История сверхширокополосных (СШП) сигналов
Сверхширокополосные (СШП) сигналы в своей истории прошли довольно тернистый путь, включая периоды полного забвения и всплеска энтузиазма. Но эта история пишется и в наши дни, и мы надеемся внести в нее свой посильный вклад.
Само понятие сверхширокополосного (СШП) сигнала впервые было введено, по-видимому, в 1950–1960 гг. в работах Х. Хармута. Однако использование сверхширокополосных сигналов началось гораздо раньше. Именно такие сигналы, а не узкополосные, применялись еще в XIX веке, начиная с первых опытов Г. Герца в 1893 г. В первом радиопередатчике, построенном изобретателем радио А. С. Поповым в 1895 г., использовались затухающие колебания высокой частоты, полученные с помощью искрового разряда. Генерированные им сигналы также были сверхширокополосными. Эти же сигналы, создаваемые искровым разрядом, применил Г. Маркони в 1901 г. при проведении сеанса связи через Атлантический океан.
Кодирование информации при этом осуществлялось с помощью азбуки Морзе. В 1885–1905 гг. использовались исключительно затухающие электромагнитные колебания. Переход от затухающих электромагнитных колебаний к незатухающим занял целое десятилетие (1905–1915 гг.). С 1915 г. стало применяться ламповое генерирование незатухающих электромагнитных колебаний. Одной из причин этого явилось создание в 1913 г. А. Мейснером (Германия) генератора незатухающих колебаний, последовавшее за изобретением вакуумного триода. СШП сигналы оказались полностью вытеснеными узкополосными сигналами. О них забыли больше чем на четыре десятка лет. Так закончился первый этап использования сверхширокополосных сигналов.
Второй всплеск интереса к СШП сигналам произошел в конце 50-х годов в связи с развитием радиолокационной техники как в США, так и в СССР. В США в то время несколько научных центров занимались исследованиями отклика микроволновых систем (например, антенных элементов) на короткоимпульсное (наносекунды и менее) воздействие. Такие работы в рамках создания радаров на фазированных антенных решетках вели и в исследовательском центре Sperry (позднее – Sperry Rand Corporation). В 1965 году сотрудник этого центра Джеральд Росс возглавил группу исследователей “электромагнитных явлений во временной области” (time domain electromagnetics).
В результате был опубликован ряд пионерских работ. В 1972–1973 годах Д. Росс и другой сотрудник Sperry Rand Corporation, Кеннет Роббинс, получили основополагающие патенты в области сверхширокополосных систем – “Передающая и детектирующая система для генерации и приема импульсных сигналов без искажений для короткоимпульсной коммуникационной системы” и “Короткоимпульсный приемник”. Работы Росса и Роббинса заложили основу короткоимпульсной связи и локации в США. Достаточно сказать, что Росс является автором (самостоятельно или в соавторстве) свыше 40 патентов США в данной области. Всего же к 1989 году сотрудники Sperry Rand получили около 50 патентов США в области сверхширокополосных систем и различных аспектов их применения.
Одновременно с Россом и Роббинсом аналогичные исследования проводил Хеннинг Хармут (Американский католический университет), опубликовавший в 1969–1984 годах ряд статей и книг, посвященных СШП. В Римском исследовательском центре ВВС США работами по применению СШП радаров занимался Паул Ван Эттен, обнаруживший ряд важных эффектов. В 1974 году Морей разработал сверхширокополосную радарную систему для исследования подземных объектов, что явилось толчком для нового направления – СШП радаров для геолокации и локации "сквозь стены". Важным этапом в развитии СШП технологий стало появление стробоскопических осциллографов с частотой сканирования свыше 10 ГГц как за рубежом (Hewlett-Packard), так и в СССР. Не оставались в стороне и такие исследовательские центры, как Ливерморская и Лос-Аламосская национальные лаборатории. Отметим работы компании Multispectral Solutions, создавшей по заказу правительства США при участии Д. Росса коммуникационную систему с высокой скрытностью и помехоустойчивостью (с малой вероятностью обнаружения и противодействия), принятую в 1987 году.
Список исследователей и работ можно продолжать. В этот период (1970-1980 гг.) активно разрабатывались принципиально новые методы генерации, приема и обработки сверхширокополосных сигналов и создавалась соответствующая новая техническая база. Основные усилия по применению СШП сигналов были сосредоточены в области локации. В это время были построены сверхширокополосные радары для обнаружения воздушных и космических целей, СШП радары подповерхностного зондирования. Особенностями таких радаров были не только высокая разрешающая способность, но и возможность получения некоординатной информации о цели. В это время часто звучали скептические оценки СШП технологий. Так, отмечалось, что существует ряд физических ограничений, препятствующих их развитию. Утверждалось следующее.
Во-первых, свойства ограниченности полосы антенных систем не позволяют излучать низкочастотные спектральные компоненты сигналов и резко ухудшают требуемые характеристики направленности использующих их систем. Во-вторых, определяющим оказывается наличие дисперсии в среде распространения. В-третьих, для расширения спектра излучающих систем, а также обеспечения их надежности и условий эксплуатации необходимы значительные вложения финансовых средств. В-четвертых, наличие трудностей практического и экономического характера, которые неизбежно возникнут при совместном применении СШП систем с обычными радиосистемами, ставят под сомнение целесообразность разработки СШП технологий как таковых. Однако благодаря усилиям многих исследователей, и в первую очередь Х. Хармута, идея использования сверхширокополосных сигналов доказала свое право на существование как с точки зрения теоретической обоснованности, так и в виде реально действующих систем.
Аналогичные исследования велись и в СССР. Насколько можно судить по публикациям, почти все они (как и в США) были связаны с радарной тематикой. Российские и зарубежные эксперты отмечают работы Зернова, Карцевича, Астанина, Кобзарева, Костылева, Кардо-Сысоева, Глебовича, Мелешко и др. Первые работы по СШП системам связи с кодовым разделением каналов были выполнены в России в середине 80-х годов В.В.Крыловым в Горьковском политехническом институте. Однако с начала 90-х годов многие работы были прекращены.
В 1987 году в США Ларри Фуллертон получил свой первый патент в области сверхширокополосной связи и основал компанию Time Domain. За десять лет работы компания со своей технологией PulsOn превратилась в одного из лидеров в области портативных СШП коммуникационных связных систем и радаров, в ее активе – свыше 60 патентов по тематике СШП.
Четвертый всплеск интереса к сверхширокополосным сигналам начался во второй половине 90-х годов ХХ века и продолжается по сей день. Его можно характеризовать проникновением сверхширокополосных сигналов во все новые области науки и техники. В начале 1998 года три американские компании – U.S. Radar, Time Domain и Zircon – обратились в Федеральную комиссию по связи США (FCC) с запросом о разрешении использовать их СШП системы (радары, способные “видеть” сквозь стены и коммуникационные системы) в порядке эксперимента на безлицензионной основе.
Обращение этих фирм, а также общее давление производителей и разработчиков привели к тому, что 14 февраля 2002 года FCC дала ограниченное разрешение на использование СШП систем. Это положило начало процессу коммерциализации технологии СШП на безлицензионной основе для трех различных категорий устройств: систем передачи данных, портативных радаров и измерительных систем.