• Беспроводные системы связи и сенсорные сети на основе сверхширокополосных хаотических сигналов

  Руководитель направления Дмитриев Александр Сергеевич гл. науч. сотр., д.ф.-м.н., профессор эл. почта: [email protected] тел.: +7 (495) 629-72-78

  
  

   
  В лаборатории ведутся работы в области беспроводной передачи и обработки информации при помощи хаотических колебаний. Был проведен ряд НИР и НИОКР, в результате которых создано более 10 вариантов приемопередатчиков для связи как в режиме “точка–точка”, так и в составе беспроводных локальных сетей связи и сенсорных сетей. Созданные образцы беспроводных приемопередатчиков использовали диапазон в пределах от 2.85 до 10.6 ГГц, выделенный для СШП связи. Эти исследования и разработки касались приемопередатчиков малого радиуса действия (20…30 м), что определялось требованиями, накладываемыми на спектральную плотность мощности действующими спектральными масками для нелицензируемых СШП-сигналов. Были приведены также разработки приемопередатчиков повышенной дальности (до 200…240 м). Разработаны и экспериментально апробированы макеты приемопередатчиков в диапазоне 200…450 МГц, предназначенные для беспроводной передачи информации на расстояния до 2-х километров.
  Продемонстрирована практическая реализуемость беспроводной схемы относительной передачи на основе хаотических радиоимпульсов. Разработаны новые компоненты, необходимые для осуществления этой схемы. Создан макет системы передачи в диапазоне частот 200…500 МГц, на котором проведены эксперименты по передаче двоичной информации.

  Приемник сверхширокополосных сигналов (слева) и В.В.Ицков за работой (справа)

• Микроволновая дозиметрия персонального экологического пространства

  Руководитель направления Дмитриев Александр Сергеевич гл. науч. сотр., д.ф.-м.н., профессор эл. почта: [email protected] тел.: +7 (495) 629-72-78

  
  

   
  Рост интенсивности электромагнитного микроволнового излучения антропогенного происхождения (например, мобильные средства связи), привел к тому, что большая часть населения планеты вынуждена постоянно находиться в загрязненной этими излучениями среде – «электромагнитном смоге». При определенных условиях электромагнитное поле радиочастотного диапазона может быть вредным для здоровья и оказывать неблагоприятное действие на экологические системы.
  В качестве средства контроля уровня излучения в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН совместно со смежными организациями разработан персональный дозиметр «МЕРА» – миниатюрный гаджет размера кредитной карточки (масса устройства менее 30 г), позволяющий регистрировать как уровень воздействующего на человека электромагнитного микроволнового излучения, так и суммарное количество принятой в течение длительного времени энергии.

  А.И.Рыжов и А.С.Дмитриев работают с прибором «МЕРА»

  Перспективными областями применения продукта являются:
  - персональное применение физическими лицами для контроля уровня микроволнового излучения в местах проживания и обитания;
  - службы мобильной связи, как персональное средство контроля безопасности нахождения персонала вблизи источников микроволнового электромагнитного излучения (например, базовых станций);
  - в качестве персонального средства контроля электромагнитной обстановки сотрудниками МЧС в зонах, связанных с чрезвычайными ситуациями;
  - контроль уровня микроволнового излучения в детских садах, общеобразовательных школах и других учебных заведениях;
  - мониторинг уровня электромагнитного излучения в общественном транспорте, торговых и развлекательных комплексах и других объектах, где концентрируется большое количество одновременно работающих смартфонов и планшетов;
  - дозиметрический мониторинг отдельных городских территориях и городах в целом для получения полной динамической электромагнитной обстановки в городе.
  

• Генерация хаотических колебаний СВЧ диапазона

  Руководитель направления Ефремова Елена Валериевна вед. науч. сотр., д.ф.-м.н., профессор эл. почта: [email protected] тел.: +7 (495) 629-72-78

  
  

   
  Проблема создания устройств беспроводной радиосвязи тесно связана с проблемой разработки соответствующей элементной базы, в частности источников несущих колебаний – генераторов сверхширокополосных хаотических сигналов. Когда речь идет о компактных устройствах, с низким энергопотреблением, воспроизводимыми характеристиками, а также возможностью их последующей реализации в виде микрочипа, микрополосковая технология оказывается неприменимой. В этом случае основное внимание привлекают устройства, которые могут быть выполнены на основе сосредоточенных элементов.
  В лаборатории разрабатываются генераторы хаоса на сосредоточенных элементах в различных диапазонах частот: от 100 МГц до 8 ГГц.
  Рост числа устройств промышленной и потребительской электроники, снабженных функцией беспроводной передачи данных, приводит к дефициту доступных ресурсов электромагнитного спектра. Это стимулирует освоение новых частотных диапазонов и создание соответствующей элементной базы. В связи с развитием сетей 5G и технологии Интернета вещей большое внимание привлекает диапазон частот от 6 до 100 ГГц. В лаборатории ведутся работы по созданию моделей генераторов хаотических колебаний на основе интегральных технологий микроэлектроники в диапазоне до 60 ГГц.
  

  Спектр мощности сверхширокополосных хаотических колебаний (слева) и лампа радиосвета, созданная в лаборатории, источник таких колебаний (справа)

• Разработка методов позиционирования внутри помещений на основе сверхширокополосных хаотических сигналов

  Руководитель направления Ефремова Елена Валериевна вед. науч. сотр., д.ф.-м.н., профессор эл. почта: [email protected] тел.: +7 (495) 629-72-78

  
  

   
  Решение задачи высокоточного (сантиметрового и субсантиметрового) определения положения объектов внутри помещений особенно актуально в таких прикладных областях как робототехника, системы промышленной автоматизации, комплексы межмашинного взаимодействия M2M (machine-to-machine), Интернет Вещей – IoT (Internet of Things), Промышленный Интернет Вещей IIoT (Industrial Internet of Things).
  В качестве физической основы для реализации средств измерения дальности и позиционирования предлагается использовать технические решения на основе сверхширокополосных хаотических сигналов (беспроводные средства связи, сенсорные сети), разработанные в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН. Средства измерения расстояния и позиционирования могут быть интегрированы в беспроводные приёмопередатчики, что позволяет создать универсальные приемопередающие системы с возможностью локализации.
  Актуальность поставленной задачи подтверждается потоком публикаций, в которых постоянно предлагаются и исследуются различные способы измерения расстояния и позиционирования в условиях реальных беспроводных каналов сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Опубликованные результаты показывают, что на сегодняшний день при использовании сверхширокополосных (СШП) сигналов достигнута точность определения местоположения порядка 10 см на расстоянии до 10 м внутри помещений.
  

• Топологическая текстурно-фрактальная обработка реальных сигналов и физических полей

  Руководитель направления Потапов Александр Алексеевич гл. науч. сотр., д.ф.-м.н., профессор эл. почта: [email protected]

  
  

   
  В настоящее время в радиофизике, радиоэлектронике и обработке сигналов преимущественно, привычно и повсеместно используются целочисленные меры (интегралы и производные целого порядка), гауссова статистика, марковские процессы и т.п. Вместе с тем это не всегда точно описывает реальные процессы, происходящие в современных радиофизических и радиотехнических системах. Это, прежде всего, учет эредитарности (памяти), негауссовости и скейлинга (самоподобия, автомодельности) реальных физических сигналов и полей. Все эти понятия входят в определение фрактальных множеств или фракталов, впервые предложенных Б. Мандельбротом в 1975 году.
  Проблема топологической текстурно-фрактальной обработки реальных сигналов и физических полей начала изучаться более 40 лет назад в ИРЭ АН СССР в связи с выполнением цикла фундаментальных исследований с ведущими отраслевыми НИИ и конструкторскими бюро СССР и России, посвященных созданию новых прорывных технологий для радиолокации. В основном это было связано с обнаружением по одномерной (вероятностный статистический сигнал) и многомерной (стохастические оптические и радиолокационные изображения) выборке разнообразных малоконтрастных объектов на фоне интенсивных помех от поверхности Земли.

  

  Бенуа Мандельброт (слева) и главный научный сотрудник ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН Александр Потапов (справа)

  

  Макет фрактального обнаружителя

   
  Малоконтрастность объектов делает неприменимым классические радиолокационные методы и алгоритмы обнаружения. Например, использование энергетических обнаружителей, когда отношение правдоподобия определяется исключительно и только энергией принимаемого сигнала, становится принципиально невозможным. Обнаружение малоконтрастных объектов на фоне естественных интенсивных помех неизбежно требует вычисления принципиально новой характеристики, которая отличается от функционалов, связанных с помехами и энергией сигнала, а определяется лишь топологией и размерностью принятого сигнала.
  Для решения этой проблемы впервые в мире предложены, а затем и применены новые размерностные и топологические (а не энергетические!) признаки или инварианты, которые объединены под обобщенным понятием «топология выборки» ~ «фрактальная сигнатура». Был изготовлен макет фрактального обнаружителя. Показано, что 30% флуктуаций контура объекта практически не влияют на форму фрактальной сигнатуры.
  Например, исходное изображение самолета (слева) может быть выделено из по шума (справа), когда отношение сигнал/шум составляет минус 3 дБ (в центре).
  

  Помимо фрактальных обнаружителей, большое значение приобретают сейчас фрактальные антенны и различные фрактальные частотно-избирательные поверхности и объемы. Фрактальные методы обработки дают повышение качества и детализации объектов и целей в пассивном и активном режиме в несколько раз.
  В результате в научном мире образовано новое смысловое пространство с его необычными для классической радиофизики, радиотехники и радиолокации свойствами и задачами. Топологическое обнаружение открывает двери в совершенно новую область теории статистических решений и позволяет как скорректировать уже существующие в этой области представления, так и создать новые, что имеет важное теоретическое и практическое значение.
  Проблема «топологии выборки» одна из важнейших во всей радиоэлектронике. Без учета фрактальности и скейлинга вся классическая теория обнаружения и распознавания многомерных сигналов в будущем может потерять свое каузальное значение для фундаментальных понятий сигнала и шума.
  

• Оптимальные и субоптимальные методы обнаружения и приема широкополосных и сверхширокополосных хаотических сигналов в реальных каналах связи

  Руководитель направления Кузьмин Лев Викторович в.н.с., д.ф.-м.н, профессор РАН эл. почта: [email protected] тел.: +7 (495) 629-72-78

  
  

   
  В беспроводной сверхширокополосной связи на базе хаотических (шумоподобных) сигналов актуальным является компенсация совокупного влияния шума, многолучевого распространения и узкополосных помех, которые с большой долей вероятности могут попадать в полосу полезного сверхширокополосной сигнала.
  В лаборатории ведутся исследования, направленные на снижение влияния указанных типов помех на беспроводную передачу информации при помощи сверхширокополосных сигналов.
  Для экспериментальных исследований в этом направлении разработан СШП модем, оснащенный NUCLEO интерфейсом для сопряжения с широкой номенклатурой современных плат разработчиков, что дает возможность проверять различные способы улучшения помехоустойчивости в реальных условиях беспроводной передачи данных.
  

  

  Сверхширокополосный модем для апробации новых методов модуляции и приема сверхширокополосных колебаний

• Синтез изображений окружающей обстановки в микроволновом диапазоне

  Руководитель направления Рыжов Антон Игоревич с.н.с., к.ф.-м.н эл. почта: [email protected] тел.: +7 (495) 629-72-78

  
  

   
  Переход к массированному использованию цифровых методов, методов искусственного интеллекта и Интернета вещей радикально меняет представление об окружающем нас мире, да и сам мир, в котором мы живем. С каждым годом Интернет вещей всё глубже проникает в нашу жизнь, и для его развития должны разрабатываться собственные средства сбора информации для Интернета вещей, чтобы они могли видеть, слышать и чувствовать запахи мира самостоятельно. При этом чувствительные элементы могут иметь существенно более широкие возможности, чем те, которыми обладает человек.
  Шумовое излучение радио и СВЧ диапазонов, подобное по своим основным характеристикам видимому некогерентному свету, является одним из потенциально чрезвычайно важных каналов получения информации об окружающем мире для датчиков интернета вещей и через них для человека. Ценность этого канала заключается в том, что он позволяет получать визуальную информацию в условиях, когда получение ее в видимом диапазоне не представляется возможным или лимитируется другими причинами.
  Под радиоосвещением понимается искусственно созданное шумовое (шумоподобное) поле широкополосного (сверхширокополосного) некогерентного в пространстве и во времени излучения в радио или микроволновом диапазоне длин волн. Радиоосвещение реализуется с помощью одного или нескольких источников широкополосного (сверхширокополосного) некогерентного микроволнового излучения.
  Полученные результаты свидетельствуют о потенциально широкой области применения искусственного радиоосвещения для разработки систем обеспечения безопасности, досмотра людей, багажа, обнаружения запрещенных опасных скрытых предметов, для контроля качества продукции в промышленности, для обнаружения скрытых объектов, подповерхностной радиотомографии, сейсмологии и в геологии.
  

  

  Изображение актового зала ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН в радиосвете.

• Рассмотрена задача создания сверхширокополосных (СШП) прямохаотических средств связи в метровом и дециметровом диапазоне радиоволн, обсуждаются особенности данного диапазона с точки зрения распространения электромагнитного излучения и оцениваются его потенциальные возможности. Описаны разработанные экспериментальные прямохаотические приемопередатчики диапазона 200…450 МГц, их структура, техническая реализация и характеристики. Приведены результаты лабораторных и полевых испытаний созданных макетов, продемонстрировавших дальности передачи до 1.5 км, что соответствует расчетным характеристикам.

  Публикации:
  
  • Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Ицков В.В., Петросян М.М., Рыжов А.И., Турканов И.Ф. Прямохаотические средства сверхширокополосной беспроводной связи в метровом и дециметровом диапазоне радиоволн // Радиотехника и электроника. 2022, т. 67, №8, с. 797-806.

• Экспериментально доказана возможность практической реализации беспроводной схемы относительной передачи на основе хаотических радиоимпульсов. С этой целью создан макет схемы связи в диапазоне частот 200−500 MHz для передачи двоичной информации и проведены эксперименты с ним. Полученные результаты полностью подтверждают разработанные ранее теоретически принципы функционирования схемы и ее основные свойства.

  Публикации:
  
  • Дмитриев А.С., Мохсени Т.И., Петросян М.М. Экспериментальная реализация относительной схемы беспроводной передачи информации на хаотических радиоимпульсах // Письма в ЖТФ, 2022, т. 48, вып. 18, с. 10-13.

• Предложен подход к фильтрации аддитивной смеси сверхширокополосных хаотического сигнала и белого гауссовского шума с целью извлечения полезного сигнала в приемнике. Роль фильтра выполняет пассивная частотно-избирательная схема, идентичная той, что участвует в формировании колебаний в генераторе хаоса. Разработана математическая модель модулирующего генератора хаоса, обнаруживающего и принимающего последовательность сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов в зашумленном канале. Для приемника последовательностей символов, закодированных хаотическими радиоимпульсами с 2-х и 4-х позиционной модуляцией, численно оценена вероятность ошибки на бит в зависимости от уровня шума и длительности импульса.

  Публикации:
  
  • Kuzmin, L.V.; Efremova, E.V. Filtering and Detection of Ultra-Wideband Chaotic Radio Pulses with a Matched Frequency-Selective Circuit. Electronics 2023, 12, 1324.

• Предложен способ обнаружения непрерывного хаотического сигнала на фоне гауссовского шума путем квантования по четырем уровням амплитуды и сравнения параметров полученной дискретной последовательности с параметрами аналогичной последовательности для незашумленного хаотического сигнала. Разработана схема квантования, обусловленная структурой фазового пространства динамической системы, порождающей хаотический сигнал. Источником хаотического сигнала служит модель радиотехнического генератора с кольцевой структурой. Идентифицируемый хаотический сигнал имеет положительный старший показатель Ляпунова и сплошной спектр мощности. Ключевые слова: хаотические колебания, обнаружение хаотических колебаний, некогерентный прием хаотических сигналов, квантование хаотических колебаний.

  Публикации:
  
  • Кузьмин Л.В. Обнаружение хаотического сигнала на фоне шума путем квантования по нескольким уровням амплитуды в модели радиотехнического генератора хаоса // Письма в ЖТФ, 2022, вып. 11, с. 32.

• Представлены результаты измерений динамики уровня электромагнитного микроволнового излучения, полученные с помощью персональных дозиметров “Мера”, разработанных в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН. Измерения проводились в разных условиях: в России и зарубежных странах, в мегаполисах и курортных зонах, круглосуточно, в городском транспорте и самолетах. Совокупность полученных данных на основе прямых долговременных измерений позволяет судить о реальной электромагнитной микроволновой нагрузке, оказываемой современными средствами мобильной связи на среду, окружающую человека

  Публикации:
  
  • Дмитриев А.С., Ицков В.В., Рыжов А.И. Персональная дозиметрия микроволнового электромагнитного излучения. Долговременные эксперименты с устройством «Мера» // Радиотехника и электроника. 2021. т. 66, №. 1. с. 27-38.

• Рассмотрена возможность создания аналога биологического глаза в радиодиапазоне для наблюдения окружающего пространства в искусственном радиосвете. Как и в биологическом прототипе, в аналоге имеется система чувствительных элементов (сетчатка), фокусирующий элемент типа линзы и совокупность слабонаправленных антенн, на которые осуществляется первичный прием шумоподобного сверхширокополосного излучения. Предложено экспериментальное устройство рассматриваемого типа и показана работоспособность предлагаемого технического решения.

  Публикации:
  
  • Dmitriev A.S., Efremova E.V., Ryzhov A.I., Petrosyan M.M., Itskov V.V. Artificial radio lighting with sources of microwave dynamic chaos // Chaos. 2021. vol. 31, p. 063135

• Предложена методика увеличения точности измерения расстояния при помощи сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов, предназначенная для применения в беспроводных сенсорных сетях. В результате проведенных экспериментальных стендовых исследований показано, что уровень относительной ошибки измерения расстояния находится в пределах 5-9%.

  Публикации:
  
  • Ефремова Е.В., Кузьмин Л.В. Измерение мощности сверхширокополосного хаотического сигнала для решения задач определения расстояния и позиционирования // Письма в Журнал технической физики. 2021. т. 47, № 10. С. 30-34

• Описываются результаты эксперимента по определению времени распространения сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов через беспроводный канал c многолучевым распространением в диапазоне частот от 3 до 5 GHz. Проведена оценка точности измерения времени распространения сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов по их огибающей для решения задачи измерения расстояния между объектами и их локализации в пространстве в промышленных и офисных помещениях.

  Публикации:
  
  • Кузьмин Л.В., Ефремова Е.В. Эксперимент по определению времени прохождения сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов через многолучевой канал // Письма в ЖТФ. 2020, т. 46, вып. 16, с.23-27.

• Решается задача слепого обнаружения сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов сверхвысокочастотного диапазона, прошедших через канал с многолучевым распространением. На основе результатов измерений распространения сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов в реальном беспроводном канале предлагается метод их обнаружения, не подверженный влиянию межимпульсной интерференции.

  Публикации:
  
  • Кузьмин Л.В., Гриневич А.В., "Способ слепого обнаружения сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов на фоне межимпульсной интерференции" // Письма в ЖТФ, 2019, том 45, вып. 16, стр. 33-36, 26 августа

Сотрудники лаборатории постоянно ведут работу по вовлечению студентов в работу лаборатории. Студенты МФТИ, МГТУ им. Н.Э.Баумана выполняют дипломные проекты под руководством сотрудников лаборатории. Некоторые из них впоследствии стали сотрудниками ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН.


В лаборатории выполняются гранты РНФ:
1. «Позиционирование мобильных объектов внутри помещений на основе сверхширокополосных хаотических сигналов». руководитель Ефремова Елена Валериевна
2. «Новые методы получения информации об окружающей среде при помощи сверхширокополосного электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона», руководитель Рыжов Анотон Игоревич
3. «Методы когерентного формирования пространственно-временной структуры сверхширокополосных сигналов для задач передачи и обработки информации в беспроводных сетях», руководитель Кузьмин Лев Викторович