Энергосберегающие микроэлектронные устройства формирования и приёма сверхширокополосных сигналов для систем мониторинга работы двигателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат наук Ху Босюн

• Ху Босюн
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Ху Босюн

Введение

Глава 1. Принципы построения беспроводных систем мониторинга работы двигателей

1.1. Основные требования, которым должна удовлетворять беспроводная система мониторинга работы двигателей

1.2. Обоснование структурной схемы системы мониторинга работы двигателя

1.3. Требования к электропитанию системы мониторинга двигателя

1.4. Особенности приёмо-передающего устройства

1.5. Выбор типа сигналов и модуляции

1.6. Развитие и современное достижение технологии генерирования сверхширокополосных сигналов

1.7. Узкополосные помехи в беспроводных сетях мониторинга работы двигателей

1.8. Особенности канала передачи пакетов сообщений в сверхширокополосных сенсорных сетях

1.9. Элементная база построения устройств формирования и приёма сверхширокополосных сигналов

1.10. Цель и задачи работы

Глава 2. Энергоэффективный генератор наносекундных импульсов

2.1. Типичные устройства генерирования наносекундных импульсов на основе ступенчатого восстанавливающего диода

2.2. Исследование влияния параметров схемы генерирования

2.3. Выводы по Главе

Глава 3. Исследование квадратичного фильтра, применяемого в системах беспроводного мониторинга для фильтрации узкополосных помех

3.1. Концепция некогерентного приёма с энергетическим обнаружением

3.2. Принципы приёма сверхширокополосных сигналов с подавлением узкополосной помехи с помощью квадратичного фильтра

3.3. Имитационная модель приёма сверхширокополосных сигналов с подавлением узкополосных помех с помощью квадратичного фильтра

3.4. Выводы по Глава

Глава 4. Экспериментальные исследования приёма сверхширокополосных сигналов с подавлением узкополосных помех с помощью квадратичного фильтра

4.1. Проектирование передающего модуля

4.2. Проектирование приёмного модуля

4.3. Выводы по Главе

5. Выводы по работе

Список литературы

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Энергосберегающие микроэлектронные устройства формирования и приёма сверхширокополосных сигналов для систем мониторинга работы двигателей»

Введение

Системы мониторинга энергетических установок, в частности, беспроводные сенсорные сети работы автомобильных, тепловозных и авиационных двигателей, как правило, характеризуются сверхмалым энергопотреблением аппаратуры, минимальными габаритами и стоимостью. Использование беспроводных технологий в этих системах позволяет сократить общий вес системы мониторинга, снизить время ремонтного обслуживания двигателя, увеличить число сенсоров и сделать независимое энергопотребление, что бывает важным в критических ситуациях. Однако на современном этапе развития технологий появляются новые ограничения для систем мониторинга двигателей. Требуется обеспечить возможность построения микроэлектронных интегральных передающих сенсоров, которые можно устанавливать в труднодоступных местах двигателя. Такие сенсоры не должны иметь индуктивных элементов, что существенно ограничивает выбор сигналов для передачи информации. Из-за невозможности (труднодоступные места двигателя) использования сменных элементов питания требуется переход к использованию термоэлектрических генераторов, которые могут обеспечить лишь сверхмалую мощность питания передающих сенсоров. Наконец, особенностью использования системы мониторинга двигателей является то, что имеется большое число как узкополосных помех (цифровое телевидение, Wi-Fi и пр.), изменяющихся по диапазону частот, так и преднамеренных узкополосных помех, которые могут заблокировать работу всей системы мониторинга. Учитывая эти обстоятельства, были выбраны для системы мониторинга сверхширокополосные сигналы наносекундной длительности без несущего колебания.

Беспроводные системы мониторинга двигателей имеют локальный объем и не требуют передачи данных на большие расстояния между передающими и приемными устройствами сенсорной сети. Более того, эти расстояния не превышают нескольких десятков сантиметров, что позволяет использовать систему импульсных сигналов сверхмалой длительности без несущего

колебания. Такие сигналы представляют собой наносекундные импульсы (технология UWB), которые занимают довольно большой частотный диапазон от 3 ГГц и более [22-25]. При этом часто используется схема модуляции OOK (On-Off Keying). Передающие и приемные устройства имеют небольшие габаритны и обеспечивают высокую достоверности приема пакетов сообщений при передаче на небольшие (до 1 метра) расстояния. Использование таких сигналов позволит существенно сократить энергетические затраты на передачу пакетов сообщений и обеспечить возможность интегрального исполнения устройств сенсорной сети. Практическая реализация технологии UWB позволяет обеспечить низкое энергопотребление и предусматривает возможность микроминиатюризации исполнения передающих и приемных устройств из-за отсутствия узлов преобразования частоты и индуктивных полосовых фильтров.

Первая работа по генераторам импульсных сигналов на основе ступенчатого восстанавливающего диода была опубликована в 1969 г. Моллом и Гамильтоном [9]. Также на основе ступенчатого восстанавливающего диода в 2005 г. C. Nguyen и J. Han разработали генератор импульсных сигналов с регулируемой длительности импульса [10]. В 2010 г. был предложен сверхширокополосный однопериодный импульсный сигнал, генерируемый с помощью прямоугольного триггера с триггерной частотой 10 МГц. Амплитуда импульсного сигнала могла варьироваться в диапазоне 200-500 мВ при длительности импульса 400 пс, 540 пс, 850 пс, 875 пс [11]. Также в 2010 г. был разработан униполярный импульсный сигнал длительностью 110 пс с амплитудой 7,5 В при использовании прямоугольной волны с частотой 5 МГц в качестве сигнала возбуждения [12]. В 2014 г. А. Камал, А. Бхаттачарья и другие [13] предложили генератор однопериодных импульсных сигналов на основе технологии одноканальной микрополосковой линии и фильтра высоких частот, способный работать на разных частотах возбуждения.

При разработке генераторов сверхширокополосных импульсных сигналов в основном применяется технология интегральных схем на основе оксидных полупроводников (КМОП). Это связано с развитием импульсных систем беспроводной связи малого радиуса действия, с простотой управления формами импульсов и взаимосвязью с другими микросхемами на кристалле. В 2010 г. М. Крепальди, Л. Чен и другие представили приемопередающий модуль, разработанный с использованием КМОП 90 нм. Данный модуль имеет рабочую

частоту 3,8 ГГц и генерирует импульс длительностью 2 нс и амплитудой 610 мВ, при этом общий КПД передающей части достигает 10.4% [39].

В 2011 г. Y. Park и D. Wentzloff разработали передающий модуль с рабочей частотой 3,1-5,0 ГГц, амплитудой генерируемого импульса 91 мВ, длительностью импульса 2,8 нс на основе 65-нм технологии КМОП. Энергопотребление такого передатчика составило 12 пДж/импульс при скорости передачи 50 Мбит/с и КПД излучения 0,5% [40]. В этом же году С. Сольда и М. Карузо разработали входной каскад приемопередатчика технологии UWB-IR, используя технологию КМОП 0,13 мкм. Выходной импульс имеет амплитуду 2 В и длительность менее 2 нс. Энергопотребление составило 13 пДж/импульс при рабочем КПД радиопередатчика около 7% [15].

Современные методы проектирования микроэлектронных устройств формирования и приема сверхширокополосных сигналов позволяют получить дальнейшее снижение показателей энергопотребления и упрощение схемотехнических решений при разработке генераторов и приемников сверхширокополосных импульсных сигналов на основе МОП-транзисторов. В данной работе будет рассмотрена методика расчета, проектирования и моделирования генераторов и приемников сверхширокополосных импульсных сигналов, обеспечивающих амплитуду импульса более 10 В, длительность 2 нс при рабочем КПД радиопередатчика свыше 15%.

Одной из проблем при приеме сверхширокополосных сигналов является то, что в рассматриваемый частотный диапазон до 3 ГГц и более попадают сигналы от других систем передачи информации (сотовая связь, WiFi и т.д.), которые могут создавать помехи при приеме пакетов сообщений системы мониторинга энергетических установок. В последние годы было проведено много исследований по разработке технологий борьбы с такими узкополосными помехами [26-31]. Большинство исследований основаны на методах применения цифровых режекторных фильтров. Для применения таких методов принимаемые сверхширокополосные сигналы должны быть оцифрованы аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) с высокой частотой дискретизации. Однако это требует соответствующего увеличения энергопотребления устройств приема, их габаритов, что становятся менее привлекательными для рассматриваемых систем мониторинга двигателей. Использование аналоговых режекторных фильтров является еще одним традиционным методом снижения влияния

узкополосной помехи на качество приема пакетов сообщений [29]. Для применения таких фильтров необходимо иметь априорные знания частотного расположения узкополосных помех, что не всегда реализуемо. Следовательно, эффективность снижения влияния узкополосных помех на качество приема пакетов сообщений при использовании банков аналоговых режекторных фильтров далека от оптимальной.

В 2008 году в [5] был предложен новый метод режекции узкополосной помехи. При использовании этого метода режекции помехи применяется нелинейное устройство, называемое оператором Teager-Kaiser. Процедура обработки помехи происходит следующим образом. Сначала спектр узкополосной помехи смещается в область нулевых частот, а затем удаляется с помощью фильтра высокой частоты. Идея этого метода может быть положена в основу применения метода режекции узкополосных помех с помощью квадратичного фильтра.

В основе этого метода лежит концепция нелинейного сдвига частоты узкополосных помех, основанная на применении устройства с квадратичным законом изменения какого-либо параметра работы (например, полупроводниковый элемент с нелинейным квадратичным участком вольт-амперной характеристики, аналоговый перемножитель, на оба входа которого поступает анализируемый процесс). Заменив оператор Teager-Kaiser таким нелинейным устройством, с фильтром низкой частоты (для фильтрации продуктов нелинейного преобразования помех), можно достичь тех же характеристик снижения влияния узкополосных помех на прием полезных сигналов, что и метод с использованием оператора Teager-Kaiser.

Трудность реализации устройства с квадратичным законом изменения вольт-амперной характеристики является одной из причин, ограничивающих применение таких устройств. В работе будет предложена методика расчета и практическая реализация квадратичного нелинейного устройства на основе аналогового перемножителя ADL5391. Применение такой схемы режектирования узкополосной помехи позволило получить высокие уровни подавления сигналов различных систем: Wi-Fi; цифрового телевидения и мобильной связи.

Объектом исследования в работе являются генераторы сверхширокополосных сигналов, имеющих наносекундную длительность и не

имеющих несущего колебания, а также квадратурные микроэлектронные фильтры для борьбы с узкополосными помехами.

Предметом исследования методика построения, моделирование и экспериментальное исследование работы генератора наносекундных импульсов и квадратурного фильтра, обеспечивающего режекцию узкополосных помех от цифрового телевидения, радиовещания мобильной связи и сетей Wi-Fi.

Целью диссертационных исследований является разработка методики расчета и реализация микроэлектронных устройств формирования и приема сверхширокополосных сигналов на основе наносекундных импульсов для передачи сообщений в системах мониторинга работы двигателей в условиях узкополосных помех

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач.

• Разработать методику построения генератора наносекундных импульсов, не зависящего от формы и длительности импульсов возбуждения, с минимальным энергопотреблением.

• Выполнить моделирование схемы генерирования наносекундных импульсов и определить параметры этой схемы, обеспечивающие заданные характеристики импульсов и минимальное энергопотребление.

• Разработать и провести экспериментальные исследования устройства генерирования наносекундных импульсов с удвоением амплитуды и определить их характеристики в зависимости от времени нарастания и спада импульсов возбуждения.

• Развить методику, провести анализ и выполнить моделирование схем режекции узкополосных помех, расположенных в произвольных участках спектра полезного сигнала с учетом минимизации энергопотребления микроэлектронных устройств.

• Выполнить экспериментальные исследования передачи сообщений с помощью сверхширокополосных сигналов при наличии узкополосной помехи от локальной сети Wi-Fi.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы.

Во введении сформулирована актуальность и новизна темы исследования,

определены цель и основные задачи исследования, описана структура диссертационной работы и приведены сведения о практическом внедрении результатов диссертации.

В первой главе рассмотрены основные требования, которым должна удовлетворять беспроводная система мониторинга двигателей и обоснована её структурная схема, сформулированы требования к электропитанию системы мониторинга, рассмотрены особенности приёмо-передающего устройства, используемые сигналы и виды модуляции, дан обзор современных достижений технологии генерирования сверхширокополосных импульсов, рассмотрено влияние узкополосных помех, проанализированы особенности канала передачи пакетов сообщений в сверхширокополосных сенсорных сетях, рассмотрена элементная база построения устройств формирования и приёма сверхширокополосных сигналов.

Вторая глава посвящена исследованию функционирования энергоэффективного генератора наносекундных импульсов: рассмотрены типичные устройства генерирования наносекундных импульсов на основе ступенчатого восстанавливающего диода и исследовано влияние параметров схем генерирования.

В третьей главе проведены исследования квадратичного фильтра, применяемого в системах беспроводного мониторинга для фильтрации узкополосных помех с помощью нелинейного устройства, называемого оператором Теа§ег-Ка1Бег. На основе имитационного моделирования проанализировано качество режекции узкополосных помех различной природы.

Четвёртая глава посвящена экспериментальному исследованию приёма сверхширокополосных сигналов с подавлением узкополосных помех с помощью квадратичного фильтра. Рассмотрены структуры передающего и приёмного модулей, получены экспериментальные зависимости вероятности ошибок от отношения сигнал-шум при наличии узкополосной помехи.

В заключении сформулированы основные выводы по работе.

Глава 1. Принципы построения беспроводных систем мониторинга работы двигателей

1.1. Основные требования, которым должна удовлетворять беспроводная система мониторинга работы двигателей

Как и всякая система мониторинга [1-2], беспроводная система мониторинга работы двигателя должна обеспечивать получение информации об объекте мониторинга в необходимом количестве и качестве с целью реализации его технического состояния. Далее по результатам наблюдения системы мониторинга при необходимости осуществляется управляющее воздействие, приводящее или, наоборот, выводящее объект в необходимое состояние.

При построении системы мониторинга следует использовать минимально необходимое число сенсоров (датчиков), способное обеспечить наблюдаемость технического состояния, и минимально необходимое число процедур обработки выходных сигналов сенсоров (обнаружения, фильтрации, коррекции и др.). Задачей работы сенсоров является формирование набора диагностических признаков (параметров), которые должны быть инварианты к конструкции диагностируемого оборудования. В том случае, когда наблюдаемым объектом является двигатель, важными являются как электрические (ток, напряжение частота питающей сети), так и неэлектрические параметры: уровень вибрации, состояния подшипников, температура поверхности и др.

Большинство сенсоров - это беспроводные микроэлектромеханические системы (МЭМС), работающие по принципу "интеллектуальной пыли", т.е. размер сенсоров много меньше размера наблюдаемого объекта, но при этом каждый сенсор способен обеспечить сбор, первичную обработку и передачу информации в сеть. Сетевая топология представляет собой линейный массив или "звезду" или гибридную ячеистую структуру, в которой все узлы маршрутизаторов (роутеров) не обязательно должны быть постоянно активными: они могут быть запрограммированы так, чтобы "проснуться", собрать и передать информацию (например, через регулярные промежутки времени), а затем снова отключиться с целью экономии электроэнергии.

а)

Рис. 1.1. Варианты

Практика эксплуатации систем мониторинга двигателей показывает, что ввиду конструктивной сложности реализации все сенсоры целесообразно разделить на две группы. Первая группа - термопары, измеряющие температуру двигателя, реализуются в виде автономных узлов сети передачи данных, оборудованных встроенными источниками электропитания. Во вторую группу относят все остальные сенсоры; их с помощью кабелей собирают в одном месте, переводят в цифровую форму и передают соответствующую информацию с помощью общего передатчика. Такое решение позволяет облегчить конструкцию системы и уменьшить число антенных систем.

Блок сбора информации отвечает за обработку сигналов сенсоров. На вход устройства могут поступать аналоговые сигналы, например, с сенсоров физических величин, и логические уровни от различных сигнализаторов. Тип и уровень аналогового сигнала определяется физическими особенностями применяемых сенсоров. Как правило, сигнал мал по амплитуде, и в нем присутствуют нежелательные шумы и помехи. Нормирующий усилитель согласует по амплитуде сигнал первичного преобразователя с входным диапазоном аналого-цифрового преобразователя (АЦП). АЦП осуществляет преобразование напряжения с входного аналогового канала в цифровой код. Далее цифровой код, пропорциональный входному сигналу с датчика, поступает в микроконтроллер.

Датчики температуры представляют собой термопару, выходным параметром которой является напряжение электродвижущей силы (ЭДС), составляющее несколько милливольт, или проволочное сопротивление, величина которого пропорциональна температуре. Для обеспечения требуемой точности необходимо или применение нормирующих усилителей, или

б) в)

топологии сенсорных сетей: звезда (а), дерево (б), mesh (в)

использование специализированных АЦП. Целесообразным представляется использование АЦП, встроенного в микроконтроллер, и нормирующего усилителя, реализованного на операционном усилителе (ОУ) или инструментальном усилителе (ИУ).

Предложенная структура модуля обработки данных позволяет использовать различные варианты реализации беспроводной связи: как с однонаправленным, так и двунаправленным приемо-передатчиком, обычно в диапазоне 2.4 ГГц, что позволяет реализовать обмен информацией в обе стороны, а также использовать беспроводные сенсоры стандарта Bluetooth Low Energy (BLE) и ZigBee. Эта концепция поясняется на рис. 1.2, где сплошной линией отмечены проводные соединения, пунктирной - возможные беспроводные связи.

t

I

Рис. 1.2. Пример использования беспроводных технологий в системе мониторинга автомобильных двигателей

Для диапазона 2,4 ГГц существует несколько стандартизированных протоколов обмена данными, основные это Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi. Сравнение данных протоколов представлено в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Сравнение различных протоколов обмена для частоты 2.4 ГГц

Техническая спецификация Классическ ий Bluetooth Bluetooth Low Energy ZigBee IEEE 802.15.4 6LoWPAN (поверх IEEE 802.15.4) Wi-Fi

Радиочастота 2.4 ГГц 2.4 ГГц 2.4 ГГц 315/433/868/915М Гц 2.4 ГГц

Расстояние <100 м <100 м <100 м <800 м <100 м

Скорость передачи данных по воздуху 1-3 Мб/с 1 Мб/с 250 кб/с 200 кб/с 54 Мб/с

Безопасность 56-128-bit 128-bit AES 32-, 64-, 128-bit AES 128-bit AES 256-bit AES

Задержка (от неподключенног о состояния) 100 мс 6 мс 15 мс 15 мс 100 мс

Потребляемая мощность 1 Вт в качестве исходной От 0,01 Вт до 0,5 Вт (в зависимости от вариантов использован ия) 20-30 мВт 10-30 мВт 1-2 Вт

Максимальный потребляемый ток <300 мА <15 мА <20 мА <20 мА <500 мА

1.2. Обоснование структурной схемы системы мониторинга работы двигателя

На рис. 1.3 представлена типичная структурная схема беспроводной сенсорной сети, включающей в себя распределённые сенсорные узлы, приёмопередающее устройство и интерфейс управления.

Рис. 1.3. Структурная схема беспроводной сенсорной сети

Функционирование беспроводной сенсорной сети осуществляется в соответствии с традиционным межуровневым взаимодействием, охватывающим физический уровень, MAC-уровень, сетевой уровень, уровень передачи и прикладной уровень. Однако в отличии от многих общеупотребительных сетей дополнительно присутствуют специальные модули: модуль управления мощностью, отвечающий за мониторинг энергопотребления, модуль управления мобильности и модуль управления задачами.

Наиболее часто используется беспроводная сеть Zigbee, основанная на стандарте IEEE 802.15.4 [7, 8]. В этой сети можно выделить три ключевых момента:

• низкая цена и малое энергопотребление радиочипов;

• улучшенные источники энергопотребления;

• низкая стоимость датчиков для различных приложений.

При разработке и планировании сети необходимо решить следующие задачи:

• Масштабируемость. Возрастающее число сенсоров представляет дополнительную сложность в организации передачи данных.

• Энергопотребление. Узлы сети имеют ограниченный ресурс энергии, поэтому продление ресурса сети является очень важной проблемой. Главным потребителем энергии является радиопередающая часть сенсора. Минимизация мощности передатчика и избежание лишних сеансов передачи данных может помочь в сохранении энергии.

• Синхронизация. В процессе передачи данных различные узлы сети находятся в режиме постоянного ожидания передачи и потребляют лишнюю энергию, если они не синхронизированы по времени. Так как глобальная синхронизация всей сети является довольно сложной задачей, синхронизация как минимум уровня узел-узел становится необходимостью.

• Оценка канала. Необходимость принятия мер для борьбы с шумами, многолучевым распространение, преднамеренными помехами и межканальной интерференцией.

• Самоорганизация. Когда большое количество узлов сети размещается в удаленном окружении, возможность узлов сети самоорганизовываться становится жизненно необходимым. Также способность к самоорганизации в беспроводные сенсорные инфраструктуры с топологией mesh существенно облегчает монтаж и настройку беспроводных сенсорных сетей при введении их в эксплуатацию, а также гарантирует «живучесть» беспроводной системы при отказе отдельных элементов сети, способствуя, в том числе, увеличению зоны покрытия сенсоров в труднодоступных участках и местах.

Современные беспроводные сенсорные сети промышленного применения представлены следующими технологиями:

• Семейство, использующее физический уровень стандарта IEEE 802.15.4 - ZigBee, 6LoWPAN, WirelessHART и ISA 100.11a;

• EnOcean, ISO/IEC 14543-3-10;

• DASH7, ISO/IEC 18000-7;

• Bluetooth, IEEE 802.15.1;

• ONE-NET.

Все основные сети используют традиционные узкополосные сигналы, строятся по супергетеродинной схеме с преобразованием частоты.

Рис. 1.4 Схема приемника прямого усиления

В случае применения схемы прямого усиления (рис. 1.4) появляется возможность значительно упростить конструкцию приемопередатчика, и как следствие, уменьшить размеры и энергопотребление конечного устройства.

Рассмотрим идеальную ячейковую сеть, представленную на рис. 1.5. В такой сети возможно применение улучшенного, по сравнению с протоколом ZigBee, протокола экономичного потребления энергии.

Рис. 1.5. Беспроводная WSN сеть с включением в нее по ее границам обычных сетей топологии «звезда» с целью экономии энергии

Целесообразно использовать компромисс между полной ячейковой сетью и сетью топологии «звезда». При таком подходе сеть будет представлять собой ячейковую сеть топологии «звезда». Здесь крайние узлы не могут общаться друг с другом, что экономит энергию и сохраняет большую часть преимуществ ячейковой сети.

Управление мощностью (питанием)

Обеспечение адекватной мощности для сенсоров является одной из самых сложных проблем, которая сдерживает использование WSN сетей в промышленных установках. Она решается путем управления питанием, уменьшая потребность в нем, созданием новых физических устройств, таких как

батареи более высокого качества и добавлением батарей и аккумуляторов, а также совершенствованием технологий замены батарей.

Управление питанием является особенно сложной задачей для ячейковых сенсорных сетей, потому что маршрутизаторы должны быть доступны для пересылки сообщений от других узлов, таким образом, экономия энергии, осуществляется переводом их в «спящий режим». Для оптимизации энергопотребления компания Dust Networks предложила использовать ячейковый протокол временной синхронизации ячейковых сетей TSMP (Time Synchronized Mesh Protocol). Этот протокол [16] минимизирует мощность потребления сети путем синхронизации работы узлов в выделенные интервалы времени. Протокол TSMP является основополагающим протоколом экономичного промышленного беспроводного стандарта Wireless HART. Другими компаниями, занимающимися методами управления мощностью (питанием) для WSN сетей являются: Arch Rock Corp, Crossbow Technology Inc, и GreenPeak Technologies.

Протоколы передачи данных

Наибольшее распространение в промышленных сетях получили для большинства WSN сетей протоколы WirelessHART [17] и ISA 100.11a [18]. Эти два протокола (стандарта) широко используются в WSN сетях в обрабатывающей и энергетической промышленности, но потенциал WSN сетей данных стандартов значительно превышает пределы этого прикладного сектора. Многое определяется незначительными различиями в их применении, так как оба этих стандарта являются открытыми и спроектированными для адаптации к разнообразным продуктам и технологиям.

Стандарт WirelessHART имеет следующие особенности.

1. Временную синхронизацию, когда WirelessHART устройства входят во взаимодействие с помощью Time Division Multiple Access (TDMA) во множественный доступ с разделением времени. Каждое WirelessHART устройство устанавливается в синхронный режим со всеми окружающими его устройствами. Все связи «устройство-устройство» осуществляются в заранее запланированное временное «окно», которое позволяет выполнять надежную (без коллизии), энергоэффективную и масштабируемую передачу данных.

2. WirelessHART является самоорганизующейся и самовосстанавливающейся сетью. Это означает, что каждое устройство обладает

возможностью обнаружения работающих соседних сенсоров, способностью измерения высокочастотного сигнала, способностью к синхронизации и скачкообразной перестройке частоты передачи данных и установлению пути и связей с соседними устройствами. Каждое устройство имеет возможность маршрутизации трафика от соседних устройств.

3. Стандарт предусматривает скачкообразную перестройку частоты с расширением спектра в диапазоне 2,4 ГГц ISM. В стандарте WirelessHART осуществляется «перепрыгивание» через 15 частотных каналов с отправлением сообщений на псевдослучайной частоте. В дополнение к этому, WirelessHART использует расширение спектра методом прямой последовательности, что повышает помехозащищённость. Расширение спектра в сочетании со скачкообразной перестройкой частоты объединило два проверенных способа и позволило существенно повысить достоверность передачи данных.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ху Босюн, 2022 год

Список литературы

1. ГОСТ Р ИСО 17359-2015. Контроль состояния и диагностика машин. Общее руководство. - М.: Стандартинформ, 2016.

2. ГОСТ Р ИСО 13374-2015. Контроль состояния и диагностика машин. Обработка, передача и представление данных. - М.: Стандартинформ, 2016.

3. Грехов И.В. Полупроводниковые наносекундные диоды для размыкания больших токов / И.В. Грехов, Г.А. Месяц // Успехи физических наук, 2005. -Т. 175. - № 7.

4. Бобрешов А.М., Китаев Ю.И., Степкин В.А., Усков Г.К. Модель диода с накоплением заряда для анализа схем генерации сверхкоротких импульсов. // Вестник ВГУ. Серия: Физика. Математика. 2021. № 2.

5. Xu Z. M., Nie H., Chen Z. Z., Khani H., Yu L. Nonlinear Blind Narrowband Interference Mitigation for Energy Detection Based UWB Receivers // IEEE Communications Letters. - 2012. - T. 16, № 10. - C. 1596-1599.

7. IEEE 802.15.4-2003 Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs).

8. David E. Culler, Jonathan Hui: 6LoWPAN Tutorial. IP on IEEE 802.15.4 Low-Power Wireless Networks. Arch-Rock, 2011.

9. Moll J, Hamilton S. Physical Modeling of the Pulse and Harmonic Step Recovery Diode for Generation Circuits // Proceeding of the IEEE, Vol.57, No. 7, July 1969, p. 1250-1259.

10. Han J., Nguyen C. Ultra-wideband electronically tunable pulse generators // IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 14, No. 3, March 2004, pp. 112-114.

11. Han L., Huynh C., Nguyen C. Tunable monocycle pulse generator using switch controlled delay line and tunable RC network for UWB systems // IEEE Antennas & Propagation Society International symposium 2010, 10(3): 1-4.

12. Protiva P., Mrkvica J., Machac A, A compact step recovery diode subnanosecond pulse generator // Microwave and Optical Technology Letters. 2010, 52(2): 438-440.

13. Kamal A., Bhattacharya A., Tamrakar M., Roy C. Low-ringing and reduced-cost step recovery diode based UWB pulse generators for gpr application // Microwave and Optical Technology Letters. 2014, 56(10): 2289-2294.

14. Diao S., Zheng Y. An ultra low power and high efficiency uwb transmitter for wpan applications. ESSCIRC 2008-34th European Solid-State Circuits Conference. IEEE, 2008, pp. 334-337.

15. Soldà M., Caruso A., Bevilacqua A., Gerosa D., Vogrig V., Neviani A. A 5 Mb/s UWB-IR transceiver front-end for wireless sensor networks in0.13 цт КМОП // IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 46, no. 7, pp. 1636-1647, Jul. 2011.

16. Pister K. TSMP: Time Synchronized Mesh Protocol. Proc. LASTED Int. Symp. Distributed Sensor Networks, 2008, Orlando.

17. Chen D., Nixon M., Mok A. WirelessHart: Real-Time Mesh Network for Industrial Automation. Springer, 2010.

18. https://isa100wci.org/

19. Коротков А.С. Устройства приема и обработки сигналов. Микроэлектронные высокочастотные устройства радиоприемников систем связи. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та. 2010. 223 с.

20. Гельгор А.Л., Горлов А.И., Попов Е.А. Общая теория связи. Проверка статистических гипотез. Оценивание параметров. Оптимальные приём сигналов. - СП.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013.

21. Перов А.И. Статистическая теория радиотехнических систем. - М.: Радиотехника, 2003.

22. Андриянов, А. В. Система передачи информации с использованием сигма-дельта модулятора и передатчика пачки СШП-импульсов / А. В. Андриянов // Датчики и системы. - 2019. - № 3(234). - С. 19-24.

23. Бондаренко, Д. Л. Использование СШП сигнала для скрытой передачи данных на расстояние / Д. Л. Бондаренко, А. В. Голубев // Наука в России: перспективные исследования и разработки: сборник материалов I Всероссийской научно-практической конференции, Новосибирск, 31 октября - 30 2017 года. -Новосибирск: Общество с ограниченной ответственностью "Центр развития научного сотрудничества", 2017. - С. 98-102.

24. Андриянов, А. В. Оценка эффективности приема пачки СШП импульсов / А. В. Андриянов // Радиолокация, навигация, связь: Сборник трудов XXV Международной научно-технической конференции, посвященной 160-летию со дня рождения А.С. Попова. В 6-ти томах, Воронеж, 16-18 апреля 2019 года. -Воронеж: Воронежский государственный университет, 2019. - С. 185-190.

25. СШП технологии в системах радиодоступа / П. А. Миронов, Д. Ф. Назарян, О. А. Кураленя, С. А. Плоц // Современные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций. - 2018. - № 1. - С. 77.

26. Arias-De-Reyna E., D'Amico A. A., Mengali U. UWB Energy Detection Receivers with Partial Channel Knowledge // 2006 IEEE International Conference on Communications, Vols 1-12. - 2006. - C. 4688-4693.

27. Nemati M. A., Mitra U., Scholtz R. A. Optimum Integration Time for UWB Transmitted Reference and Energy Detector Receivers // MILCOM 2006. - с. 1-7.

28. Sahin M. E., Guvenc I., Arslan H. Optimization of energy detector receivers for UWB systems // Vtc2005-Spring: 2005 IEEE 61st Vehicular Technology Conference, Vols 1-5, Proceedings. - 2005. - C. 1386-1390.

29. Rabbachin A., Quek T. Q. S., Pinto P. C., Oppermann I., Win M. Z. NonCoherent UWB Communication in the Presence of Multiple Narrowband Interferers // IEEE Transactions on Wireless Communications. - 2010. - T. 9, № 11. - C. 33653379.

30. Косичкина, Т. П. Анализ методов подавления узкополосных помех при приеме СШП сигналов / Т. П. Косичкина, В. С. Сперанский // Электросвязь. -2010. - № 3. - С. 17-20.

31. Фролов, А. А. Влияние узкополосных и широкополосных помех на многочастотную импульсную СШП-систему радиодоступа / А. А. Фролов // Электросвязь. - 2014. - № 7. - С. 32-35.

32. Demir U., Bas C., Ergen S. Engine compartment UWB channel model for intravehicular wireless sensor network, IEEE transactions on vehicular technology, Vol. 63, No. 6, Jul 2014, p. 2497-2505.

33. Niu W., Li J., Talty T. Ultra-wideband channel modeling for intravehicle environment. EURASIP J. Wireless Commun. Netw.-Special Issue Wireless Access Veh. Environ., Vol. 2009, p. 1-12, Jan. 2009.

34. Tian Xia, Anbu Selvam, Dryver Huston. A high-performance low-ring ultrawideband monocycle pulse generator. IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, Vol. 61, No. 1, Jan 2012, pp. 261-266.

35. Semih Ramazanowglu, Gunhan Dundar, Okan Zafer Batur. Design and comparison of low power pulse combining IR-UWB transmitters in 180nm CMOS, PRIME 2019, Lausanne, Switzerland, pp. 97-100.

36. Jian Zhang, Antti Raisanen. A New Model of Step Recovery Diode for CAD. IEEE MTT-S Digest, 1995, pp. 1459-1463.

37. Pourbagheri S., Mayaram K., Fiez T. A Noise-Reducing 0.48 nJ/bit Interference-Robust Non-Coherent Energy Detection IR-UWB Receiver for Wireless

Sensor Networks. IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest (MTT),

2-7 June 2013, Seattle, WA, USA.

38. Turguner C., Sahingoz O. The Study of Experimental Data Transmission in Wireless Sensor Networks. 23nd Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU), Malatya, Turkey.

39. Crepaldi M., Li C., Dronson K., Fernandes J., Kinget P. An Ultra-Low-Power interference-robust IR-UWB transceiver chipset using self-synchronizing OOK modulation. 2010 IEEE International Solid-State Circuits.

40. Park Y., Wentzloff D. D. An All-Digital 12 pJ/Pulse IR-UWB Transmitter

Synthesized From a Standard Cell Library // Ieee Journal of Solid-State Circuits. -2011. - T. 46, № 5. - C. 1147-1157.

41. Коротков А. С., Лобода В. В. Моделирование и экспериментальное исследование термоэлектрических генераторов // Электронная техника. Серия 3. Микроэлектроника, 2016, 1(161). С. 54-58.

42. Geppert B., Groeneveld D., Korotkov A., Loboda V., Feldhoff A. Finite-Element Simulations of a Thermoelectric Generator and Their Experimental Validation // Energy Harvesting and Systems. 2015. 2(1). P. 94-105.

43. S. C.-Bautista, A. Eladawy, A. N. Mohieldin, E. S.-Sinencio, Boost Converter With Dynamic Input Impedance Matching for Energy Harvesting With Multi-Array Thermoelectric Generators. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014. Vol. 61, Issue 10, P.: 5345-5353.

44. C. Veri, L. Francioso, M. Pasca, C. D. Pascali, P. Siciliano, S. D'Amico, An 80 mV Startup Voltage Fully Electrical DC-DC Converter for Flexible Thermoelectric Generators. IEEE Sensors Journal, 2016. Vol. 16, Issue 8, P. 2735-2745.

45. P.-H. Chen, P. M.-Y. Fan, An 83.4% Peak Efficiency Single-Inductor Multiple-Output Based Adaptive Gate Biasing DC-DC Converter for Thermoelectric

Energy Harvesting. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2015. Vol. 62, Issue 2, P. 405-412.

46. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985.

47. Chandrakasan, A. Trends in low power digital signal processing / A. Chandrakasan, R. Amirtharajah, J. Goodman, W. Rabiner // Proceedings of the 1998 IEEE International Symposium on Circuits and Systems. - 1998. - P. 604-607.

48. Amirtharajah, R. Self-Powered Signal Processing Using Vibration-Based Power Generation / R. Amirtharajah, A.P. Chandrakasan // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 1998. - Vol. 33. - No. 5. - P. 687-695.

49. Sauerbrey, J. A 0.5-V 1-p.W successive approximation ADC / A. Sauerbrey, D. Schmitt-Landsiedel, R. Thewes // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 2003. -Vol. 38.-P. 1261-1265.

50. Amirtharajah, R. Circuits for Energy Harvesting Sensor Signal Processing / R. Amirtharajah, J. Wenck, J. Collier, J. Siebert, B. Zhou // DAC 2006, San Francisco, California, USA. - 2006. - P. 639-644.

51. Lee, H.-S. Analog-to-Digital Converters: Digitizing the Analog World / H.-S. Lee, C. G. Sodini // Proceedings of the IEEE. - 2008. - Vol. 96. - No. 2. - P. 323-334.

52. Chandrakasan, A.P. Next Generation Micro-power Systems / A.P. Chandrakasan, D.C. Daly, J. Kwong, Y.K. Ramadass // 2008 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers. - 2008. - P. 2-5.

53. Vullers, R.J.M. Micropower energy harvesting / R.J.M. Vullers, R. van Schaijk, I. Doms, C. Van Hoor, R. Mertens // Solid-State Electronics. - 2009. - Vol. 53.-P. 684-693.

54. Soykan, O. Power sources for implantable medical devices / O. Soykan // Business Briefing: Medical Device Manufacturing & Technology. - 2002. - P. 76-79.

55. Kamarudin, S. Overview on the challenges and developments of micro-direct methanol fuel cells (DMFC) / S. Kamarudin, W. Daud, S. Ho, U. Hasran // J. Power Sources. -2007. - Vol. 163. - P. 743-754.

56. Friedman, D. A low-power CMOS integrated circuit for field-powered radio frequency identification / D. Friedman, H. Heinrich, D-W. Duan // Proceedings of the 1997 IEEE Solid-State Circuit Conference. - 1997. - Vol. 474. - P. 294-295.

57. Shockley, W. Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells / W. Shockley, H. Queisser // J. Appl. Phys. - 1961. - Vol. 32. - P. 510-519.

58. Doshi, P. Modeling and characterization of high-efficiency silicon solar cells fabricated by rapid thermal processing, screen printing, and plasma-enhanced chemical vapor deposition / P. Doshi, J. Mejia, K. Tate, A. Rohatgi // IEEE Trans, on Electron Devices. - 1997. - Vol. 44. - No. 9. - P. 1417-1423.

59. Raghunathan, V. Design Considerations for Solar Energy Harvesting Wireless Embedded Systems / V. Raghunathan, A. Kansal, J. Hsu, J. Friedman, M. Srivastava // 4 IEEE-ACM International Conference on Information Processing in Sensor Networks.-2005.

60. Rowe, D. Miniature low-power high-voltage thermoelectric generator / D. Rowe, D. Morgan, J. Kiely // Electronics Letters. - 1989. - Vol. 25. - No. 2.

61. Stordeur, M. Low Power Thermoelectric Generator - self-sufficient energy supply for micro systems / M. Stordeur, I. Stark // 16th International Conference on Thermoelectrics. - 1997. p. 575-577.

62. Veld, B. Harvesting mechanical energy for ambient intelligent devices / B. Veld, D. Hohlfeld, V. Pop // Inf. Syst. Front. - 2009. - Vol. 11. - p. 7-18.

63. Stephen, N.G. On energy harvesting from ambient vibration / N.G. Stephen // Journal of Sound and Vibration. - 2006. - Vol. 293. - p. 409-125.

64. Beeby, S.P. Energy harvesting vibration sources for microsystems applications / S.P. Beeby, M.J. Tudor, N.M. White // Meas. Sei. Technol. - 2006. -vol. 17. - p. 175-195.

65. Horowitz, S.B. A MEMS acoustic energy harvester / S.B. Horowitz, M. Shep-lak, L.N. Cattafesta, T. Nishida // J. Micromech. Microeng. - 2006. - Vol. 16. - p. 174181.

66. Bouvier, J. A smart card CMOS circuit with magnetic power and communications interface / J. Bouvier, Y. Thorigne, S. Abou Hassan, M.J. Revillet, P. Senn // Proceedings of the 1997 IEEE Solid-State Circuit Conference. - 1997. - Vol. 474. - p. 296-297.

67. Иммореев И.Я. Сверхширокополосные радары: новые возможности, необычные проблемы, системные особенности // Вестник МГТУ, №4, 1998, -с. 25-56.

68. Siwiak K., Withington P., Ultrawideband radios set to play // Electronics times, February 26, 2001.

69. Fontana R.J., Recent System Applications of Short-Pulse Ultra-Wideband (UWB) Technology // IEEE Transactions on microwave theory and techniques, vol.

52, № 9, September 2004.

70. Federal Communications Commission (USA), Revision of Part 15 of the Commission's Rules Regarding Ultra-Wideband Transmission Systems. First Report and Order. - FCC 02-48, April 22, 2002.

71. Federal Communications Commission (USA), Radio frequency devices. - 47 CFR, Part 15, October 01, 2003.

72. IEEE P802.15-03/268r2. Multi-band OFDM Physical Layer Proposal for IEEE 802.15 Task Group 3a. - IEEE, 10 November, 2003.

73. PulsON Technology Overview. - Time Domain Co., July, 2001.

74. Win M.Z., Scholtz R.A. Impulse radio: how it works. - IEEE Communications Letters, vol. 2, No 1, 1998.

75. Шахнович И. Сверхширокополосная связь. Второе рождение? // Электроника: НТБ, 2001, №4, с. 8-15.

76. Lohmeier S.P., Rajaraman R., Ramasami V.C., Development of an ultrawideband radar system for vehicle detection at railway crossings. - IEEE Conference UWBST, May 2002.

77. R.A. Fleming, C.E. Kushner. Spread spectrum localizers. - US Patent 5748891, May 5, 1998. - 1998. - pp. 75.

78. Scholtz R.A., Multiple Access with Time-Hopping Impulse Modulation. -MILCOM 1993.

79. Cramer J.M., Scholtz R.A., Win M.Z., On the analysis of UWB communication channels Military Communication Conference. - Milcom, vol. 2, pp. 1191-1195, 1999.

80. Белкин В.С., Шульженко Г.И., Формирователи мощных наносекундных и пикосекундных импульсов на полупроводниковой элементной базе. -Новосибирск, 1991.

81. Ghavami M., Michael L.B., Kohno R., Hermite function based orthogonal pulses for ultra wideband communication. - труды конференции WPMC 2001.

82. Ghavami M., Michael L.B., Generation of Hermite Based Pulses for UWB Communications.

83. Michaely L.B., Ghavamiy M., Kohnoz R., Multiple Pulse Generator for UltraWideband Communication using Hermite Polynomial Based Orthogonal Pulses. -UWBST 2002.

84. Губанов Д., Дмитриев А., Панас А., Старков С., Стешенко В.,

Генераторы хаоса в интегральном исполнении // Chip News, №8, 1999.

85. Dmitriev A.S., Maximov N., Panas A.I. Starkov S.O., Chaotic oscillators design with preassigned spectral characteristics. - ECCTD Conference, Espoo, Finland, August 28-31, 2001.

86. Dmitriev A.S., Panas A.I. Starkov S.O., Direct Chaotic Communications in Microwave Band. - NDCS Conference, Minsk, Belarus, September 17-20, 2001.

87. R. Venkatasubramanian, E. Silvota, T. Colpitts, B. O'Quinn. Nature 413, 597 (2001).

88. T.C. Harman, P.J. Taylor, D.L. Spears, M.P. Walsh. J. Electron. Mater. 29, L 1-4 (2000).

89. Touzelbaev, M. N., Zhou, P., Venkatasubramanian, R. & Goodson, K. E. Thermal characterization of Bi2Te3/Sb2Te3 superlattices. J. Appl. Phys. 90, 763-767 (2001).

90. Caylor, J. C., Coonley, K., Stuart, J., Colpitts, T. & Venkatasubramanian, R. Enhanced thermoelectric performance in PbTe-based superlattice structures from reduction of lattice thermal conductivity. Appl. Phys. Lett. 87, 23105 (2005).

91. Beyer, H. et al. High thermoelectric figure of merit ZT in PbTe and Bi2Te3-based superlattices by a reduction of the thermal conductivity. Physica E 13, 965-968 (2002).

92. Hochbaum, A. I. et al. Enhanced thermoelectric performance of rough silicon nanowires. Nature 451, 163-167 (2008).

93. Boukai, A. I. et al. Silicon nanowires as efficient thermoelectric materials. Nature 451, 168-171 (2008).

94. Kim, W. et al. Cross-plane lattice and electronic thermal conductivities of ErAs: InGaAs/InGaAlAs superlattices. Appl. Phys. Lett. 88, 242107 (2006).

95. Kim, W. et al. Thermal conductivity reduction and thermoelectric figure of merit increase by embedding nanoparticles in crystalline semiconductors. Phys. Rev. Lett. 96, 045901 (2006).

96. Hicks L.D, Dresselhaus M.S. Thermoelectric figure of merit of a one dimensional Conductor. - Phys. Rev. B, 1993, 47 (24): 16631-16634.

Приложение 1

Акт

о реализации результатов диссертационной работы Ху Босюна "Энергосберегающие микроэлектронные устройства формирования и приёма сверхширокополосных сигналов для систем мониторинга работы двигателей"

Результаты диссертационной работы Ху Босюна на тему "Энергосберегающие микроэлектронные устройства формирования и приёма сверхширокополосных сигналов для систем мониторинга работы двигателей" использованы при разработке аппаратуры контроля процесса высокоскоростной передачи видеоинформации. В частности, использованы следующие результаты:

• Схема устройства формирования сверхкоротких импульсов с амплитудной модуляцией On-Off Keying при использовании схемы с удвоением напряжения;

• Схема квадратичного фильтра для борьбы с узкополосными помехами, вызванными сигналами сетей Wi-Fi.

Результаты внедрены в процессе выполнения работы по повышению эффективности контроля помехозащищенности выпускаемых предприятием сетевых камер наружного наблюдения, выполненной в ООО «ЭВС» в 2021 году.

М.Н. Голушко

7 апреля 2022 года