Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

ТЕХНОЛОГИЯ, В ВОЗМОЖНОСТИ КОТОРОЙ ТРУДНО ПОВЕРИТЬ

Кандидат технических наук Р. НЕСТЕРОВ.

В России разработаны уникальные электронные устройства и технологии их применения, особенно в принципиально новой системе мобильной связи. Данная разработка в области электроники и информатики имеет не просто мировое, но революционное значение.

НЕМНОГО ИСТОРИИ

Представьте себе конструктора электронных устройств времен расцвета ламповых технологий, которому показали транзистор. И кратко описали его преимущества: миниатюрность, низкое потребление энергии, возможность работать от низковольтного источника. Наверное, этот славный парень присвистнул бы, выразительно постучал согнутым пальцем по виску и вернулся к своим любимым шкафам, полным таинственно мерцающими лампами, огромным и теплым, увитым толстыми кабелями, близким и понятным, как букварь. К радиостанциям - возимым или с трудом носимым, к электронно-вычислительным машинам, плотно занимающим небольшой особнячок и управляющим системам высшей степени миниатюрности весом десятки килограммов.

Но, к счастью, творцы и изобретатели сумели переломить инерцию мышления. И мы слушали карманные приемники и смотрели телевизоры, пролезающие даже в неширокую дверь. ЭВМ уже помещались в нескольких комнатах и не требовали отдельной электростанции. Что-то куда-то летало, имея возможность помимо системы управления прихватить и пару предметов полезной нагрузки. А радиотелефон не без успеха удалось упаковать в дипломат.

Однако прогресс не стоял на месте. И как-то раз очередному конструктору, только что успешно разместившему на одном квадратном сантиметре печатной платы десять транзисторов, предложили микрочип того же размера, но содержащий миллион этих самых транзисторов. Полагаю, что его палец повторил известное действие. Но напрасно: новая технология уже набирала обороты.

И мы получили главные признаки современности - персональный компьютер, мобильный телефон и многое другое, включая огромную массу компактных и эффективных устройств от игрушки до ракеты. Произошел колоссальный научный и технологический рывок, решающий и принципиальный. Кстати, создатель первого микрочипа осенью прошлого года был удостоен Нобелевской премии (см. "Наука и жизнь" № 12, 2000 г.). И все? Нет не все. Мысль не может остановиться. И она предложила технологию сверхкороткого импульса, успешно разрешающую назревшие проблемы развития, особенно в области связи, где всегда доминировал принцип синусоидального сигнала. И, значит, отвечающую критерию общественной пользы, что, по мнению Генри Форда, и служит главным условием успеха.

Вся современная беспроводная связь началась с реагирующих на действие атмосферного электричества железных опилок. А в наши дни мобильный телефон, например, уже давно не роскошь и даже не признак респектабель ности. Это удобный и необходимый аппарат, знакомый и доступный многим. Как знакомы и разнообразные сопутствующие проблемы: переполнение диапазона многочисленными абонентами и невозможность обеспечить конфиденциальность передаваемой информации, помехи при работе среди многочисленных, плотно стоящих зданий. Не говоря уже о не вовремя загорающемся, как всегда, сигнале "разряд".

Со времен создания первого "беспроволочного" радио суть процесса не менялась - непрерывная синусоидаль ная волна определенной частоты подвергалась частотной или амплитудной модуляции. Прогресс касался лишь технических усовершенствований. И эта технология на сегодняшний день практически себя исчерпала - достигнут предел как по количеству передаваемой информации и числу каналов связи, так и по возможности миниатюризации компонентов, обеспечивающих разделение частот. Чем же поможет нам новая идея?

ТЕХНОЛОГИЯ СВЕРХКОРОТКОГО ИМПУЛЬСА

Расскажем вкратце об этой технологии. 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. Как же происходит передача информации?

Как уже говорилось выше, мы знаем два основных типа кодирования, или, по-научному, модуляции, радиосигна ла - амплитудная и частотная, знакомые по обозначениям на приемнике - АМ и FМ. Первая проще в исполнении, вторая позволяет обрабатывать сравнительно больший объем информации, так как определенные ограничения налагаются и законами физики, и возможностями техники. И тем более эти методы неприменимы к сверхкоротким импульсам, которые уже не электромагнитная волна, а лишь простейший ее элемент. Значит, пришлось создавать новый метод.

ВРЕМЕННАЯ МОДУЛЯЦИЯ

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

Такой сигнал не может быть перехвачен и расшифрован. Значит, полностью гарантирована конфиденциальность информации. Он 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 беспровод ных, 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.

ТЕХНОЛОГИЯ УСПЕХА

Давно известно, что даже самые замечательные идеи и проекты безвременно и трагически погибают при первом же контакте с суровой правдой жизни. Жесточайший естественный отбор, будучи, с одной стороны, двигателем прогресса, с другой - существенно ограничивает возможность возникновения новых технологий, в особенности революционно меняющих наши представления и взгляды. Но во все времена встречались люди, отмеченные особым даром видеть новое, верить в него и побеждать. Такими были великие изобретатели и творцы. А может, и не слишком великие, но все равно внесшие свой вклад в развитие человечества.

Предлагаемая технология, безусловно, относится к революционным, ибо принципиально расширяет наши возможности, причем в широчайшем спектре применений. Она уже далеко ушла от сырой идеи; первые, самые тяжелые, этапы прошли сами изобретатели. Возможно, когда-нибудь о них напишут толстые книги и человечество узнает о всех перипетиях этой борьбы, как знаем мы сейчас о Попове, Морзе и Маркони. Но это время еще не пришло, потому что настоящая борьба только начинается...

Создатели технологии временной модуляции в сверхширокополосном диапазоне живут и работают в США. Компания "Time domain" и ее основатель Larry Fullerton начали 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.

И это не просто интересная технология. Это возможность реально ликвидировать огромное ("навсегда", по мнению скептиков) отставание России в области электроники, информатики, связи, безусловно, самой динамичной и важной в современных условиях.

В настоящее время направление развивает небольшая группа специалистов высочайшей квалификации компании "Импульсные системы", объединившая создателей и их самых надежных сподвижников. Получены патенты, созданы действующие образцы, готовы к использованию производственные мощности, продолжаются научные разработки и эксперименты. Хорошие контакты установлены с потенциальными партнерами из-за океана. И есть твердое желание довести дело до конца и доказать наконец всему миру и самой России, что наша сила не в нефтяной трубе, а в талантливых людях. И далеко не все из них уже отбыли в дальние края.

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 сверхчувствитель ные сенсоры для систем безопасности, охранной сигнализации, сверхточная система определения координат и расстояний с точностью до сантиметра.

И еще один немаловажный фактор. Мы привыкли, что более качественные изделия сложней и дороже. Особенности предлагаемой технологии состоят еще и в том, что реализующие ее устройства принципиально дешевле и проще традиционных. Например, ни передатчик, ни приемник не нуждаются в мощном усилителе и соответствую щем источнике питания, сложных и объемных частотных фильтрах. Существенно проще конструкция антенны. При наличии необходимых микрочипов (а они есть) сборка и наладка предельно просты. Причем все вышеперечислен ные особенности и области применения обусловлены и гарантированы самой физической сущностью лежащих в основе технологии законов природы. Их надо только умело использовать.

Итак, что мы имеем в итоге?

Уникальную технологию, в возможности которой трудно поверить. Но она объективно востребована ходом научно-технического развития и дает России еще одну возможность войти в мировую кооперацию создателей и держателей высоких технологий полноправным членом.


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Наука. Дальний поиск»

Детальное описание иллюстрации

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).
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 (10<SUP>9</SUP> Гц). Его спектр неотличим от обычного шума, из которого, однако, можно выделить сигнал передатчика.
Если радиоимпульсы сделать совсем короткими, порядка 500 пикосекунд (1 пс = 10<SUP>-12</SUP> 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).
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.