Szybki (Im)Puls

Współczesne technologie radiowe zaostrzyły nam apetyt na nieograniczony kablami dostęp do multimediów, którego nie potrafią zapewnić. Czy uda się to szturmującej rynek technologii UltraWide Band?

Współczesne technologie radiowe zaostrzyły nam apetyt na nieograniczony kablami dostęp do multimediów, którego nie potrafią zapewnić. Czy uda się to szturmującej rynek technologii UltraWide Band?

Technologie mobilne, jak żadne inne, wiążą się z wykorzystywaniem transmisji radiowej. Począwszy od przenośnych radioodbiorników, przez krótkofalówki, po telefony komórkowe, radio zawsze się przydaje. W dobie wszędobylskich komputerów technologia radiowa wzięła drugi oddech w postaci transmisji cyfrowej. Pozwoliła na kilkakrotne przyspieszenie przesyłania danych, lepsze wykorzystanie pasma i ewolucję usług oferowanych drogą radiową. Współczesne urządzenia bezprzewodowe korzystają z zawsze dostępnego Internetu, bezprzewodowych sieci komputerowych WLAN czy bezpośrednich połączeń Bluetooth. Producenci prześcigają się w stosowaniu nowych technologii pozwalających na oglądanie telewizji przez bezprzewodowy Internet czy granie w sieci utworzonej na tę okazję bezpośrednio między przenośnymi konsolami.

Technologiom tym daleko jednak do zrealizowania oczekiwań użytkowników. Bezprzewodowy Internet jest za wolny, żeby telewizja miała zadowalającą jakość, przez WLAN za wolno kopiują się pliki, a granie w bezprzewodowej sieci kończy się szybkim wyczerpaniem baterii w mobilnych urządzeniach. Problem w tym, że kończą się już pomysły na udoskonalenie takiego radia, jakie znamy. To najlepszy moment na rewolucję w transmisji radiowej.

Patent 7777

Gdy włoski fizyk Guglielmo Marconi zaprezentował w 1896 roku bezprzewodowy telegraf, wynalazek ten pozwalał nadawać tylko jeden sygnał naraz. Problem ten został szybko rozwiązany i już w roku 1900 Marconi uzyskał słynny patent nr 7777 na radio używające częstotliwości nośnej.

Pomysł jest bardzo prosty. Pasmo radiowe jest jak duża działka - żeby sprzedać ją wielu klientom, trzeba ją podzielić. Dokładnie to samo robi się z pasmem radiowym - każdy dostaje określoną częstotliwość, na której może nadawać. W ten sposób wszyscy mają jednoczesny dostęp do eteru, tyle że na różnych falach. Aby nadawać na określonej częstotliwości, trzeba wysyłaną informację zakodować jako modyfikacje bazowego kształtu fali o tej częstotliwości. Odbiorca, znając częstotliwość nośną, a tym samym bazowy kształt fali, z łatwością wychwyci wprowadzone modyfikacje i odbierze informację.

Każde współczesne radio opiera się na częstotliwościach. Fale radiowe mają kształt sinusoidalny, a modulować można amplitudę (AM), częstotliwość (FM) oraz manipulować wszystkimi innymi parametrami sinusoidy. Z biegiem lat i rozwojem technologii do modulacji fali dodano inne techniki pozwalające lepiej wykorzystać transmisję radiową.

Wszystko zaczęło się od Hedy Lamarr, aktorki, która w czasie II wojny światowej wspólnie z muzykiem Georgem Anthailem wymyśliła metodę zabezpieczania sygnałów sterujących torpedą przed zakłócaniem przez przeciwnika. Metoda, którą później opatentowała, nazwana Frequency Hopping (FH), polegała na zsynchronizowanej zmianie częstotliwości zarówno przez nadajnik, jak i odbiornik. Jeśli zmiany obu częstotliwości są liczne i szybkie, zakłócanie jednej z nich nie powoduje istotnych strat w całości transmisji.

W tym samym okresie wojsko opracowało nowe techniki szyfrowania sygnałów. W zakładach AT&T powstał system Green Hornet. Ważące 80 ton urządzenie uniemożliwiało podsłuchiwanie rozmowy telefonicznej Churchilla z Rooseveltem, szyfrując głosy rozmówców specjalnym, nagranym na płyty gramofonowe kluczem. Rozwijając ten pomysł, Alan Turing wymyślił specjalny sposób nadawania sygnału, w postaci tzw. białego szumu (słychać go w słuchawkach odbiornika radiowego pozbawionego anteny). Całość tworzona była pseudolosowo wygenerowanym kluczem. Urządzenie generujące klucze za pomocą kilku lamp elektronowych udało mu się zbudować dopiero po wojnie, a dało ono początek technice współcześnie nazywanej Direct Sequence (DS).

Cyfrowa teraźniejszość

Hedy Lamarr wymyśliła metodę zabezpieczenia sygnałów sterujących torpedą.

Hedy Lamarr wymyśliła metodę zabezpieczenia sygnałów sterujących torpedą.

Oprócz kamuflowania transmisji przed szpiegami techniki wymyślone w czasie wojny mają też inne zalety wykorzystywane przez współczesne systemy teleinformatyczne, takie jak GSM, GPS, UMTS, WLAN, WWAN.

Wywodząca się z FH technika zwana rozpraszaniem widma (Spread Spectrum) pozwala obsługiwać jednocześnie wielu klientów w tym samym paśmie częstotliwości. Nadając, każdy z nich skacze po częstotliwościach znajdujących się w obrębie danego pasma, co znacznie zmniejsza podatność nadawanego sygnału na zakłócenia oraz prawdopodobieństwo kolizji z pozostałymi użytkownikami tego pasma, zwłaszcza że cyfrowe telefony przestają nadawać, jeśli w danej chwili nic nie mówimy.

Telefony działające w systemie UMTS używają szyfrowania DS do ukrywania swojego sygnału, dzięki czemu kilka może nadawać jednocześnie na tej samej częstotliwości, nie zakłócając się wzajemnie. Przy okazji częstotliwość zmieniają kilkakrotnie podczas nadawania jednego bitu! Wszystko po to, aby lepiej wykorzystać możliwości radia, które teoretycznie określił już w 1948 roku Claude Shannon w swojej teorii informacji. Znalazł on związek między siłą sygnału, szerokością pasma a prędkością, z jaką można przesłać dane przez kanał komunikacyjny. Wynikły z tego teoretyczne ograniczenia maksymalnej prędkości transmisji danych zarówno przez radio, jak i drogą kablową.

Długo nie było sposobu na zbliżenie się do granic wyznaczonych przez równania teorii informacji, aż w końcu technologia rozpraszania widma umożliwiła dramatyczny wzrost wydajności. Podstawowym ograniczeniem, które cały czas wiąże się z tą technologią, jest brak dostatecznie szerokiego pasma.

Aby wykorzystać w pełni technikę rozpraszania widma, trzeba by zapewnić spójny przedział częstotliwości o szerokości 1GHz. Problem w tym, że nie ma takiego przedziału w użytecznym zakresie częstotliwości, bo większość wyprzedano już dawno, a zostały przedziały znacznie węższe.

Standardowa częstotliwość, a jej widmo.

Standardowa częstotliwość, a jej widmo.

Zupełnie inny problem to ogromny koszt szerokiego pasma na transmisję wykorzystującą rozpraszanie, co mieliśmy okazję obserwować przy okazji sprzedaży koncesji na telefonię UMTS w Polsce.

Pewną zapowiedzią kierunku, w którym pójdzie technologia i przemysł komputerowy, było uwolnienie częstotliwości mikrofalowych wykorzystywanych przez WLAN. Uwolnione pasma są mimo wszystko dość wąskie, a dodatkową wadą tych częstotliwości jest ich silne tłumienie przez fizyczne przeszkody. Trzeba szukać dalej.

Według Shannona, jeśli sygnał rozproszymy odpowiednio szeroko, efektywna moc wypromieniowywana potrzebna do przekazania transmisji mocno spadnie. Teoretycznie nawet poniżej tzw. poziomu szumu. Oprócz oszczędności baterii oznacza to, że moglibyśmy, nikomu nie przeszkadzając, nadawać na wszystkich częstotliwościach, nie bacząc, czy ktoś je już kupił, czy nie. Niestety tradycyjne techniki rozpraszania widma nie sprawdzają się w tak szerokim paśmie. Czyżby trzeba było zarzucić wykorzystywany przez tyle lat wynalazek Marconiego?

Radio impulsowe

Na taki pomysł wpadł Larry Fulerton, który w 1976 roku zaczął pracować nad zupełnie nowym rodzajem radia. Zadał sobie pytanie, co będzie, jeśli zacznie budować radio od podstaw, cofając się do czasów Marconiego? Co się stanie, gdy zamiast nadawać na określonej częstotliwości rozproszymy sygnał w całym zakresie, jak to się dzieje przy uderzeniu pioruna?

Po kilku latach badań Fulerton zaprezentował swój wynalazek - radio impulsowe. Nie korzysta ono z częstotliwości nośnych, a wysyła trwające ułamki nanosekund impulsy, rozchodzące się w całym efektywnym paśmie częstotliwości. Informacje są zakodowane w mikroskopijnych różnicach w czasie emisji poszczególnych impulsów, a zakres częstotliwości, w jakim sygnał będzie widzialny, zależy od kształtu impulsu emitowanego bezpośrednio, bez użycia częstotliwości nośnej. Fulerton uznał, że optymalnym kształtem dla zakresu od 1-5 GHz jest tzw. Gaussian Monocycle.

Wynalazek został opatentowany a autor założył firmę Time Domain. W swoim prywatnym laboratorium opracował pierwsze urządzenie wykorzystujące jego radio, które umożliwiło transmisję sygnału z prędkością 156 Kb/s na odległość 10 mil z mocą zaledwie 1miliwata. Dla porównania moc telefonu GSM to około 600 miliwatów, a urządzeń WLAN - do 100 miliwatów (w Polsce). Transmisji nie zarejestrowały tradycyjne urządzenia radiowe.

Dowodzi to, że korzystający z bardzo szerokiego pasma sygnał radiowy można rzeczywiście odebrać poniżej poziomu szumu, co oprócz wyraźnego zbliżenia do teoretycznej granicy wyznaczonej przez Shannona oznacza ogromną oszczędność baterii w przyszłych urządzeniach mobilnych.

Układ Fulertona to bardzo prosta i zarazem elegancka elektronika. Brak częstotliwości nośnej oznacza, że tradycyjne filtry częstotliwości stały się zbędne. Bezpośrednia emisja sygnału cyfrowego to brak przetworników cyfrowo-analogowych oraz znacznie uproszczony modulator.

Cała złożoność wiąże się z mikroprocesorowym układem scalonym, który umożliwia odebranie tak nadanego sygnału. Aby odebrać sygnał impulsowy, trzeba przeprowadzić korelacyjną analizę sygnału, do czego potrzebne są bardzo szybkie procesory. Im szybsze, tym szybsza transmisja danych, a więc prawo Moore'a, mówiące o podwajaniu się mocy procesorów co 18 miesięcy, daje nadzieję na szybkie zwiększanie się możliwości oraz zakresu aplikacji radia impulsowego.


Zobacz również