Разработка радиомодема для передачи данных Ethernet по радиоканалу на основе оборудования СКК 2/8/34

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

связь радиомодем приемник

Сегодня телекоммуникации являются основой развития общества, а информационные ресурсы становятся основным национальным богатством. Эффективность их использования в государственном и военном управлении, в промышленности, науке и образовании во все большей степени будет определять национальную безопасность страны и ее важнейшую составную часть - обороноспособность государства.

Современные военные системы связи должны обеспечивать: своевременный и безопасный обмен информации между пунктами управления с высокой степенью достоверности при полном использовании технических возможностей различных средств связи, а также высокую защищенность каналов связи.

Данный дипломный проект рассматривает возможность модернизации военной станции связи «СКК 2/8/34» . Данная станция позволяет передавать различные виды информации на значительные расстояния, используя оптические линии связи.

Целью дипломного проекта является разработка радиомодема, позволяющего использовать для организации связи помимо волоконно-оптического кабеля, радиоканал.

Разрабатываемое радиотехническое устройство может стать, как компонентом транспортной сети для военной станции связи «СКК 2/8/34», так и использоваться для коммерческих целей.

Устройство может применяться в распределенных корпоративных сетях, состоящих из нескольких удаленных объектов (филиалов и т.п.), также для построения промышленных радиосетей обмена данными и удаленного управления стационарными и мобильными объектами.

Радиомодем широкополосный предназначен для передачи в конфигурации точка-точка Fast Ethernet со скоростью 34 Мбит/с.

Техническое задание

Разработать радиомодем, привести схемотехнические решения.

Область применения: станция связи «СКК-2/8/34»,организация беспроводных промышленных сетей передачи

Назначение: беспроводная передача информации (10/100 Мбит/с Ethernet).

Технические требования: минимально возможное потребление энергии источника питания, диапазон частот - дециметровый.

Состав изделия и требования конструкции: минимальные массогабаритные характеристики.

Условия эксплуатации: умерено-холодный климат.

Интерфейсы: 10/100 Base-T , RS232, JTAG, RF.

Технические характеристики:

-диапазон частот: 2,4-2,4835 ГГц;

-максимальная дальность: 30 км;

-мощность передатчика: 31,62 мВт;

-максимальная скорость передачи данных: 34,368 Мбит/с;

-чувствительность приемника: минус 100дБм;

-внешний блок питания: 5В;

- импеданс антенны: 50 Ом.

1. Анализ станции связи «СКК 2/8/34»

Станция связи «СКК 2/8/34» разработана и производится российским научно-производственным предприятием ОАО НИИ «Солитон», специализирующимся на создании современного телекоммуникационного оборудования для телефонных сетей общего пользования и ведомственных сетей.

Станция связи «СКК 2/8/34» представляет собой модульную цифровую передающую систему c программным управлением.

Станция связи «СКК 2/8/34» разработана в соответствии с рекомендациями ITU-T, техническими и эксплуатационными требованиями Взаимоувязанной сеть связи России и производится с использованием самой современной импортной элементной базы высокой степени интеграции и программного обеспечения собственной разработки.

1.1 Назначение и область применения

Оборудование Станция связи «СКК 2/8/34» предназначено для применения на ЕСЭ Российской Федерации в качестве комбинированной станции, обеспечивающей передачу данных на значительном расстоянии. Оборудование станция связи «СКК 2/8/34»обеспечивает:

1) построение ведомственной транспортной сети связи;

2) построение сетей связи военного назначения;

3) подключение к сетям общего пользования;

4) создание мультисервисных сетей для предоставления услуг:

- доступ в Интернет;

- видеоконференций;

- доступа к телефонным сетям;

5) установление соединений с информационно-справочными системами сетей местной и зоновой телефонной связи.

1.2 Эксплуатационно-технические данные

Синхронизация: синхронный режим (ведущий или ведомый), плезиохронный режим, внешний источник синхронизации (G.703/6, G.703/10). Рабочее напряжение питания: в диапазоне от минус 36В до минус 72В постоянного тока. Тип коммутационного поля: полнодоступное, без внутренних блокировок.

Режим работы: круглосуточный.

Управление и техническое обслуживание: с локального компьютера.

Типы интерфейсов:

-интерфейс S2м для подключения четырехпроходных цифровых абонентских линий первичного доступа (PRI);

-цифровой интерфейс Ethernet 10/100 Мбит/с;

-цифровой интерфейс G.703;

-интерфейс для подключения пульта управления RS-232.

1.3 Функциональная архитектура станции связи «СКК 2/8/34»

Рисунок 1.1- Станция связи «СКК 2/8/34»

Структурно «СКК 2/8/34» состоит из семи основных групп модулей:

1.Кроссовое оборудование представляет собой коммутационное распределительное оборудование связи. Кроссовое оборудование применяют для перехода с многопарного кабеля на обычный (четырёхпарный) кабель. При этом кроссовое оборудование обеспечивает целостность кабельной системы, предусматривая ручное перекоммутирование пар во время монтажа; надежно скрывает порты от напряжения, «умеет» раздельно диагностировать линии абонентской нагрузки и порты системы, а также осуществлять прекроссировку одной пары.

2.Каналообразующее оборудование и аппаратура низкоскоростного мультиплексирования осуществляет TDM мультиплексирование с разделением времени (Time Division Multiplexing, TDM).

Аппаратура работает в режиме разделения времени, поочередно обслуживая в течение цикла своей работы все абонентские каналы. Цикл работы оборудования TDM равен 125 мкс, что соответствует периоду следования замеров голоса в цифровом абонентском канале. Это значит, что мультиплексор или коммутатор успевает во время обслужить любой абонентский канал и передать его очередной замер далее по сети. Каждому соединению выделяется один квант времени цикла работы аппаратуры, называемый также тайм-слотом.

Мультиплексор принимает информацию по N входным каналам от конечных абонентов, каждый из которых передает данные по абонентскому каналу со скоростью 64 кбит/с -1 байт каждые 125 мкс. В каждом цикле мультиплексор выполняет следующие действия:

- прием от каждого канала очередного байта данных;

- составление из принятых байтов уплотненного кадра

- передача уплотненного кадра на выходной канал с битовой скоростью, равной N x 64 кбит/с.

3.Коммутатор (коммутационное поле) обеспечивает прием первичных цифровых потоков, обработку сигналов управления и взаимодействия, поступающих по каналам сигнализации, поиск свободных каналов по запрашиваемым направлениям и коммутацию цифровых каналов на время установления соединения. Коммутатор создает полнодоступное (без внутренних блокировок) поле коммутации, что обеспечивает возможность коммутации любого из каналов любого входящего цифрового тракта с любым свободным каналом любого исходящего тракта. Емкость коммутационного поля одного блока ГК может изменяться от 240 до 3 840 каналов.

4. Электропитание оборудования «СКК 2/8/34» осуществляется от внешнего источника гарантированного питания постоянного тока с номинальным напряжением минус 48В и минус 60 В. Для обеспечения резервирования первичных источников электропитания, оборудование «СКК 2/8/34» поддерживает независимую работу от двух входов электропитания.

Все функциональные модули подключаются к двум шинам питания непосредственно, так как все функциональные узлы имеют индивидуальные встроенные преобразователи (вторичные источники питания) для получения необходимых внутренних напряжений питания.

Отсутствие напряжение питания на любом из входов не нарушает работоспособность. Для защиты общих цепей электропитания предусмотрены самовосстанавливающиеся предохранители. Отсутствие напряжений питания или срабатывание предохранителей немедленно обнаруживается и вызывает соответствующую аварийную сигнализацию.

5.Блок синхронизации (генераторное оборудование). Станция поддерживает два вида синхронизации: - от главного генератора или система вида «ведущий - ведомый»;

- плезиохронная система синхронизации. В системе синхронизации «от главного генератора» в качестве ведущего генератора используется генератор высокой стабильность (первичный эталонный генератор ПЭГ), установленной на отдельной станции.

На ведомых станциях генераторы выделяют сигнал синхронизации из принимаемого сигнала от ведущей станции. ПЭГ «ведет» генераторы фазовых автоподстроек частоты с точностью до фазы, средняя частотная расстройка генераторов ФАПЧ устраняется полностью. С выходов ФАПЧ синхронизированные колебания поступают в генераторное оборудование узлов коммутации аппаратуру передачи данных.

Плезиохронная синхронизация является автономной системой синхронизации. В этом случае генераторное оборудование отдельных узлов коммутации и ЦСП синхронизируется автономно от первичных эталонных генераторов с относительной нестабильностью по частоте.

1.4 Блок ОЛТ

Блоки ОЛТ (блоки линейного тракта) обеспечивают передачу и прием линейного сигнала с восстановлением его формы, контроль верности принимаемого сигнала, передачу информации о состоянии линейных трактов.

Рисунок 1.2- Функциональные узлы секции ОЛТ

Данная схема описывает функциональные узлы секции ОЛТ. Секция включает в себя:

- блок EN8 (определяет входной интерфейс 10/100 Base - T и преобразование потоков Ethernet /E1);

- преобразователь стыка ПС предназначен для четырех потоков Е1;

- блок мультиплексоров МТГ (обеспечивает уплотнение четырех потоков Е2 до потока E3);

- блок ППО3 (для приема электрического сигнала потоков 4 x 2048 кбит/с в коде HDB3 и преобразования его в оптический сигнал в коде CMI и передачи в оптическую линию).

Задачей проектирования является разработка дополнительного радиочастотного блока обеспечивающего передачу данных Ethernet.

Оборудование «СКК 2/8/34» выполнено в стандартном блочно-модульном конструктиве Евромеханика “19”. Блоки представляют собой кассеты, в которые по направляющим вставляются комплектующие модули. Конструкция блоков обеспечивает их быстрый съем и установку. Электромонтаж блоков между собой осуществляется кабельными соединителями. Соединение модулей внутри блока осуществляется с помощью врубных разъемов и объединительной платы (кросс-платы), закрепленной на тыльной стороне крейта.

Кросс-плата (объединительная плата) служит для подключения и объединения работы комплектующих модулей. Для этого на ней расположены разъемные соединители и согласованные печатные проводники, реализующие информационные, управляющие и питающие магистрали, а также плата контроля электропитания.

2. Техническое предложение

В данном разделе будут приведены технические данные о целесообразности разработки изделия, а также различные варианты возможных решений.

Станция «СКК 2/8/34» использует технологию оптической передачи данных. Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния.

Безусловно, применение волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) оправдано на магистральных линиях, где необходимо передавать большие объемы информации. Однако если объем информации невелик, то применение радиоканалов позволит значительно снизить расходы на эксплуатацию такой линии связи. Особенно актуально становится применение радиопередающих систем в местах, где прокладка ВОЛС невозможна, например, в условиях городской застройки или наоборот, значительной удаленности от магистралей связи.

Дипломный проект предлагает модернизировать существующую станцию связи, дополнить ее радиопередающим оборудованием, что позволить создать надежную среду передачи, дублирующие оптоволоконную линию.

При повреждении оптоволокна радиолиния позволит предотвратить потерю информации. Радиоканал также может полностью заменить ВОЛС в условиях невозможности прокладки кабеля.

2.1 Выбор частотного диапазона

В выборе радиочастотного диапазона будем руководствоваться требованиям предъявляемой к скорости передачи.

От того, в каком диапазоне работает оборудование, зависят такие показатели, как дальность связи, скорость передачи информации и требования к обеспечению «прямой видимости», зависимость качества связи от погодных условий [1]. Наиболее распространенные диапазоны частот, предназначенные для систем передачи данных, это 136-174 МГц, 400-512 МГц, 2,4 ГГц,

5 ГГц, 10-12 ГГц, 30-35 ГГц и выше. Зависимость параметров следующая: чем выше частота, тем выше может быть скорость передачи данных, меньше дальность, выше требования к обеспечению прямой видимости и больше чувствительность к перемене погоды. Эта зависимость иллюстрируется следующими примерами, показывающими, каких параметров связи можно добиться при использовании различных диапазонов частот:- 136-174 МГц -- скорость передачи данных до 19,2 Кбит/с, дальность связи до 50-70 км, связь может осуществляться «из-за угла» и за горизонтом за счет искривления пути прохождения радиолуча у земли. Параметры связи практически не зависят от погодных условий.- 400-512 МГц -- скорость передачи данных до 128 Кбит/с, дальность связи до 40-50 км. Возможна радиосвязь при помощи приема сигналов, отраженных от различных зданий и сооружений, гор и т.д., хотя наличие прямой видимости желательно;

-в диапазонах 800-960 МГц и выше возможна организация каналов передачи данных со скоростью свыше 2 Мбит/с, при этом обязательным является условие прямой видимости между антеннами. С ростом используемой частоты увеличивается влияние погодных условий и уменьшается дальность связи, так как условия распространения радиоволн в этом диапазоне приближаются к условиям распространения света. Кроме того, дальность связи зависит от мощности передатчиков, чувствительности приемников и характеристик применяемых антенн и радиочастотного кабеля.

Для передачи данных с высокой скоростью оптимален диапазон СВЧ сверхвысокие частоты. Достоинства СВЧ диапазона:

1. Большая информационная емкость из-за значительной полосы частот.

2. СВЧ-диапазон позволяет осуществлять пространственную селекцию сигналов, обеспечивает повышение помехозащищенности радиосистем при работе в совмещенном диапазоне частот. Это связано с тем, что в диапазоне СВЧ сравнительно легко можно создавать антенны с размерами во много раз превышающими длину волны, что позволяет сконцентрировать электромагнитное излучение в узкий луч. Остронаправленное излучение повышает энергетический потенциал радиолинии.

3. Можно принимать сигналы с предельно низким уровнем мощности

(10-14 Вт), так как в диапазоне СВЧ значительно меньше, чем на более низких частотах, уровень атмосферных и промышленных помех [1].

Недостатки:

1. Для организации связи на большие расстояния необходима ретрансляция, поскольку волны СВЧ-диапазона распространяются практически прямолинейно. Это значительно усложняет и удорожает систему связи.

2. Уменьшается дальность связи, так как в диапазоне СВЧ, особенно в его коротковолновой части, существенно возрастает затухание радиоволн из-за дождя, резонансного поглощения в газах атмосферы, гидрометеорах

Данный радиомодем использует диапазон 2,4 ГГц. Обусловлено это тем, что во многих странах этот диапазон свободен от лицензирования и инсталляции оборудования, работающего в этом диапазоне, имеют массовый характер. С одной стороны, это дает широкие возможности для тех операторов, кто не специализируется в развертывании радиосетей доступа, с другой не взыскательный характер самого оборудования сказывается на его характеристиках в сторону минимального сервисного набора (например, только передача данных), а также небольшой емкости подобных систем [1].

2.2 Выбор структуры приемопередающей аппаратуры и вида модуляции

Передача данных по радиоканалу производится модуляцией параметров несущего колебания информационным сигналом. При передаче цифровой информации значения амплитуды и фазы колебания несущей частоты должны принимать дискретные значения в однозначном соответствии с информационной последовательностью. Формирование сигнала - существенно нелинейная операция. Диапазон изменения основных параметров формируемого сигнала велик, поэтому на мировом рынке множество сопоставимых моделей модуляторов. Повышение технических требований к системам передачи информации приводит к быстрому совершенствованию этих устройств. Попытаемся систематизировать современное состояние техники модуляторов СВЧ-диапазона в интегральном или микромодульном исполнении и оценить тенденции их развития [2].

Радиосигнал на выходе модулятора можно записать в виде

u(t)=U(t)cos[щ₀t +ц (t )], (2.1)

где U(t) - закон изменения амплитуды,

щ₀ = 2рѓ₀ - несущая частота,

ц(t) - отклонение фазы сигнала от линейного во времени закона.

Классификация устройств модуляции параметров несущих колебаний приведена на рисунке 2.1.



Рисунок 2.1- Классификация модуляторов сверхвысоких частот

Из теории связи известно, что наивысшей помехоустойчивостью обладает двоичная фазовая модуляция BPSK. Однако в ряде случаев за счет уменьшения помехоустойчивости канала связи можно увеличить его пропускную способность [2] .

В настоящее время наибольшее распространение получили несколько вариантов фазовой модуляции. Алгоритм модуляции QPSK(Quadrature Phase Shift Keying - квадратурная фазовая манипуляция) использует четыре значения фазы несущего колебания (р/4, 3р/4 ,5р/4 ,7р/4)

Квадратурно-амплитудная модуляция (QАМ) представляет собой дальнейшее развитие фазовой модуляции. Фазовая модуляция может быть представлена как сумма двух амплитудно-модулированных сигналов (I-канал и Q-канал), которые при сложении в канале дают фазово-модулированный сигнал.

Рисунок 2.2 - Принцип работы ФМ модулятора/демодулятора, основанного на квадратурном представлении

На рисунке 2.2 показано, как одним цифровым сигналом порождаются два амплитудно-модулированных сигнала, сдвинутые по фазе на 90 градусов. Этот способ, названный способом квадратурного представления, получил дальнейшее развитие, когда каждый из каналов независимо друг от друга получает многоуровневый импульсный сигнал. Таким образом, применяются две координаты - фаза и амплитуда; на фазовой плоскости это отображается точками, расположенными на фазовой плоскости в соответствии с фазой и амплитудой модуляции сигналов.

Алгоритм квадратурной амплитудной модуляции, по сути, является разновидностью алгоритма гармонической амплитудной модуляции и поэтому обладает следующими важными свойствами:

-ширина спектра QAM модулированного колебания не превышает ширину спектра модулирующего сигнала;

-положение спектра QAM модулированного колебания в частотной области определяется номиналом частоты несущего колебания [3] .

Эти полезные свойства алгоритма обеспечивают возможность построения на его основе высокоскоростных систем передач данных.

Рисунок 2.3 - Полярная диаграмма сигнала QAM модуляции

Помехоустойчивость алгоритма QAM обратно пропорциональна его спектральной эффективности. Воздействие помех приводит к возникновению неконтролируемых изменений амплитуды и фазы передаваемого по линии сигнала. При увеличении числа кодовых точек на фазовой плоскости расстояние между ними (P) уменьшается и, следовательно, возрастает вероятность ошибок при распознавании вектора Zm* на приемной стороне. Предельный уровень допустимых амплитудных и фазовых искажений

QAM-модулированного сигнала представляет собой круг диаметром P. Центр этого круга совпадает с узлом квадратурной сетки на фазовой плоскости. Заштрихованные области на рисунке соответствуют координатам искаженного вектора QAM-модулированного колебания при воздействии на полезный сигнал помехи, относительный уровень которой определяется соотношением 20дБ SNR 30дБ.

Алгоритм квадратурной амплитудной модуляции является относительно простым в реализации и в то же время достаточно эффективным алгоритмом Современные реализации этого алгоритма обеспечивают достаточно высокие показатели спектральной эффективности. Как уже было отмечено выше, ограниченность спектра и относительно высокий уровень помехоустойчивости QAM-модулированного сигнала обеспечивают возможность построения на основе этой технологии высокоскоростных систем передачи данных

К недостаткам алгоритма можно отнести относительно невысокий уровень полезного сигнала в спектре модулированного колебания. Этот недостаток является общим для алгоритмов гармонической амплитудной модуляции и выражается в том, что максимальную амплитуду в спектре модулированного колебания имеет гармоника с частотой несущего колебания.

2.3 Обоснование структуры приемной части радиомодема

Рисунок 2.4 - Принципы построения модулятора/демодулятора QAM

Принцип построения приемника определяется видом принимаемого сигнала, его модуляцией, динамическим диапазоном. Архитектура передатчика с прямым преобразованием частоты предполагает конструкцию приемника также с прямым преобразованием сигнала в квадратурных каналах. Приемник прямого преобразования имеет некоторые преимуществ перед традиционной супергетеродинной структурой. Супергетеродинная структура двух и более каскадов повышения и понижения частоты, цепей фильтрации сигнал промежуточной часты и обработки аналогового сигнала [4]. На рисунке 2.5 показана классическая архитектура супергетеродинного приемника с двойным преобразованием частоты.

Рисунок 2.5- Архитектура тракта приема с двойным преобразованием частоты

От правильного выбора значения промежуточных частот (ПЧ) зависят получаемые величины селективности и чувствительности приемника. Второе преобразование вниз по частоте в современных трактах приема обычно происходит в квадратурных схемах, чтобы облегчить цифровую обработку синфазных и квадратурного сигналов I и Q. В приемнике с двойным преобразованием частоты существенно снижаются требования к элементам фильтрации. Супергетеродинная архитектура приемного тракта считается наиболее надежной, так как в ней высокие значения селективности и чувствительности могут быть достигнуты надлежащим выбором значений ПЧ и параметров полосовых фильтров (ПФ) [5].

По сравнению с гетеродинной структурой архитектура прямого преобразования уменьшает число компонентов в каждом канале преобразования высокочастотного сигнал напрямую с основной частоты.

Приведем ряд наиболее часто используемых архитектур и структур РЧ блоков, перспективных с точки зрения наращивания диапазонов и технологий, используемых в устройстве [5].

Таблица 2.1-Архитектура трактов приема

Архитектура	Преимущества	Недостатки
Супергетеродинная структура	Высокая надежность, высокие значения селективности и чувствительности	Увеличение стоимости и размеров. Высокие требования к фильтрации. Невозможность интеграции структуры в единую микросхему
Прямое преобразование вниз по частоте	Возможность создания многодиапазонных и многомодовых РЧ блоков. Аналоговый интерфейс с ВВ (BaseBand) трактом.	Необходимость динамического управления и подавления смещения постоянной составляющей. Необходима хорошая развязка РЧ ГУН с антенной из-за опасности излучений его сигнала; Трудно использовать КМОП технологии из-за фликкер-шума.
ПЧ близкая к Нулю	Аналоговый или цифровой интерфейс с ВВ (BaseBand) трактом. Возможность использования КМОП технологии.	Необходим АЦП с высоким динамическим диапазоном и сложная цифровая фильтрация. Необходим качественный смеситель с подавлением зеркального сигнала и преобразованием вниз. Сложность реализации мультимодовых устройств.

2.4 Выбор фирмы-изготовителя

В настоящее время номенклатура выпускаемого оборудования довольно широка и технические характеристики и стоимость у различных фирм-изготовителей и фирм, представляющих их интересы в России, отнюдь не одинаковы.

Различными производителями предлагается достаточно большое количество наборов интегральных схем различной степенью интеграции для радиочастотного блока, но производимый выбор влияет на конфигурацию приемопередатчика и стоимость изделия. Учитывая качество, технические характеристик и стоимость предложенных на рынке микроэлектроники микросхем, выбор делаем в пользу фирмы Maxim Integrated Products.

3. Описание функциональной схемы радиомодема

Радиомодем является радиосистемой передачи. Под радиосистемой передачи (РСП) понимают совокупность технических средств, обеспечивающих образование типовых каналов передачи, групповых трактов и линейного тракта, по которым сигналы электросвязи передаются посредством распространения радиоволн в открытом пространстве.

Несмотря на большое разнообразие РСП, основные принципы их построения являются общими [1] .

Все оборудование системы передачи можно разделить на две части: каналообразующее и групповое оборудование (КГО) и приемо-передающее оборудование. Рассмотрим структуру радиомодема.

Каналообразующее и групповое оборудование на передающем конце обеспечивает преобразование входящего Ethernet трафика в потоки E1 с последующим мультиплексированием и образованием потока E3.

На приемном конце идет обратное преобразование сигнала (демультиплексирование и преобразование E1-Ethernet).

Для формирования радиосигнала и передачи его на расстояние в данном случае используем широкополосную радиосистему.

Система радиосвязи вместе с трактом распространения радиоволн образуют линейный тракт. Радиопередающее оборудование состоит из передатчика и антенно-фидерного устройства.

В оконечном оборудовании на передающем конце формируется высокочастотный широкополосный сигнал.

На приемном конце производятся обратные операции: демодулируется высокочастотный радиосигнал и выделяется полезный сигнал. Приемник прямого преобразования непосредственно демодулирует ВЧ-сигнал на частоте несущей в основную полосу (полосу модулирующих сигналов), где сигнал можно детектировать и восстановить содержащуюся в нем информацию.

На передающем конце РСП происходит прямая квадратурная модуляция немодулированных сигналов, в результате спектр сигнала переносится в заданный диапазон СВЧ(2,4 ГГц), усиливается, фильтруется и с помощью антенны излучается в сторону принимающей станции.

В двусторонних РСП для передачи и приема радиосигналов противоположных направлений используется разделенный антенно-фидерный тракт. В процессе передачи во всех звеньях РСП сигналы претерпевают определенные искажения. Причинами искажений являются воздействия различных помех и неидеальность характеристик элементов.

Рисунок 3.1- Структурная схема системы передачи

Помехи, возникающие в самой РСП, называются внутрисистемными. К ним относятся: тепловой шум, возникающий в радиоприемнике, оконечном оборудовании, антенно-фидерном тракте, и переходные помехи, возникающие при многоканальной передаче почти во всех элементах РСП. Кроме внутрисистемных помех на любую РСП оказывают влияние помехи от других стволов в многоствольных системах, от других радиоэлектронных средств (РЭС), радиоизлучения космоса, Земли, атмосферы и т.д. Из-за неидеальности характеристик элементов РСП появляются линейные и нелинейные искажения передаваемых сигналов [1].

3.1 Передающее каналообразующее оборудование

Для передачи Ethernet использована технологию EoPDH- Ethernet-over-PDH - это набор стандартов, которые позволяют передавать фреймы Ethernet по существующей инфраструктуре PDH [6].

Технология включает инкапсуляцию фреймов, мэппинг, объединение связей, настройку пропускной способности.

Инкапсуляция фреймов - это процесс, посредством, которого

Ethernet -фреймы помещаются как полезная нагрузка внутри другого формата для передачи данных по не-Ethernet. Основная задача инкапсуляции - обозначить начальные и конечные байты фрейма. Вторая задача инкапсуляции - преобразовать случайный «пульсирующий» трафик в равномерный, непрерывный поток данных.

Рассмотрим протокол физического уровня Ethernet.

На рисунке 3.2 приведена временная диаграмма передачи кадров Ethernet минимальной длины. Номинальная пропускная способность протокола Ethernet составляет 10/100 Мбит/с, что означает, что биты внутри кадра передаются с интервалом в 0,1/0,01 мкс. Кадр состоит из 8 байт преамбулы, 14 байт служебной информации - заголовка, 46 байт пользовательских данных и 4 байт контрольной суммы, всего - 72 байта или 576 бит. При номинальной пропускной способности 10 Мб/c время передачи одного кадра минимальной длины составляет 57,6 /5,76 мкс.

Рисунок 3.2-Временная диаграмма передачи кадров Ethernet

Нижний или физический уровень PHY обеспечивает преобразование данных в электромагнитные сигналы, предназначенные для определенной среды передачи, и наоборот. Сигналы, передаваемые с физического уровня на второй или канальный уровень, не зависят от среды передачи. Сетевые протоколы, работающие на первом и втором уровнях, задают параметры сигналов.

Спецификация физического уровня PHY TX определяет использование метода MLT-3 для передачи сигналов 5-битовых порций кода 4В/5B по витой паре.

Код трехуровневой передачи MLT-3 ((Multi Level Transmission -3) имеет три уровня сигнала. Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой. Изменение уровня сигнала происходит последовательно с учетом предыдущего перехода. Максимальной частоте сигнала соответствует передача последовательности единиц. При передаче нулей сигнал не меняется. Информационные переходы фиксируются на границе битов. Один цикл сигнала вмещает четыре бита.

Рисунок 3.3- Трехуровневый код MLT-3

Недостаток кода MLT-3, как и кода NRZ отсутствие синхронизации. Эту проблему решают с помощью преобразования данных, которое исключает длинные последовательности нулей и возможность рассинхронизации.

Код NRZ (Non Return to Zero) - без возврата к нулю - это простейший двухуровневый код. Нулю соответствует нижний уровень, единице - верхний. Информационные переходы происходят на границе битов. Вариант кода NRZI (Non Return to Zero Inverted) - соответствует обратной полярности. Несомненное достоинство кода - простота. Сигнал не надо кодировать и декодировать [7].

Кроме того, скорость передачи данных вдвое превышает частоту. Наибольшая частота будет фиксироваться при чередовании единиц и нулей. При частоте 1 ГГц обеспечивается передача двух битов. Для других комбинаций частота будет меньше. При передаче последовательности одинаковых битов частота изменения сигнала равна нулю.

Код NRZ (NRZI) не имеет синхронизации. Это является самым большим его недостатком. Если тактовая частота приемника отличается от частоты передатчика, теряется синхронизация, биты преобразуются, данные теряются.

Рисунок 3.4 -Двухуровневый код NRZ

Для синхронизации начала приема пакета используется стартовый служебный бит, например, единица. Самый распространенный протокол RS232, применяемый для соединений через последовательный порт ПК, также использует код NRZ. Передача информации ведется байтами по 8 бит, сопровождаемыми стартовыми и стоповыми битами.

Протоколы, использующие код NRZ, чаще всего дополняют кодированием данных 4B5B. В отличие от кодирования сигналов, которое использует тактовую частоту и обеспечивает переход от импульсов к битам и наоборот, кодирование данных преобразует одну последовательность битов в другую.

В коде 4B5B используется пятибитовая основа для передачи четырех-битовых информационных сигналов. Пятибитовая схема дает 32 (два в пятой степени) двухразрядных буквенно-цифровых символа, имеющих значение в десятичном коде от 00 до 31. Для данных отводится четыре бита или 16 (два в четвертой степени) символов.

Четырехбитовый информационный сигнал перекодируется в пяти-битовый сигнал в кодере передатчика. Преобразованный сигнал имеет

16 значений для передачи информации и 16 избыточных значений. В декодере приемника пять битов расшифровываются как информационные и служебные сигналы. Для служебных сигналов отведены девять символов, семь символов - исключены.

Кодирование данных решает две задачи - синхронизации и улучшения помехоустойчивости. Синхронизация происходит за счет исключения последовательности более трех нулей. Высокая помехоустойчивость достигается контролем принимаемых данных на пятибитовом интервале.

Цена кодирования данных - снижение скорости передачи полезной информации. В результате добавления одного избыточного бита на четыре информационных, эффективность использования полосы частот в протоколах с кодом MLT-3 и кодированием данных 4B5B уменьшается соответственно на 25%.

При совместном использовании кодирования сигналов MLT-3 и данных 4В5В 3 бита информации приходится на 1 герц несущей частоты сигнала.

Рисунок 3.5-Максимальная частота несущей в зависимости от метода кодирования

Рисунок 3.5 иллюстрирует, как метод кодирования позволяет уменьшить частоту несущей. Для трех методов кодирования приведены ситуации, требующие максимальную частоту несущей. Один герц несущей передает один бит (1) при манчестерском кодировании, два бита (01) кода NRZ и четыре бита (1111) кода MLT-3. Фактор кодирования (передача) составляет соответственно один, два и четыре.

Рассмотрим аппаратную реализацию схем кодирования.

На рисунке 3.6 приведена упрощенная структурная схема преобразование трафика Ethernet в потоки E1

Рисунок 3.6-Каналообразующее передающее оборудование

Тракт преобразования начинается с контроллера - коммутатора PHY-слоя сети Ethernet 10/100 Мбит/сек KS8993 фирмы Micrel

KS8993 - сетевой коммутатор с трансиверами и пакетной буферизацией, имеющий 3 порта 10/100 Base -T с тремя MAC и двумя PHY трансиверами, соответствующими стандарту IEEE 802.3u.

Основной функцией прибора является «внутри приборный» контроль интерфейса.

Передающая часть 100Base-T начинается последовательно-параллельным преобразованием данных. Данные с MII (Media Independent Interface - независящий от среды передачи интерфейс) преобразуются из MAC в последовательный поток данных частотой 125 МГц. Данные и контролирующий поток преобразуются в код 4В/5В и далее направляются на скремблер. Далее последовательный поток меняет формат NRZ на NRZI и передается на MLT3 выход.



Рисунок 3.7 - Последовательность бит в коде MLT3

Приемник 100 Base-T осуществляет функции адаптивного эквалайзера, восстановление постоянной составляющей, преобразование MLT3 в NRZ , дескремблирование, декодирование 4В/5В и преобразование из последовательного кода в параллельный. Приемная сторона начинается с эквалайзера, предназначенного для компенсации интермодуляционных искажений, возникающих в симметричном медном кабеле. Так как ослабление сигнала, фазовые искажения есть функции от длины кабеля, эквалайзер улучшает характеристики для оптимального режима работы. Эквалайзер осуществляет предварительный расчет, основанный на анализе интенсивности входящего сигнала и характеристик кабеля, по результатам которого происходит восстановление и коррекция сигнала.

Выходной последовательный поток в NRZ коде преобразуется в формат MII, который далее становится входными данными для MAC [8].

Далее контроллер посредством интерфейса MII взаимодействует с маппером DS33Z41(Quad IMUX (Inverse Multiplexer) Ethernet Mapper фирма Maxim), который предназначен для инкапсуляции фреймов MAC в HDLC (High-Level Data Link Control (HDLC)- сетевой протокол управления каналом передачи данными), для двунаправленной передачи четырех неперекрывающихся потоков PDH/TDM, используя надежное балансное, программируемое инверсное мультиплексирование.



Рисунок 3.8 - Функциональная структура маппера

Устройство состоит из 10/100 Ethernet трансиверов MAC,устройства разрешения конфликтов, контроллера гарантированной скорости передачи , HDLC/X.86(LAPS) маппера , SDRAM интерфейса, портов управления и тестера числа ошибочных бит (BERT).

Маршрутизатор поддерживает связь с передатчиками и формирователями рамок T1/E1 (framer) посредством последовательной шины (IBO) и обмена следующими сигналами:

TSER/RSER- данные в последовательном коде NRZ,

TSYNC/RSYNC-цикловая частота 8кГц,

TCLKI/RCLKI-тактовая частота 2048 кГц.

Рисунок 3.9 - Реализация IBO интерфейса

Соответствует стандарту 10/100 IEEE 802.3 Ethernet MAC (MII и RMII) Режим дуплекс/полудуплекс с поддержкой автоматического контроля потока (flow control).Устройство осуществляет хранение - передачу (store-forward) пакетов, сохраняя при этом полную скорость передачи. Фреймы хранятся во внешней тридцатидвухбитной SDRAM памяти объемом 16 Мбайт. Встроенный контроллер гарантированной скорости передачи (CIR controller) организует частичное перераспределение полосы пропускания.

Имеет параллельный интерфейс управления. Напряжение питания составляет 1,8 В по входу возможно подключение источников на 3,3 В [9].

Таким образом, mapper обеспечивает передачу последовательных потоков 8,192 Мбит/с (4E1) по шине IBO, направленной к микросхеме DS21Q44 (Quad E1 framer фирмы Maxim)[10].

Рисунок 3.10 - Структурная схема фреймера

DS21Q44 содержит 4 фреймера, которые настраиваются посредством общего параллельного порта, совместимого с микропроцессором.

Каждый фреймер состоит из принимающего фреймера, гибкой памяти приема, передающего устройства форматирования и гибкой памяти передачи (elastic store). Передающая и приемная части каждого фреймера полностью независимы.

Устройство соответствует всем стандартам, описывающим поток Е1, включая CCIT /ITU , G.704, G.706.

Каждый из четырех фреймеров содержит по два буфера памяти, которые соединяются с асинхронной системной платой с частотой 8,192 МГц и содержит 8 битный порт управления.

При образовании рамок E1 каждый фреймера размещает биты FAS (Frame Alignment Signal-сигнал выравнивания фрейма) , CRC (Cyclical Redundancy Check- контроль циклической избыточности) и CAS (Channel Associated Signalling-сигнализация сцепленная с каналом) AIS ( Alarm Indication Signal) сигнал тревожной индикации мультифрейма, которые определяют входящие аварии , потерю несущей, потерю синхронизации.

Если это необходимо, гибкая память на приемной стороне определяет фазовые и частотные различия между восстановленной последовательность E1 и частотой полученной с входа RSYSCLK (2048 кГц).

Итак, фреймер (формирователь потока) осуществляет преобразование цифрового потока данных от маппера в поток E1, генерацию структуры цикла G.703 (слов синхронизации, циклов CRC-4 и пр). Формирователь осуществляет преобразование скорости потока данных, в зависимости от установленных скоростей передачи по сетевому и линейному стыку, приём/генерацию сигналов линий управления через интерфейс LIU (Line Interface Unit-модуль линейных интерфейсов)[10].

Программируемая логическая интегральная схема APA300-PQ352I (фирма Actel) осуществляет функции мультиплексирования E1 в поток E3.

Эта микросхема позволяет объединить низкоскоростные каналы E1 в один высокопроизводительный магистральный канал E3.Микросхема поддерживает работу сети сложной конфигурации и предназначена для использования в высококачественном оборудовании связи, оптических мультиплексорах и измерительном оборудовании. Структурная схема показана на рисунке 3.11. Для управления работой микросхемы было специально разработано программное обеспечение.



Рисунок 3.11 - Функциональная схема ПЛИС

Микросхема содержит все необходимые функции для организации канала связи E3 на физическом уровне. Микросхема выполняет восстановление тактового сигнала/данных и автоматическую компенсацию сигнала от 0дБ до 15дБ в зависимости от затухания в канале связи [11] .

Для передачи по радиоканалу информационных потоков необходимо осуществить кодирование и модуляцию сигналов.

3.2 Передающее оконечное (радиопередающее) оборудование

На рисунке 3.11 приведена упрощенная структурная схема передающего оконечного оборудования (цифрового передатчика). Согласно Рекомендации F.59б МСЭ-Р цифровые системы радиосвязи могут соединяться с другим оборудованием только на вполне определенных иерархических цифровых скоростях [12].

Рисунок 3.11- Радиопередающее оборудование

Предположим, что на вход устройства формирования синфазного и квадратурного потоков (кодер) цифрового передатчика поступают цифровой поток Е3. В результате скорость цифрового потока имеет эффективную скорость передачи 34 Мбит/с [1].

Далее сформированный цифровой поток разбивается на два потока, имеющих в два раза меньшую скорость ? 17 Мбит/c. Эти потоки используются для формирования синфазного цифрового потока (I) и квадратурного цифрового потока (Q).Обработка сигналов осуществляется с помощью квадратурного модулятора. В данной схеме используется модулятор MAX 2022.

Он являются универсальным устройством, которое может применяться независимо от вида модуляции, но с дополнительным преобразованием модулирующего и демодулируемого сигналов. Квадратурные модуляторы - устройства балансного типа, не требующие фильтрации для выделения суммарной или разностной составляющей модулированного сигнала. Они могут также использоваться в качестве повышающих преобразователей частоты.

Квадратурный модулятор и преобразователь ПЧ в ВЧ (в передатчике), а также преобразователь ВЧ в ПЧ и квадратурный демодулятор (в приемнике) являются аналоговыми. На входе модулятора, раздельно в каждом квадратурном канале I и Q, используются ЦАП, В передающем канале сигналы с ПЛИС поступают на ЦАП. Несущее колебание на выходе модулятора является высокочастотным [13].

В схемах современных цифровых приемопередатчиков используются цифровые модулятор и демодулятор. При этом на входе демодулятора должен стоять АЦП (обычно с дециматором), а на выходе модулятора - ЦАП (с интерполятором). При таком включении АЦП и ЦАП преобразовывают не НЧ, а существенно более высокочастотный сигнал. В результате, модулятор и демодулятор работают при более высоких частотах дискретизации и, соответственно, при меньших шумах, вносимых цифровым преобразованием.

Основной элемент модулятора и демодулятора - перемножитель (смеситель).

На входы перемножителя поступают модулирующий сигнал, в общем случае выражаемый как

(3.1)

где A₁(t) и ц(t) - модулированные амплитуда и изменение фазы

и опорное колебание

С выхода перемножителя снимается сумма двух колебаний - с суммарной и разностной частотами:

(3.2)

где A_n(t) пропорционально A₁(t).

Нужное колебание выделяется путем фильтрации или без фильтрации - в квадратурных преобразователях. Первая составляющая, с суммарной частотой , выделяется в повышающих преобразователях частоты, а вторая, с разностной частотой , - в понижающих преобразователях (при ). При вторая составляющая в выражении (3.2)

Рисунок 3.12 -Структурная схема квадратурных модулятора (а) и демодулятора (б)

В модуляторах реализуется режим с (при = 0), в демодуляторах используется составляющая разностной частоты, равной нулю (при = ).

Основные режимы квадратурных модулятора и демодулятора (смотри рисунок 3.12) - модуляция/демодуляция сигнала с синфазной I(t_n) и квадратурной Q(t_n) модулирующими посылками и модуляция/демодуляция аналогового сигнала с одной боковой полосой (ОБП).

В первом режиме модулирующие посылки - аналоговые, с постоянным уровнем в течение каждой посылки и дискретным изменением уровней от посылки к посылке. Уровни содержат информацию о цифровом коде модулирующего сигнала. На выходе модулятора:

(3.3)

где ,

- дискретно изменяемые амплитуда и фаза модулированного сигнала. Сигналы на выходе демодулятора:

I_дем(t_n) = k_демA(t_n)cosДц(t_n); (3.4)

Q_дем(t_n) = k_демA(t_n)sinДц(t_n) (3.5)

пропорциональны входным сигналам модулятора I(t_n) и Q(t_n). Отметим, что НЧ составляющие I(t_n), Q(t_n) на входе модулятора и I_дем(t_n),Q_дем(t_n) на выходе демодулятора представляют сигнал в прямоугольной системе, тогда как сигнал на выходе модулятора и входе демодулятора, согласно выражению (3.3), - в полярной системе координат.

В качестве квадратурного модулятора для разрабатываемого радиомодема используется устройство MAX 2022 (фирмы Maxim Integrated Products) ,которое является идеальным модулятором для ZIF (zero-IF) (с нулевой ПЧ, или прямого преобразования) передатчика с одной несущей.

Широкий динамический диапазон устройства делает возможным получение эффективной полной структуры передатчика. Рисунок 3.11 иллюстрирует исключительно простую полную схему высокоэффективного передатчика.

I и Q сигналы направляются сначала к простому двухпортовому цифроаналоговому преобразователю MAX5873.Заземляющие (ground-referenced) выходы ЦАП фильтруются простыми ФНЧ, состоящими из дискретных элементов для уменьшения уровень шумов ЦАП.

В качестве простого аналогового фильтра используется активный эквалайзер (реализованный на операционном усилителе MAX4395), который подавляет неравномерности характеристики ЦАП. Также данная схема обеспечивает дополнительное усиление выходного сигнал с коэффициентом

[14].

Рисунок 3.13- Схема простого аналогового фильтра выравнивания АЧХ ЦАП и результирующая АЧХ

Исключительно низкие фазовые искажения (шумы) MAX 2022 позволяют схеме отвечать требованиям по уровням шумов без дополнительных RF фильтров, что значительно упрощает схему, ее настройку и регулировку.

Выход MAX 2022 соединен с усилителем радиочастоты MAX 2059, который обеспечивает усиление мощности несущей плюс 15 дБм. Данный усилитель с переменным коэффициентом усиления включает в себя гибкий цифровой контролируемый аттенюатор с диапазоном регулирования 56 дБ, что полностью отвечает самым высоким статическим и динамическим требованиям к контролю мощности

Требования, предъявляемые к выходному усилителю передатчика, в значительной мере определяются видом модуляции сигнала [1] .

В системах с квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK) и квадратурной амплитудной модуляцией (QАМ) нелинейные искажения сигнала в выходном каскаде передатчика могут привести к значительному увеличению вероятности ошибки при приеме сигнала. Поэтому при использовании квадратурной амплитудной модуляции в передатчике осуществляется адаптивная регулировка мощности, обеспечивающая минимальное суммарное значение вероятности ошибки [1].

3.3 Приемное оконечное оборудование

Упрощенная структурная схема цифрового приемника показана на рисунке 3.14.



Рисунок 3.14 - Структурная схема приемника прямого преобразования

В приемнике прямого преобразования происходит перенос спектра принимаемого сигнала непосредственно в область низких частот, где и осуществляется его обработка в процессорном устройстве. Тракт усиления после смесителя должен производить усиление в том числе и постоянной составляющей сигнала, чтобы не потерять важные компоненты принимаемой информации.

Сигнальный тракт приемника начинается с соединения антенного входа и дуплексора.Далее следуют каскады малошумящих усилителей (МШУ) с дополнительными цепями частотно-избирательной фильтрации и согласования, которые позволяют оптимизировать показатели в рабочем диапазоне частот.

МШУ данного приемника обладают очень хорошими характеристиками в широком диапазоне частот и улучшенными показателями в узкой полосе частот при использовании внешних избирательных цепей [15].

После прохождения входного каскада из МШУ сигнал требуемой частоты несущей переносится в полосу модулирующих частот при помощи IQ демодулятора. Для этого на смесители I и Q подается сигнал гетеродина, частота которого равна частоте несущей полезного сигнала (3.2).

Рисунок 3.15-Высокочастотный сигнал гетеродина

При этом на выходных портах I/Q формируется суммарная и разностная частоты. Сигнал суммарной частоты существенно ослабляется фильтрами нижних частот, которые пропускают на выход только сигнал разностной частоты (3.3). При работе на нулевой частоте ПЧ сигнал разностной частоты представляет собой комплексную огибающую полезного сигнал.

Рисунок 3.16 -Сигнал на входе приемника

В данной архитектуре используется перестраиваемый высокочастотной гетеродин, с помощью которого и производится выбор рабочего канала. Для достижения высоких качественных характеристик РЧ блока в нем необходимо использовать высоколинейный смеситель. Рассматриваемый перемножитель (рисунок 3.17) представляет собой балансное устройство (double balanced Gilbert_cell mixer) на четырех транзисторах с дифференциальными входами (сигнальным и опорного колебания) и дифференциальным выходом.



Рисунок 3.17- Схема балансного смесительного элемента

Для входного и выходного сигналов перемножитель представляет собой токовый элемент с низким входным (эмиттерным) и высоким выходным (коллекторным) сопротивлениями. Опорное колебание, с которым перемножается входной сигнал, подается в виде напряжения на базы транзисторов. Перемножитель используется вместе с преобразователем «напряжение-ток», включаемым на его эмиттерном входе.

Дополнительным преимуществом представленной схемы является возможность масштабирования уровня отфильтрованного I/Q сигнала с переменным коэффициентом усиления. Усилитель с переменным коэффициентом усиления (VGA) позволяет оптимальным образом отрегулировать уровни I/Q сигнал перед выполнением аналогово-цифрового преобразования. В общем случае, чтобы избежать проникновения высокочастотного шума, а также интерференционных и иных побочных гармонических составляющих в полосу анализируемого сигнала в результате эффекта наложения, перед подачей сигнал на АЦП может выполняться дополнительная фильтрация.

В рассматриваемом приемнике применяются высококачественные интегрированные ВЧ схемы, которые обладают как широкой рабочей полосой, таки и большим динамическим диапазоном.

Динамический диапазон - это критический параметр любого приемника, предназначенного для работы в многоканальной системе, где помимо полезного сигнала могут присутствовать мешающие сигналы соседних каналов с большими уровнями мощности. Более точное представление о нелинейном поведении устройства дает параметр, который называются свободным от искажений динамическим диапазоном (SFDR) в двухтональном режиме, исследовав нелинейное поведение приемника в условиях сильных блокирующих помех.

Использование приемники с прямым преобразованием уменьшило количество используемых в РЧ блоке навесных компонентов.Достаточно часто эту архитектуру называют иногда приемником с нулевой ПЧ (Zero-IF receivers).

На рисунке 3.14 показан соответствующий процесс преобразования сигнала рабочего канала в области частот. В структуре используется фильтр низких частот с крутыми фронтами (high roll-off low-pass filter), осуществляющий выбор рабочего канала (Channel Select Filter). В такой структуре отсутствует зеркальный канал приема и поэтому нет необходимости в использовании внешнего высокодобротного фильтра подавления зеркального сигнала. Так как уровень зеркального сигнала равен или меньше полезного сигнала, в архитектуре требуется незначительные подавления зеркального канала, и, соответственно, фильтр может быть выполнен внутрикорпусным. Процесс обратного преобразования шумов гетеродина уменьшен, так как для полного преобразования сигнала используется только один гетеродин. В целом, эта архитектура является весьма привлекательной в силу меньших стоимости, потребляемой мощности и массогабаритных показателей. Отсутствие навесных компонентов делает эту архитектуру очень перспективной для интеграции.