Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Широкое распространение радиоэлектронных устройств с применением цифровой обработки и передачи сигналов обуславливает повышенный интерес к вопросам диагностирования их технического состояния. В первую очередь это определение качества передачи сигналов по каналу связи.

При оценки качества передачи информации по каналам связи одним из основных инструментов является спектральный анализ. Как правило, целью спектрального анализа является определение полной динамической характеристики исследуемой системы. Главным образом имеется ввиду амплитудно-фазовый спектр или комплексный коэффициент передачи (ККП). Для измерения ККП на сегодняшний день наибольшее распространение получили цифровые анализаторы, основанные на дискретном преобразовании Фурье (ДПФ).

Такой метод оценки качества передачи информации по различным каналам связи (как проводных, так и беспроводных, так и разных частотных диапазонов) очень актуален.

В настоящее время в основе функционирования значительной части измерительных приборов лежат цифровые методы. Термин “цифровой измерительный прибор” обычно используют применительно к приборам, основанным на цифровых методах.

Такой подход позволяет быстрее и с меньшими затратами создавать измерительные и анализирующие комплексы различной сложности от измерения температуры до цифровой осциллографии или управления технологическими процессами, ввода и обработки данных с передачей результатов удаленным пользователям. Применение серийных персональных компьютеров (ПК) закладывает основу относительно низкой стоимости подобных систем, эффективно функционирующих в реальном масштабе времени.

1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

1.1 АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА

Прежде всего, следует отметить актуальность анализа канала связи всех стандартов. Так как в настоящее время передача информации осуществляется как проводными методами, так и беспроводными. И в зависимости от стандарта передачи информации используются разные методы и разное оборудование. Актуальность разработки цифрового анализатора в первую очередь это универсальность измерений параметров канала связи. Что в свою очередь даёт несколько больших «плюсов»: универсальность применения, и вследствие чего - низкая стоимость оборудования при многократных измерениях разных каналов связи.

В настоящее время очень широкое распространение получили стандарты беспроводной связи IEEE IEEE 802.11 (WiFi), IEEE 802.16 (WiMax 10..66 ГГц), 802.16-2004 (2..11 ГГц). Более перспективным является стандарт WiMax.

Под аббревиатурой WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) понимается технология операторского класса, которая основана на семействе стандартов IEEE 802.16, разработанных международным институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). В стандартах IEEE 802.16 определяются физический уровень и уровень управления доступом для систем фиксированного беспроводного широкополосного доступа масштаба города.

Технология WiMAX имеет ряд преимуществ:

· По сравнению с проводными (xDSL, T1), беспроводными или спутниковыми системами сети WiMAX должны позволить операторам и сервис-провайдерам экономически эффективно охватить не только новых потенциальных пользователей, но и расширить спектр информационных и коммуникационных технологий для пользователей, уже имеющих фиксированный (стационарный) доступ.

· Стандарт объединяет в себя технологии уровня оператора связи (для объединения многих подсетей и предоставления им доступа к Интернет), а также технологии "последней мили" (конечного отрезка от точки входа в сеть провайдера до компьютера пользователя), что создает универсальность и, как следствие, повышает надёжность системы.

· Беспроводные технологии более гибки и, как следствие, более просты в развёртывании, так как по мере необходимости могут масштабироваться.

· Простота установки как фактор уменьшения затрат на развертывание сетей в развивающихся странах, малонаселённых или удалённых районах.

· Дальность охвата является существенным показателем системы радиосвязи. На данный момент большинство беспроводных технологий широкополосной передачи данных требуют наличия прямой видимости между объектами сети. WiMAX благодаря использованию технологии OFDM создает зоны покрытия в условиях отсутствия прямой видимости от клиентского оборудования до базовой станции, при этом расстояния исчисляются километрами.

· Технология WiMAX изначально содержит в себе протокол IP, что позволяет легко и прозрачно интегрировать её в локальные сети.

· Технология WiMAX подходит для фиксированных, перемещаемых и подвижных объектов сетей на единой инфраструктуре.

В связи с этим в нашем дипломе я произведу анализ канала связи для стандарта WiMAX. Не принципиально, какой стандарт использовать в качестве примера. Я буду использовать расширение базового стандарта 802.16 - 802.16-2004 (2..11 ГГц).

В стандарте IEEE 802.16-2004 предусмотрена работа в диапазоне 2…11 ГГц, а также более широкие возможности как на физическом уровне, так и на уровне управления доступом.

Основные параметры стандарта IEEE 802.16-2004 представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Параметр	IEEE 802.16-2004
Диапазон частот	2-11 ГГц
Условия использования	Прямая и непрямая видимость
Скорость передачи данных	1-75 Мбит\с
Модуляция	1. Одна несущая (SC); 2. OFDM 256 поднесущих, манипуляция: QPSK, QAM-16, QAM-64; 3. OFDMA 2048 поднесущих, BPSK, QPSK, QAM-16, QAM-64, опционально QAM-256
Тип дуплекса	TTD/FFD
Ширина канала	1,25-20 МГц
Радиус зоны покрытия	4-6 км

1.2 ВЫБОР ПРИНЦИПА ПОСТРОЕНИЯ АНАЛИЗАТОРА

Задач: разработка специального цифрового устройства обеспечивающего генерацию и обработку радиосигналов как в режиме реального времени так и в режиме пост-обработки.

В соответствии с техническим заданием и описание стандарта IEEE 802.16-2004 цифровой анализатор должен иметь полосу частот от 1,25 МГц до 20 МГц, и выполнять модуляцию\демодуляцию следующих видов: BPSK, QPSK, QAM-16, QAM-64.

Для реализации цифрового анализатора будем использовать двухканальный 10 битный АЦП AD9218 и сдвоенный 10-разрядный ЦАП AD9763 компании Analog Devices.

В основу цифрового анализатора будет положено использование 32-разрядный микроконтроллер семейства AVR32 - AT32AP7000 и ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема) семейства Cyclone III - EP3C120F484C7.

Обязательно следует предусмотреть интерфейсы соединения в ПК - RS232. Реализуем на микросхеме MAX3232ECAE. А так же сетевой контроллер ETHERNET.

Так как ожидаются многочисленные расчёт и использование ёмких алгоритмов, следует предусмотреть как постоянную так и оперативную память.

1.3. ОПИСАНИЕ АНАЛИЗАТОРА И ПРИНЦИП ЕГО РАБОТЫ

Основная цель диплома, это проектирование цифрового анализатора, который должен уметь измерять спектральные характеристики канала связи. А именно в первую очередь:

· амплитудно-частотная характеристика (АЧХ),

· фазо-частотная характеристика (ФЧХ);

а так же:

· отношение сигнал-шум (С\Ш),

· комплексные коэффициенты передачи (ККП),

Цифровой анализатор представляет собой, по сути, модем. Цифровое устройство которое принимает или передаёт сигнал радио-модулю (в нашем случае RF-модуль, работающий на частоте 3,5 ГГЦ). Т.е. анализатор не выполняет роли переноса частоты и усиленья сигнала для передачи.

Принцип работа анализатора следующий. С одного анализатора (цифрой анализатор «А») передаётся модулированный сигнал на другой анализатор (цифровой анализатор «Б») по каналу связи. В нашем случае это канал связи стандарта IEEE 802.16-2004 на частоте 3,5 ГГц. На приёмной стороне «Б», использую соответствующие алгоритмы, идёт измерение параметров, спектральных характеристик по преамбуле принятого сигнала. После чего можно сделать выводы о качестве канала связи при данной модуляции. Передача может быть как беспроводной (приближение к реальным условиям), так проводной (более идеальное измерение), в зависимости от подключаемого радио-модуля.

2. ПОИСК АНАЛОГОВ

Анализатор спектра Agilent EXA N9010A

(9 кГц - 3,6; 7,0; 13,6 или 26,5 ГГц)

Основные характеристики:

· От 30 до 300% быстрее, чем другие анализаторы сигналов и спектра эконом-класса

· Поиск максимума маркером 4 мс

· Настройка, измерение и передача через GPIB 11,4 мс

· Скорость переключения режимов измерения <75 мс

· +13 dBm TOI (точка пересечения по интермодуляционным составляющим 3-го порядка)

· -146 dBm/Hz DANL (средний уровень собственного шума)

· Абсолютная погрешность уровня 0,3 дБ

· Развитый пользовательский интерфейс Agilent EXA N9010A

· Встроенный в анализатор EXA всеобъемлющий файл справки

· USB 2.0, 100bT LAN и GPIB

· Совместимость со стандартом LXI class-C, встроенный веб-сервер

· Открытая операционная система Windows XP Professional

· Спектральный анализ, Mobile WiMAXTM, W-CDMA, HSDPA/HSUPA и фазовые шумы

· Работа с популярным пакетом векторного модуляционного анализа 89601A VSA software

Anritsu MT8212E, MT8213E

Основные характеристики:

· анализатор спектра: 100 кГц - 4 ГГц (модель MT8212E) или 100 кГц - 6 ГГц (модель MT8213E);

· встроенный анализатор АФУ: 2 МГц - 4 ГГц (модель MT8212E) или 2 МГц - 6 ГГц (модель MT8213E);

· встроенный измеритель мощности: 10 МГц - 4 ГГц (модель MT8212E) или 10 МГц - 6 ГГц (модель MT8213E);

· демодулятор стандартов беспроводной связи 2G, 3G и WiMAX;

Анализатор спектра R&S®FSL

Основные характеристики:

· Диапазон частот от 9 кГц до 3/6/18 ГГц, со следящим генератором или без него

· Наилучшие радиочастотные характеристики в своем классе

· Наибольшая полоса анализа сигналов в своем классе (28 МГц)

· Высокая точность измерений, даже в диапазоне СВЧ

· Высокая точность установки фильтра разрешения благодаря полностью цифровой реализации

· Прочность и компактность

· Ручка для переноски и малый вес (менее 8 кг)

· Дополнительная аккумуляторная батарея

· Широкий диапазон функций, простота управления

· Простота обновления на месте эксплуатации

печатный плата радиосигнал приемник

3. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Прежде чем объяснить алгоритм структурной схемы, следует сказать пару слов ортогональном частотном мультиплексировании.

В системах широкополосного беспроводного доступа (ШБД) основным разрушающим фактором для цифрового канала являются помехи от многолучевого приема. Этот вид помех весьма характерен для эфирного приема в городах с разноэтажной застройкой из-за многократных отражений радиосигнала от зданий и других сооружений.

Радикальным решением этой проблемы является применение технологии ортогонального частотного мультиплексирования OFDM, которая специально разработана для борьбы с помехами при многолучевом приеме.

OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing - ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием) является цифровой схемой модуляции, которая использует большое количество близко расположенных ортогональных поднесущих. Каждая поднесущая модулируется по обычной схеме модуляции (например, квадратурная амплитудная модуляция). На практике сигналы OFDM получаются путем использования быстрого преобразования Фурье. Кратко рассмотрим OFDM символ. При модуляции данных посредством ортогональных несущих в частотном канале выделяются N поднесущих так, с частотами fk = fс + k?f, где k - целое число из диапазона [-N/2, N/2] (в данном случае k ? 0), fс - центральная или несущая частота. Расстояние между ортогональными несущими ?f = 1/Тb=1/(NТsmpl), где Тb - длительность передачи данных в символе, Тsmpl -период дискретизации. Помимо данных OFDM-символ включает защитный интервал длительностью Тg, так что общая длительность OFDM-символа Ts = Tb+ Tg (рисунок 4.1). Защитный интервал представляет собой копию оконечного фрагмента символа. Его длительность Тg может составлять 1/4, 1/8, 1/16 и 1/32 от Tb. При этом приемник настраивается на прием OFDM-символа в центре интервала Tg.

Рисунок 3.1 OFDM-символ

Одной из задач, которую необходимо решить для обеспечения работоспособности современного канала связи, является расчет комплексного коэффициента передачи (ККП). Комплексный коэффициент передачи K(j?) -- отношение комплексной амплитуды (КА) Y выходной величины системы к комплексной амплитуде X входной величины синусоидальной формы при заданном значении ее частоты ?. Знание ККП позволяет скорректировать принятый спектр сигнала, т.е. привести его в требуемый диапазон по амплитуде и подстроить фазовые набеги по спектральным составляющим. Данную операцию (digital equalization) необходимо произвести до запуска процедуры демодуляции сигнала, т.к. для правильной демодуляции необходимо знать значения реальной и мнимой части сигнала в каждой частотной точке.

Защитный интервал при OFDM-модуляции - мощное средство борьбы с межсимвольными помехами (межсимвольной интерференции, МСИ), возникающими вследствие неизбежных в городских условиях переотражений и многолучевого распространения сигнала. МСИ приводит к тому, что в приемнике на прямо распространяющийся сигнал накладывается переотраженный сигнал, содержащий предыдущий символ. При модуляции OFDM переотраженный сигнал попадает в защитный интервал и вреда не причиняет. Однако этот механизм не предотвращает внутрисимвольную интерференцию - наложение сигналов с одним и тем же символом, пришедших с фазовой задержкой. В результате информация может полностью исказиться или (например, при фазовом сдвиге на 180°) просто исчезнуть. Для предотвращения потери информации при пропадании отдельных символов или их фрагментов предусматривается средства канального кодирования.

Рисунок 3.2 Блок схема цифрового модема

Цифровой анализатор (рисунок 4.2) реализуют комплексную обработку сигнала, а именно: производит шифрование, дешифрование, рандомизацию, дерондамизацию, кодирование, декодирование, перемешивание, деперемешивание, модуляцию, демодуляцию. Дополнительно осуществляется управление параметрами радиомодуля (RF-MODULE): мощностью передаваемого сигнала, аттенюаторами приемного тракта и опорной частотой - fref. Управление может быть реализовано через линии цифрового ввода-вывода (GPIO) микроконтроллера.

Кратко алгоритм работы передатчика цифрового анализатора можно представить так: передаваемый полезный сигнал поступает на порт сетевого интерфейса (Ethernet), данные шифруются, рандомизируются, кодируются (вносится избыточность), перемешиваются, модулируются, подаются на вход ЦАП (DAC), выход которого соединен со входом радиомодуля. ЦАП генерирует модулированный сигнал с несущей частотой равной 0, поэтому задача радиомодуля перенести спектр сигнала с выхода ЦАП на заданную несущую частоту.

Краткий алгоритм работы приемника цифрового анализатора можно описать следующим образом. Выходной сигнал заданного уровня с нулевой несущей частотой с выхода радиомодуля оцифровывается АЦП (ADC). По преамбуле, оцифрованной АЦП рассчитывается массив K[if1/N]=UIN[if1/N]/UOUT[if1/N] значений обратного комплексного коэффициента передачи, где f1 - частота дискретизации, N - количество точек в массиве данных преобразования Фурье, UIN -массив спектральных составляющих преамбулы, UOUT -массив спектральных составляющих преамбулы (эталонный сигнал), прошедших через канал передачи (принятый сигнал), i - целое число от 1 до N-1. Все последующие принятые данные умножаются на соответствующий коэффициент из массива K[if1/N], далее данные демодулируются, деперемешиваются, декодируются, дерандомизируются и дешифрируются и передаются на выход через сетевой интерфейс.

Опорная частота в микроконтроллере - fref преобразуется в модуле с ФАПЧ (PLL) в тактовую частоту работы ПЛИС (FPGA) - f0 и частоту дискретизации ЦАП и АЦП - f1.

Микроконтроллер взаимодействует с ПЛИС, и интерфейсами USB, Ethernet, RS-232 через прямой доступ в память (DMA) и соответствующие прерывания (INT). Микроконтроллер имеет дополнительную энергонезависимую (FLASH) и оперативную (SDRAM) память, что позволяет создавать ресурсоемкие алгоритмы обработки. В задачи микроконтроллера входит управление режимами работы ПЛИС и радиомодуля, а также высокоуровневая обработка данных.

В ПЛИС реализуются критические по скорости процедуры, такие как преобразование Фурье (FFT), помехоустойчивое кодирование (FEC), шифрование.

4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

На рисунке структурной схемы рассмотрены блоки устройств, входящие в состав цифрового анализатора. Теперь рассмотрим каждый из них подробнее.

1. Управляющий блок

Управляющая часть выполнена на 32-х битном микроконтроллере фирмы AVR AT32AP7000. Включение в схему осуществлено по типовой схеме.

2. Вычислительный блок.

Вычислительный блок реализован на ПЛИС Altera Cyclon-III EP3C16 (EP3C120F484C7).

3. Блок энергозависимой памяти

Эногрозависимая память (FLASH) реализована на микросхеме AT49BV642D и напрямую взаимодействует с микроконтроллером, под управлением микросхемы AT45DB642D. Объём FLASH памяти составляет 64 мегабита (8 мегабайт).

4. Блок оперативной памяти

Оперативная память (SDRAM) реализована на двух микросхемах MT48LC16M16A2TG по 256 мегабит. В сумме объём оперативной памяти составляет 512 мегабит (64 мегабайта). SDRAM напрямую взаимодействует с микроконтроллером.

5. Сетевой интерфейс Ethernet

Сетевой интерфейс реализован на микросхеме DP83848IVV (10/100 Mb/s). И так же напрямую подключён с микроконтроллеру по шине данных (DMA).

6. Интерфейс RS-232\USB\SDMMC

Интерфейс RS-232 реализован на микросхеме MAX3232ECAE. И подключён к разъёму DRB-9FB.

Аналогично сетевому интерфейсу Ethernet, USB и SDMMC так подключены напрямую к микроконтроллеру через шину данных DMA.

7. Блок цифро-аналогового преобразования

ЦАП выполнен на микросхеме AD9763. Высокоскоростной (125 MSPS) ЦАП имеет разрядность 10 бит.

8. Блок аналого-цифрового преобразования

АЦП выполнен на микросхеме AD9218.Высокоскоростной АЦП (

105 MSPS) так же как и ЦАП, имеет разрядность 10 бит.

9. RF-модуль

В состав RF-модуля входят операционный усилитель OP07, дифференциальные усилители AD8132 и измерительные усилители AD623ARZ. Для соединения с RF-модулем используется разъём TOLC-125-32-S-Q.

10. Генератор

Для синхронизации всех блоков используется 20 МГц кварцевый генератор ГК175-2-УНТК и усилитель АD8057ARTZ.

11. Блок питания

Блок питания выполнен на 4-х микросхемах (стабилизатор с импульсным регулированием) LM25576MHX, линейном регуляторе на микросхеме LM1117IMPX, инверторе LT1054.

Все микросхемы и блоки включены по типовому включению, описанному в документации. Все конденсаторы выполнены в корпусах типа chip 0603 и chip 1206, кроме конденсаторов в цепи питания (электролитные конденсаторы с радиальными выводами)

Все резистора и резисторные сборки выполнены в корпусах типа chip 0603\330J4/.

Катушки индуктивности выполнены используются в корпусах типа chip 0603 и в цепи питания используются большие катушки BLM18TG221TN1D 220Ohm@100Mhz.

Для индикации работы устройства используются светодиоды HCL-1503AGC-4.

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВОГО АНАЛИЗАТОРА

Разработка принципиальной электрической схемы и разводка печатной платы будет осуществляется при помощи программы Altium Designer 2009.

При разработке принципиальной электрической схемы следует учесть объём проекта, и разбить всё схему на отдельные блоки, для лучшего понимании схемотехники.

При разводке печатной платы, следует учесть длину линий связи, работающих на высоких частотах, а так же следует избегать прямых углов и поворотов в линиях связи.

Сборка будет осуществляется на печатной плате из материала марки FR-4. Отверстия, для последующего крепления платы. Паяльная паста CR-36 (допускается замена на RM-92). Покрывается с двух сторон лаком Plastic фирмы Cramolin три слоя после проверки, кроме заводских площадок частей соединителей. Маркировать заводской номер эмалью ЭП-572 белой ТУ6-19-1539-76. Шрифт 3-Пр3 по ГОСТ ОСТ4ГО.070.015. Остальные технические требования согласно ГОСТ ОСТ4ГО.070.015.

6. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Рассмотрим OFDM символ, представленный на рисунке 7.1. При модуляции данных посредством ортогональных несущих в частотном канале выделяются N поднесущих fk = fc + k?f, где k - целое число из диапазона [-N/2, N/2] (в данном случае k ? 0).

Расстояние между ортогональными несущими ?f = 1/Тb=1/(NТsmpl), где Тb - длительность передачи данных в символе; Тsmpl -период дискретизации.

Рисунок 6.1 OFDM-символ

Помимо данных OFDM-символ включает защитный интервал длительностью Тg, так что общая длительность OFDM-символа Ts = Tb+ Tg. Защитный интервал представляет собой копию конечного фрагмента символа. Его длительность Тg может составлять 1/4, 1/8, 1/16 и 1/32 от Tb. При этом приемник настраивается на получение OFDM-символа в центре интервала Tg.

Одной из задач, которую необходимо решить для обеспечения работоспособности реального канала связи, является учет его комплексного коэффициента передачи (ККП - K(j?)), являющегося отношением комплексной амплитуды Y выходной величины к комплексной амплитуде X входной величины синусоидального сигнала на заданной частоте ?.

Знание ККП позволяет скорректировать принятый спектр сигнала, т.е. привести его в требуемый диапазон по амплитуде и подстроить фазовые набеги по спектральным составляющим. Данную операцию - (digital equalization) необходимо выполнить до процедуры демодуляции сигнала (рисунок 7.2), т.к. для правильной демодуляции необходимо знать значения реальной и мнимой части сигнала в каждой частотной точке.

Рисунок 6.2 Искажение сигнального созвездия 16-QAM после прохождения по каналу связи

При демодуляции нужно знать обратный ККП (ОККП) для каждой спектральной составляющей принятого сигнала, т.е. массив значений ОККП K[ifsmpl/N]=SIN[ifsmpl/N]/SOUT[ifsmpl/N], где fsmpl - частота дискретизации; N - количество точек в массиве данных преобразования Фурье; SIN - массив спектральных составляющих преамбулы (эталонный сигнал); SOUT - массив спектральных составляющих преамбулы, прошедших через канал передачи (принятый сигнал); i - целое число от 1 до N-1.

Отсутствие идеальной временной синхронизации в приемнике приводит к возникновению сдвига во времени принятого сигнала по отношению к передаваемому, в качестве которого может быть передан эталонный сигнал. Временной сдвиг учитывается путем умножения всех спектральным составляющих на ОККП.

Для расчета ОККП в современных цифровых стандартах связи предлагается использовать в качестве преамбулы сигнал с известными значениями реальной и мнимой части спектральных составляющих. Однако преамбула принимается приемником также с некоторым случайным сдвигом в пределах Тg. Дополнительно спектр преамбулы искажается вследствие ее прохождения по каналу связи - возникают фазовые набеги и искажение АЧХ.

Преамбула в общем случае может содержать не все спектральные составляющие, а только, например, кратные 4 (OFDM Coarse preamble WiMAX 802.16-2004). Тогда для расчета всех значений ОККП необходимо проводить аппроксимацию между расчетными точками. Если использовать линейную аппроксимацию, как наиболее быструю и легко реализуемую в специализированной микросхеме или FPGA, то наибольшая погрешность будет в точках, где нет расчетного значения ОККП, а его фаза меняется достаточно быстро. Последнее возникает вследствие временного сдвига между принятой преамбулой и эталонной, причем, чем больше временной сдвиг, тем быстрее изменяется фаза между соседними спектральными составляющими.

Без учета временного сдвига линейная аппроксимация допустима, если проводить расчет амплитуды и фазы ОККП в полярной системе координат. Но математические действия при переходе в полярную систему координат ресурсоемки т.к. требуют вычисления квадратного корня и арктангенса для каждой точки в массиве ОККП.

А)

В)

Рисунок 6.3 Реальные части преамбулы по стандартуWiMAX 802.16 (А) и с учетом канала связи (В)

Реальные и мнимые части преамбулы по стандарту связи WiMAX 802.16-2004 показаны соответственно на рис. 7.3 и 7.4 для полосы 3.5 МГц. Для сравнения приведены значения преамбулы, полученные после прохождения по каналу связи с временным сдвигом Tg/2 = 16 дискрет.

Спектральные составляющие от 101 до 154 считаются защитным частотным диапазоном и не используются для передачи сигнала, поэтому в этом диапазоне ОККП не рассчитывается. При моделировании считалось, что сигнал проходил через «идеальный» цифровой канал без шумов.

А)

В)

Рисунок 6.4 Мнимые части преамбулы по стандарту WiMAX 802.16 (А) и с учетом канала связи (В)

Рассмотрим влияние временного сдвига на значение реальной и мнимой части ОККП, рассчитанному по стандартной «WiMAX-coarse» преамбуле.

Любая гармоническая составляющая спектра может быть представлена как Ak(t)=Akcos(kt+k), где текущая фаза k-ой компоненты равна kt+k [2]. После прохождения спектральной составляющей по каналу связи получим A`k(t)=К(k)Akcos[k(t+)+k+?k], где К(k)-модуль коэффициента передачи для k-ой спектральной составляющей обусловленный прохождением сигнала по каналу передачи; k - фазовый сдвиг для k-ой спектральной составляющей при прохождении сигнала по каналу передачи; - временной сдвиг из за не идеальной синхронизации. Сдвиг фазы между переданным и принятым сигналом будет k. С увеличением частоты разница фаз будет соответственно увеличиваться. Это приведет к периодичности комплексного коэффициента передачи. Увеличение ? увеличит фазовый набег на соседних по частотам точках. Данная особенность хорошо видна на рисунках 7.5-7.7.

На рисунке 7.5 представлены графики ОККП для временного сдвига 0 дискрет, на рисунке 7.6 сдвиг составляет 8 дискрет, на рисунке 7.7 - 16 дискрет.

В режиме компенсации временного сдвига отличия ОККП от единицы в реальной части и нуля в мнимой возникают вследствие 10-битной дискретизации. Размах изменений незначителен: 1,004 - 0,997 = 0,007 в реальной части и 0,004 - (- 0,003) = 0,007 в мнимой.

А)

В)

Рисунок 6.5 Реальная (А) и мнимая (В) части идеального ОККП для временного сдвига 0 дискрет

А)

В)

Рисунок 6.6 Реальная (А) и мнимая (В) части идеального ОККП для временного сдвига 8 дискрет

А)

В)

Рисунок 6.7 Реальная (А) и мнимая (В) части идеального ОККП для временного сдвига 16 дискрет

Как правило, сам канал передачи не вносит быстрых периодических изменений ОККП, поэтому если учесть временной сдвиг между принятым и эталонным сигналом, то можно использовать линейную аппроксимацию массива ОККП в ортогональной системе координат Re, Im.

Временной сдвиг можно определить по разнице фаз сигналов на минимальной частоте эталонного сигнала (по 1-й гармонике). Далее все спектральные компоненты принятого сигнала умножаются на коэффициент соответствующий обратному сдвигу во временной области. После компенсации временного сдвига рассчитывается ОККП, который уже не должен иметь явно выраженной периодичной структуры.

Результаты выполненного моделирования полностью подтверждают влияние временного сдвига на периодичность изменения ОККП. При этом меньший частотный интервал колебаний ОККП соответствует большему временному сдвигу. Для наглядности приведены спектры принятой преамбулы, по которым проводился расчет ОККП.

Алгоритм компенсации канальных искажений должен содержать следующие шаги:

1. Временная синхронизация по преамбуле. На основе функции взаимной корреляции добиваются, чтобы интервал Tb попал внутрь Ts.

2. Определение временного сдвига между принятым и эталонным сигналами. Находится через известную фазу минимальной частотной компоненты.

3. Компенсация временного сдвига путем умножения всех спектральных компонент принятого сигнала на фазу, соответствующую обратному временному сдвигу.

4. Расчет ОККП в точках, где имеются спектральные компоненты.

5. Линейная аппроксимация в частотной области отдельно для реальной и мнимой части ОККП.

6. Коррекция всех составляющих сигнала.

Результаты моделирования предложенного алгоритма расчета и учета ОККП работоспособны в современных системах цифровой связи для решения задачи оценки канала и учета его характеристик при демодуляции сигналов. Важным достоинством алгоритма является высокая скорость и простота математических действий, что дает возможность его реализации на базе специализированной микросхемы или ПЛИС.

7. ТЕХНИКА РАЗВОДКИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Из-за существенных отличий аналоговой схемотехники от цифровой, аналоговая часть схемы должна быть отделена от остальной части, а при ее разводке должны соблюдаться особые методы и правила. Эффекты, возникающие из-за неидеальности характеристик печатных плат, становятся особенно заметными в высокочастотных аналоговых схемах, но погрешости общего вида могут оказывать воздействие на качественные характеристики устройств, работающих даже в звуковом диапазоне частот.

Печатная плата - компонент схемы.

Лишь в редких случаях печатная плата аналоговой схемы может быть разведена так, чтобы вносимые ею воздействия не оказывали никакого влияния на работу схемы. В то же время, любое такое воздействие может быть минимизировано так, чтобы характеристики аналоговой схемы устройства были такими же, как и характеристики модели и прототипа.

Источники шума и помех.

Шум и помехи являются основнымм элементами, ограничивающими качественные характеристики схем. Помехи могут как излучаться источниками, так и наводиться на элементы схемы. Аналоговая схема часто располагается на печатной плате вместе с быстродействующими цифровыми компонентами, включая цифровые сигнальные процессоры (DSP).

Высокочастотные логические сигналы создают значительные радиочастотные помехи (RFI). Количество источников излучения шума огромно: ключевые источники питания цифровых систем, мобильные телефоны, радио и телевидение, источники питания ламп дневного света, персональные компьютеры, грозовые разряды и т.д.

Категории печатных плат.

Выбор конструкции печатной платы является важным фактором, определяющим механические характеристики при использовании устройства в целом. Для изготовления печатных плат используются материалы различного уровня качества. Желательно осуществлять контроль удельного сопротивления и диэлектрической постоянной - основных параметров материала печатной платы. К сожалению, этого бывает недостаточно и часто необходимо знание других параметров, таких как воспламеняемость, высокотемпературная стабильность и коэффициент гигроскопичности. Эти параметры может знать только производитель материалов, используемых при производстве печатных плат.

Слоистые материалы обозначаются индексами FR (flame resistant, сопротивляемость к воспламенению) и G. Материал с индексом FR-1 обладает наибольшей горючестью, а FR-5 - наименьшей. Материалы с индексами G10 и G11 обладают особыми характеристиками. Материалы печатных плат приведены в таблице 7.1.

Таблица7.1

Категория	Компоненты, комментарии
FR-1	Бумага, фенольная композиция: прессование и штамповка при комнатной температуре, высокий коэффициент гигроскопичности
FR-2	Бумага, фенольная композиция: применимый для односторонних печатных плат бытовой техники, невысокий коэффициент гигроскопичности
FR-3	Бумага, эпоксидная композиция: разработки с хорошими механическими и электрическими характеристиками
FR-4	Стеклоткань, эпоксидная композиция: прекрасные механические и электрические свойства
FR-5	Стеклоткань, эпоксидная композиция: высокая прочность при повышенных температурах, отсутствие воспламенения
G10	Стеклоткань, эпоксидная композиция: высокие изоляционные свойства, наиболее высокая прочность стеклоткани, низкий коэффициент гигроскопичности
G11	Стеклоткань, эпоксидная композиция: высокая прочность на изгиб при повышенных температурах, высокая сопротивляемость растворителям

После того, как материал печатной платы выбран, необходимо определить толщину фольги печатной платы. Этот параметр в первую очередь выбирается исходя из максимальной величины протекающего тока. По возможности, старайтесь избегать применения очень тонкой фольги.

Количество слоев печатной платы.

В зависимости от общей сложности схемы и качественных требований мы определяем многослойную плату (МПП). Количество слоёв: восемь. Некоторые причины их применения очевидны:

* такая же удобная, как и для шины общего провода, разводка шин питания; если в качестве шин питания используются полигоны на отдельном слое, то довольно просто с помощью переходных отверстий осуществить подводку питания к каждому элементу схемы;

* сигнальные слои освобождаются от шин питания, что облегчает разводку сигнальных проводников;

* между полигонами земли и питания появляется распределенная емкость, которая уменьшает высокочастотный шум.

Кроме этих причин применения многослойных печатных плат существуют другие, менее очевидные:

* лучшее подавление электромагнитных (EMI) и радиочастотных (RFI) помех благодаря эффекту отражения (image plane effect), известному еще во времена Маркони. Когда проводник размещается близко к плоской проводящей поверхности, большая часть возвратных высокочастотных токов будет протекать по плоскости непосредственно под проводником. Направление этих токов будет противоположно направлению токов в проводнике. Таким образом, отражение проводника в плоскости создает линию передачи сигнала. Поскольку токи в проводнике и в плоскости равны по величине и противоположны по направлению, создается некоторое уменьшение излучаемых помех. Эффект отражения эффективно работает только при неразрывных сплошных полигонах (ими могут быть как полигоны земли, так и полигоны питания). Любое нарушение целостности будет приводить к уменьшению подавления помех.

* снижение общей стоимости при мелкосерийном производстве. Несмотря на то, что изготовление многослойных печатных плат обходится дороже, их возможное излучение меньше, чем у одно- и двухслойных плат.

Следовательно, в некоторых случаях применение лишь многослойных плат позволит выполнить требования по излучению, поставленные при разработке, и не проводить дополнительных испытаний и тестирований. Применение МПП может снизить уровень излучаемых помех на 20 дб по сравнению с двухслойными платами.

Порядок следования слоев.

При решении этого вопроса важно помнить, что часто расположение слоев не имеет особого значения, поскольку все равно компоненты располагаются на внешних слоях, а шины, подводящие сигналы к их выводам, порой проходят через все слои. Поэтому любые экранные эффекты представляют собой лишь компромисс. В данном случае лучше позаботиться о создании большой распределенной емкости между полигонами питания и земли, расположив их во внутренних слоях.

Другим преимуществом расположения сигнальных слоев снаружи является доступность сигналов для тестирования, а также возможность модификации связей. Любой, кто хоть раз изменял соединения проводников, располагающихся во внутренних слоях, оценит эту возможность.

Для печатных плат с более, чем четырьмя слоями, существует общее правило располагать высокоскоростные сигнальные проводники между полигонами земли и питания, а низкочастотным отводить внешние слои.

Заземление.

Хорошее заземление - общее требование насыщенной, многоуровневой системы. И оно должно планироваться с первого шага дизайнерской разработки.

Основное правило: разделение земли.

Разделение земли на аналоговую и цифровую части - один из простейших и наиболее эффективных методов подавления шума. Один или более слоев многослойной печатной платы обычно отводится под слой земляных полигонов. Если земля аналоговой части будет непосредственно соединена с этими полигонами, то аналоговый возвратный ток будет использовать такую же цепь, что и цифровой возвратный ток. Авторазводчики работают примерно также и объединяют все земли вместе. Поэтому вся разводка осуществлялась в ручную.

Если переработке подвергается ранее разработанная печатная плата с единым земляным полигоном, объединяющим аналоговую и цифровую земли, то необходимо сначала физически разделить земли на плате (после этой операции работа платы становится практически невозможной). После этого прозводятся все подключения к аналоговому земляному полигону компонентов аналоговой схемы (формируется аналоговая земля) и к цифровому земляному полигону компонентов цифровой схемы (формируется цифровая земля). И лишь после этого в источнике производится объединение цифровой и аналоговой земли.

Другие правила формирования земли:

* Шины питания и земли должны находится под одним потенциалом по переменному току, что подразумевает использование конденсаторов развязки и распределенной емкости.

* Не допускалось перекрытие аналоговых и цифровых полигонов (рис. 10). Располагайте шины и полигоны аналогового питания над полигоном аналоговой земли (аналогично для шин цифрового питания). Если в каком-либо месте существует перекрытие аналогового и цифрового полигона, распределенная емкость между перекрывающимися участками будет создавать связь по переменному току, и наводки от работы цифровых компонентов попадут в аналоговую схему. Такие перекрытия аннулируют изоляцию полигонов.



Рисунок 7.1Размещение полигонов аналоговых и цифровых сигналов

* Разделение не означает электрической изоляции аналоговой от цифровой земли (рис. 11). Они должны соединяться вместе в каком-то, желательно одном, низкоимпедансном узле. Правильная, с точки зрения земли, система имеет только одну землю, которая является выводом заземления для систем с питанием от сетевого переменного напряжения или общим выводом для систем с питанием от постоянного напряжения (например, аккумулятора). Все сигнальные токи и токи питания в этой схеме должны возвращаться к этой земле в одну точку, которая будет служить системной землей. Такой точкой может быть вывод корпуса устройства. Важно понимать, что при подсоединении общего вывода схемы к нескольким точкам корпуса могут образовываться земляные контуры. Создание единственной общей точки объединения земель является одним из наиболее трудных аспектов системного дизайна.

Рисунок 7.2 Разделение аналогвой и цифровой земли

* По возможности были разделены выводы разъемов, предназначенные для передачи возвратных токов - возвратные токи должны объединяться только в точке системной земли. Старение контактов разъемов, а также частая расстыковка их ответных частей приводит к увеличению сопротивления контактов, следовательно, для более надежной работы необходимо использование разъемов с некоторым количеством дополнительных выводов. Сложные цифровые печатные платы имеют много слоев и содержат сотни или тысячи проводников. Добавление еще одного проводника редко создает проблему в отличие от добавляемых дополнительных выводов разъемов. Если это не удается сделать, то необходимо создавать два проводника возвратного тока для каждой силовой цепи на плате, соблюдая особые меры предосторожности.

* Важно отделить шины цифровых сигналов от мест на печатной плате, где расположены аналоговые компоненты схемы. Это предполагает изоляцию (экранирование) полигонами, создание коротких трасс аналоговых сигналов и внимательное размещение пассивных компонентов при наличии расположенных рядом шин высокоскоростных цифровых и ответственных аналоговых сигналов. Шины цифровых сигналов должны разводиться вокруг участков с аналоговыми компонентами и не перекрываться с шинами и полигонами аналоговой земли и аналогового питания. Если этого не делать, то разработка будет содержать новый непредусмотренный элемент - антенну, излучение которой будет воздействовать на высокоимпедансные аналоговые компоненты и проводники (рис.).



Рисунок 7.3 Излучение проводниками печатной платы

Почти все сигналы тактовых частот являются достаточно высокочастотными сигналами, поэтому даже небольшие емкости между трассами и полигонами могут создавать значительные связи. Необходимо помнить, что может вызывать проблему не только основная тактовая частота, но и ее высшие гармоники.

* Хорошей концепцией является размещение аналоговой части схемы близко к входным/выходным соединениям платы. Разработчики цифровых печатных плат, использующие мощные интегральные схемы, часто склонны разводить шины шириной 1 мм и длиной несколько сантиметров для соединения аналогововых компонентов, полагая, что малое сопротивление трассы поможет избавиться от наводок. То, что при этом получается, представляет собой протяженный пленочный конденсатор, на который будут наводиться паразитные сигналы от цифровых компонентов, цифровой земли и цифрового питания, усугубляя проблему.

Частотные характеристики пассивных компонентов.

Для правильной работы аналоговых схем весьма важен правильный выбор пассивных компонентов. Начинайте дизайнерскую разработку с внимательного рассмотрения высокочастотных характеристик пассивных компонентов и предварительного размещения и компоновки их на эскизе платы.

Большое число разработчиков совершенно игнорируют частотные ограничения пассивных компонентов при использовании в аналоговой схемотехнике. Эти компоненты имеют ограниченные частотные диапазоны, и их работа вне специфицированной частотной области может привести к непредсказуемым результатам. Кто-то может подумать, что это обсуждение касается только высокоскоростных аналоговых схем. Однако, это далеко не так - высокочастотные сигналы достаточно сильно воздействуют на пассивные компоненты низкочастотных схем посредством излучения или прямой связи по проводникам. Например, простой низкочастотный фильтр на операционном усилителе может легко превращаться в высокочастотный фильтр при воздействии на его вход высокой частоты.

Резисторы.

Высокочастотные характеристики резисторов могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 8.4.

Риунок 7.4 Эквивалентная схема резистора

Обычно применяются резисторы трех типов: 1) проволочные, 2) углеродные композитные и 3) пленочные. Не надо иметь много воображения, чтобы понять, как проволочный резистор может превращаться в индуктивность, поскольку он представляет собой катушку с проводом из высокоомного металла. Большинство разработчиков электронных устройств не имеют понятия о внутренней структуре пленочных резисторов, которые также представляют собой катушку, правда, из металлической пленки. Поэтому пленочные резисторы также обладают индуктивностью, которая, впрочем, несколько меньше, чем у проволочных резисторов. Пленочные резисторы с сопротивлением не более 2 ком можно свободно использовать в высокочастотных схемах. Выводы резисторов параллельны друг другу, поэтому между ними существует заметная емкостная связь. Для резисторов с большим сопротивлением межвыводная емкость будет уменьшать полный импеданс на высоких частотах.

Конденсаторы

Высокочастотные характеристики конденсаторов могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 7.5.

Риунок 7.5Эквивалентная схема конденсатора

Конденсаторы в аналоговых схемах используются в качестве элементов развязки и фильтрующих компонентов. Для идеального конденсатора реактивное сопротивление определяется по следующей формуле:

Следовательно, электролитический конденсатор емкостью 10 мкф будет обладать сопротивлением 1,6 Ом на частоте 10 кгц и 160 мком на частоте 100 мгц. Так ли это?

В действительности, никто никогда не видел электролитического конденсатора с реактивным сопротивлением 160 мком. Обкладки пленочных и электролитических конденсаторов представляют собой свитые слои фольги, которые создают паразитную индуктивность. Эффект собственной индуктивности у керамических конденсаторов значительно меньше, что позволяет использовать их при работе на высоких частотах. Кроме этого, конденсаторы обладают током утечки между обкладками, который эквивалентен включенному параллельно их выводам резистору, добавляющему свое паразитное воздействие к воздействию последовательно включенного сопротивления выводов и обкладок. К тому же, электролит не является идеальным проводником. Все эти сопротивления, складываясь, создают эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Конденсаторы, используемые в качестве развязок, должны обладать малым ESR, поскольку последовательное сопротивление ограничивает эффективность подавления пульсаций и помех. Повышение рабочей температуры довольно значительно увеличивает эквивалентное последовательное сопротивление и может привести к ухудшению характеристик конденсатора. Поэтому, если предполагается использование алюминиевого электролитического конденсатора при повышенной рабочей температуре, то необходимо использовать конденсаторы соответствующего типа (105°С).

Выводы конденсатора также вносят свой вклад в увеличение паразитной индуктивности. Для малых значений емкости важно оставлять длину выводов короткой. Сочетание паразитных индуктивности и емкости может создать резонансный контур. Полагая, что выводы имеют индуктивность порядка 8 нгн на один сантиметр длины, мы можем подсчитать, что конденсатор емкостью 0,01 мкф с выводами длиной по одному сантиметру будет иметь резонансную частоту около 12,5 мгц. Этот эффект был известен еще инженерам, которые десятилетия назад разрабатывали электронные вакуумные приборы. Тот, кто восстанавливает антикварные радиоприемники и не знает об этом эффекте, сталкивается с множеством проблем.

При использовании электролитических конденсаторов необходимо следить за правильным его подключением. Положительный вывод должен быть подключен к более положительному постоянному потенциалу. Неправильное подключение приводит к протеканию через электролитический конденсатор постоянного тока, что может вывести из строя не только сам конденсатор, но и часть схемы.

В редких случаях разность потенциалов по постоянному току между двумя точками в схеме может менять свой знак. Это требует применения неполярных электролитических конденсаторов, внутренняя структура которых эквивалентна двум полярным конденсаторам, соединенным последовательно.

Индуктивности.

Высокочастотные характеристики индуктивностей могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 7.6.

Рисунок 7.6 Реактивное сопротивление индуктивности описывается следующей формулой

Следовательно, индуктивность 10 мгн будет обладать реактивным сопротивлением 628 Ом на частоте 10 кгц, а на частоте 100 мгц - сопротивлением 6,28 мом. Верно ли это?

В действительности, не существует индуктивности с реактивным сопротивлением 6,28 мом. Природу возникновения паразитного сопротивления легко понять - витки катушки выполнены из провода, обладающего некоторым сопротивлением на единицу длины. Паразитная емкость воспринимается труднее до тех пор, пока не принять во внимание то, что следующий виток катушки расположен вплотную к предыдущему, и между близко расположенными проводниками возникает емкостная связь.

Паразитная емкость ограничивает верхнюю рабочую частоту. Небольшие проволочные индуктивности начинают становиться неэффективными в диапазоне 10...100 мгц.

Печатная плата.

Сама печатная плата обладает характеристиками рассмотренных выше пассивных компонентов, правда, не столь очевидными.

Рисунок проводников на печатной плате может быть как источником, так и приемником помех. Хорошая разводка проводников уменьшает чувствительность аналоговой схемы к излучению источников.

Печатная плата восприимчива к излучению, поскольку проводники и выводы компонентов образуют своеобразные антенны. Теория антенн представляет собой достаточно сложный предмет для изучения и не рассматривается в этой главе.

Между проводниками печатной платы, находящимися на разных слоях, возникает емкостная связь, когда они пересекаются. Иногда это может создать проблему. Проводники, находящиеся друг над другом на смежных слоях, создают длинный пленочный конденсатор.

Всякий раз, когда при разводке печатной платы появляется необходимость в создании переходного отверстия, т.е. Межслойного соединения (рисунок 8.7), необходимо помнить, что при этом также возникает паразитная индуктивность. При диаметре отверстия после металлизации d и длине канала h индуктивность можно вычислить по следующей приближенной формуле



Рисунок 7.7

Например, при d=0,4 мм и h=1,5 мм (достаточно распространенные величины) индуктивность отверстия равна 1,1 нгн.

Имейте в виду, что индуктивность отверстия вместе с такой же паразитной емкостью формируют резонансный контур, что может сказаться при работе на высоких частотах. Собственная индуктивность отверстия достаточно мала, и резонансная частота находится где-то в гигагерцовом диапазоне, но если сигнал в течение своего пути вынужден проходить через несколько переходных отверстий, то их индуктивности складываются (последовательное соединение), а резонансная частота понижается.

Вывод: стараться избегать большого числа переходных отверстий при разводке ответственных высокочастотных проводников аналоговых схем. Другое негативное явление: при большом количестве переходных отверстий в полигоне земли могут создаваться петлевые участки. Наилучшая аналоговая разводка - все сигнальные проводники располагаются на одном слое печатной платы.

Заключение по этой главе

В ходе разводки и проектирование печатной платы и сборочной части были учтены следующие требования:

Общие:

· Учтены источники шума и помех;

Печатная плата:

· для создания печатной платы используется качественный материал (FR-4);

· схема, выполнена на многослойной печатной плате(что уменьшает восприимчивость к внешним помехам;

· используется разделение полигонов по перекрытию для различных земель и питаний;

· полигоны земли и питания располагаются на внутренних слоях печатной платы;

Компоненты:

· учтены частотные ограничения, вносимые пассивными компонентами и проводниками платы;

· используются компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа (без лишних выводов);

· проводники по возможности проектировались как можно короче (если это было невозможно, то уменьшалась его ширина);

Разводка:

· аналоговая схема размещена вблизи разъема питания;

· проводники, подходящие к инвертирующему входу ОУ, укорочены;

· по-возможности уменьшено количество переходных отверстий, т.к. их собственная индуктивность может привести к возникновению дополнительных проблем;

· соответствующие проводники разведены не под прямыми углами и сглажены вершины углов.

8. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

В данном разделе рассматривается вопрос экономической целесообразности разработки цифрового анализатора и организационные вопросы значимости, полезности, необходимости, а также наличие технико-экономических показателей по сравнению с аналогичными устройствами. В основе технико-экономического раздела лежит расчет экономической эффективности. Основными элементами расчета являются абсолютные значения текущих затрат (себестоимости), прибыли и цены изделия.

В дипломных проектах конструкторского направления должны быть отражены следующие технико-экономические вопросы:

· Расчет капитальных затрат на разработку

· Расчет оптовой цены изделия

· Расчет годовых эксплуатационных затрат

· Расчет эксплуатационных затрат по аналогу

· Расчет экономического эффекта от внедрения спроектированного изделия

· Общие выводы об экономической эффективности спроектируемого изделия.