываемый абонент откликнулся, то организуется разговор, как описано выше в варианте 2.

Упражнение 13.3.

Вариант 1. Метод FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum) разработан для защиты радиосвязи от помех со стороны других источников радиоволн, работающих в том же диапазоне. Для этого несущая частота передачи информации скачками изменяется до 1600 раз в секунду в соответствии с квазислучайным "шаблоном", составленным из 79 разных частот этого диапазона, с гауссовским распределением вероятностей. Благодаря этому "понять" друг друга могут лишь радиосенсоры, которые используют один и тот же шаблон изменения частот. Такой алгоритм работы позволяет легко избежать "конфликтов" с другими приборами, работающими на той же частоте, поскольку находящиеся на связи сенсоры могут автоматически заменить данную частоту в своем шаблоне на другую, свободную.

Вариант 2. Контакт между радиосенсорами Bluetooth устанавливается автоматически, как только они оказываются в зоне "радиодосягаемости" друг друга. Для этого при изменении окружения сенсор Bluetooth автоматически излучает стандартный радиозапрос. Если рядом находится другой активный сенсор Bluetooth, работающий в "открытом" режиме ("Discoverable mode"), то он всегда отвечает на этот запрос. В режиме "ограниченных контактов" ("Limited discoverable mode") сенсор отвечает лишь в случае выполнения запрограммированных в нём условий. Каждый Bluetooth-сенсор имеет свой уникальный 48-разрядный двоичный код. Согласно протоколу Bluetooth сенсоры, вступившие в контакт, сообщают друг другу свой код, выясняют, должны ли они в соответствии со своими предписаниями обмениваться информацией. Если не должны, то на этом их связь прекращается. Если же должны, то они "договариваются" о шаблоне общения и о шифрах, которые будут применять для защиты информации. После этого они при необходимости обмениваются друг с другом информацией.

Вариант 3. Чтобы из сенсоров Bluetooth организовалась сеть "пиконет" (простое звено), один из Bluetooth-сенсоров при отладке (инсталляции) назначается "старшим" (М, "master"), другие – "младшими" (S, "slave"). К одному "старшему" могут присоединяться до семи "младших". "Старший" сенсор находится обычно в центральном пульте управления или в главном компьютере. Этот радиосенсор определяет шаблон, с которым работает все звено. После "выяснения отношений" все соединенные в сеть сенсоры Bluetooth получают список имен и адреса доступных им сенсоров и доступных через них услуг (service discovery). Младшие могут обмениваться между собой информацией через старший сенсор, если такое предусмотрено в списке его услуг.

Вариант 4. Чтобы из сенсоров Bluetooth образовалась сеть "скатернет", "старшие" Bluetooth-сенсоры некоторых простых звеньев назначаются одновременно "младшими" по отношению к определенным другим. В "скатернет" могут быть объединены до десяти простых звеньев. После "выяснения отношений" все соединенные в сеть сенсоры Bluetooth получают список имен и адреса доступных им сенсоров и доступных через них услуг (service discovery). Младшие звенья могут обмениваться между собой информацией через старший радиосенсор, если такое предусмотрено в списке его услуг. А с помощью специальных коммутаторов, так называемых "gates", можно образовать еще более сложные сети.

Упражнение 13.4. В состав радиолокатора обязательно должны входить следующие блоки: генератор радиоимпульсов, антенна для их излучения в заданном направлении и для приёма отраженных от объектов сигналов, усилитель-селектор сигналов и индикатор.

Вариант 1. Время запаздывания отраженного от объекта радиосигнала равно времени прохождения его от антенны до объекта и после отражения обратно. Т.о., время запаздывания , где – расстояние до объекта, c – скорость распространения радиоволн. Для объекта, находящегося на расстоянии , получаем .

Вариант 2. .

Вариант 3. Расстояние до объекта можно рассчитать по формуле . Если отраженный радиосигнал запаздывает на время , то .

Вариант 4. .

Вариант 5. Из формулы (13.1) следует, что . Поэтому максимальная дальность обнаруживаемых целей, если период излучения радиолокатором радиоимпульсов составляет 100 мкс, .

Вариант 6. Частота излучения 400 Гц соответствует периоду излучения радиолокатором зондирующих радиоимпульсов . Поэтому .

Вариант 7. Период генерирования импульсов развертки должен быть равен времени прохождения радиосигналом соответствующего расстояния "туда и обратно", т.е. . Для получения на индикаторе меток дальности через 5 км находим .

Вариант 8. Время запаздывания отраженного сигнала надо отсчитывать с точностью не менее . Чтобы обеспечить точность определения дальности не хуже 30 м, время запаздывания нужно отсчитывать с точностью не менее .

Упражнение 13.5.

Вариант 1. Эффект Доплера состоит в том, что при отражении от движущегося объекта частота отраженных радиоволн несколько изменяется и тем больше, чем больше скорость движения. Живые люди под завалами продолжают дышать, и поэтому их грудная клетка движется. Сокращается сердечная мышца, движется по сосудам кровь. Поэтому отраженный от живого человека радиосигнал имеет компоненты с изменившейся частотой. Это и используется для выявления наличия живых людей под завалами. С этой целью компонента отраженного радиосигнала с изменившейся частотой выделяется и отображается на экране. Для выделения из общего отраженного сигнала вычитается компонента с неизменной частотой, выделяемая с помощью узкополосного частотного фильтра.

Вариант 2. Широкополосная радиолокация отличается тем, что ширина спектра зондирующего радиосигнала превышает 25% его центральной частоты. Это достигается излучением радиоимпульсов, содержащих лишь несколько периодов колебаний на центральной частоте, или просто одиночных импульсов. Широкая полоса частот предопределяет небольшой пространственный размер "волнового пакета" и вытекающую из этого высокую пространственную разрешающую способность. Например, радиоимпульсу продолжительностью 0,1 нс соответствует волновой пакет длиной лишь 3 см. Такой "пакет" различает уже сантиметровые детали структуры объекта, от которого он отражается. В этом и состоят преимущества данной технологии радиолокации.

Вариант 3. MIR (Micropower Impulse Radar – микромощный импульсный радиолокатор) технологию радиолокации предложил в 1994 году Томас МакЕрван из Ливерморской национальной лаборатории (США). Радиолокатор излучает сверхкороткие одиночные импульсы продолжительностью 200 пс, обеспечивающие пространственную разрешающую способность 1 см. Интервалы времени между излучениями импульсов являются случайными и задаются генератором шума. А прием отраженных сигналов синхронизируется с моментами излучения. Таким путем достигаются: сведение к минимуму помех, создаваемых несколькими одновременно работающими антеннами; очень высокая селективность отбора "своих" сигналов; а также практически незаметная работа радиолокатора, так как его излучение для постороннего наблюдателя сливается с фоновым шумом. Средняя частота излучения импульсов составляет 1-2 МГц. Усреднение по десяткам тысяч – миллионам импульсов повышает соотношение сигнал/шум. Благодаря очень коротким импульсам и большой их скважности средняя мощность излучения MIR радиолокатора в сотни раз меньше, чем у мобильных телефонов. Всю его СВЧ электронику удалось разместить на печатной плате площадью около 4 см².

Вариант 4. Принцип действия нелинейного радиолокатора основан на том, что нелинейные электронные компоненты (диоды, транзисторы и т.д.) при взаимодействии с высокочастотными радиоволнами не только отражают их, но и генерируют и излучают в виде вторичных волн их "более высокие гармоники", т.е. радиоволны с частотами в целое число раз больше частоты падающей волны. Поэтому по появлению высших гармоник можно обнаружить и установить местонахождение нелинейных электронных компонентов. Нелинейные радиолокаторы используют для поиска и выявления устройств, в состав которых входят полупроводниковые электронные элементы, – тщательно спрятанных подслушивающих устройств, скрытых видеокамер, записывающих устройств, управляемых по радио взрывных устройств и т.п. Причем скрытые электронные устройства обнаруживаются независимо от того, находятся они в работе или отключены.