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

Однако, несмотря на простоту и ряд других достоинств этой архитектуры она не стала достаточно распространенной в РЧ блоках. Прямое преобразование сигнала влечет за собой возникновение ряда проблем, не существующих или не настолько серьезно проявляющихся в гетеродинном приемнике. Обнаружению и обработке сигнала могут препятствовать проблемы, вызванные утечкой сигнала гетеродина (LO leakage), изменяющимся по времени смещением постоянной составляющей (DC offset) и фликкер-шум (Flicker noise). Эта архитектура также весьма склонна к созданию интермодуляционных искажений второго порядка IM2 (second-order intermodulation distortion product).

Изоляция между сигнальным и гетеродинным входами смесителя и МШУ не идеальна. Возникают паразитные пути проникания сигнала с выхода гетеродина на вход МШУ и сигнальный вход гетеродина (рисунок 3.18), т.е. создаются наводки напряжения гетеродина. Этот эффект, называемый «утечка сигнала гетеродина» (LO Leakage), является результатом емкостных связей, связи по подложке и печатной плате. Если сигнал гетеродина подается на ИС от внешнего внекорпусного источника, возникают паразитные связи по соединительным проводникам и кабелям. Сигнал утечки, появляющийся на входах МШУ и смесителя, смешивается с сигналом гетеродина, таким образом, создавая постоянную составляющую сигнала на выходе ФНЧ. Это явление называется иногда самосмешение (self-mixing).

Рисунок 3.18- Явление утечки сигнала гетеродина

Подобный эффект наблюдается, если на гетеродинный вход смесителя со входа или выхода МШУ попадает сигнал сильной входной помехи и перемножается сам с собой (рисунок 3.19) Данное явление называют «просачивание сигнала помехи» (Interferer Leakage). Зачастую этим мешающим сигналом может оказаться даже внеполосный сигнал мощных телевизионных передатчиков.



Рисунок 3.19-Просачивание сигнала мощной помехи

Утечка сигнала гетеродина через смеситель и МШУ на антенный вход и излучение его оттуда создает в рабочем диапазоне помеху для других приемников. Каждый беспроводной стандарт, международные и национальные нормативные документы налагают ограничения на максимальную величину внутриполосного излучения гетеродина. Важно заметить, что частота гетеродина в приемниках с прямым преобразованием располагается внутри диапазона приема, и фильтры предварительной фильтрации не могут подавить излучения гетеродина. Проблема утечки меньше сказывается в супергетеродинных приемниках и смесителях с подавлением зеркального канала, потому что частоты их гетеродинов обычно находятся вне диапазона приема.

Рисунок 3.20-Утечка сигнала гетеродина на антенный вход и его излучение

Кроме этого, излучаемый сигнал гетеродина может быть отражен различными стационарными или движущимися объектами и возвращен в антенну, как показано на рисунке 3.20. При этом амплитуда и фаза отраженного сигнала имеют случайные, постоянно меняющиеся значения, что приводит в конечном счете к случайным неустранимым флуктуациям величины постоянной составляющей сигнала на выходе тракта приема.

Проблема утечки становится постепенно менее серьезной, так как все больше узлов РЧ приемопередатчиков размещается в одном корпусе микросхемы при тщательной конструктивной и технологической проработке, уменьшающей рассмотренные явления. Использование дифференциальных схем гетеродинов и смесителей также снижают остроту проблемы.

Так как в приемнике с прямым преобразованием сигнала происходит перенос сигнала на нулевую частоту, в тракте приема необходимо производить усиление в том числе и постоянной составляющей сигнала, содержащей важные информационные компоненты. Дрейф «нуля», возникающий в операционных усилителях, паразитное напряжение смещения уровня нуля (DC offsets) или смещение постоянной составляющей могут исказить сигнал и, что даже более важно, перевести последующие каскады в состояние насыщения. Это явление может возникать из-за целого ряда факторов, например влияния на характеристики компонентов тракта усиления окружающей среды и, прежде всего, температуры. Смещение постоянной составляющей возникает в результате разбаланса дифференциальных (квадратурных) каналов тракта приема, а также нестабильности амплитуды сигнала гетеродина.

Проблема смещения постоянной составляющей из-за самосмешения является особенно сильным, так как при этом на выходе тракта возникают паразитное смещение постоянная составляющей, величина которой зависит от фазовых соотношений напряжений наводок. Особенно тяжелым является возникновение изменяющейся во времени паразитной постоянной составляющей. Это происходит, например, когда протекающий на антенну сигнал гетеродина излучаются, а затем, отражаясь от объектов, в особенности перемещающихся, поступает опять на вход приемника.

Для достижения требуемых характеристик приемника, например его высокой чувствительности, тракт приема должен обеспечивать значительное усиление принятого сигнала. При этом уровень принятого сигнала должен быть больше, чем напряжение смещения. Таким образом, зачастую достижимые характеристики приемника с прямым преобразованием сигнала ограничиваются именно процессом паразитного смещения постоянной составляющей.

Эффект смещения постоянной составляющей может быть компенсирован при использовании различных мер, например, использования соответствующего цифрового сигнального процессора (ЦСП) или функции автоматической установки в ноль (auto-zeroing function). Компенсация смещения постоянной составляющей должна будет более тщательно производиться в изделиях, предназначенных для работы с более высокими скоростями передачи данных. Эффективными и простыми мерами борьбы с рассмотренными явлениями могут быть и правильная компоновка компонентов РЧ блока, тщательная экранировка узлов.

Еще одной проблемой, связанной с применением архитектуры прямого преобразования, является проявление низкочастотных шумов, известных под названием фликкер-шума (Flicker Noise) или шумов типа 1/f. При типовом значении коэффициента усиления узла МШУ/смеситель равном 30 дБ, величина преобразованного вниз сигнала составляет обычно десятки микровольт. Так как дальнейшее усиление сигнала происходит низкочастотным усилителем, НЧ шумы следующих каскадов - усилителей и фильтров, использующих обычно КМОП технологию - являются все еще заметными.

Эффект влияния фликкер-шума может быть уменьшен при использовании ряда методов и, частности, совершенствования технологии ИС. Кроме того, низкочастотные шумовые компоненты удается уменьшать с помощью тех же мер, что используются для уменьшения смещения постоянной составляющей.

Итак, при исключении из схемы каскадов промежуточной частоты и прямом преобразовании сигнала на нулевую ПЧ можно избежать проблем зеркального канала приема, присущих супергетеродинным архитектурам.

С другой стороны, ряд проблем, связанных с прямым преобразованием, среди которых утечка сигнал гетеродина, сдвиги постоянной составляющей и высокий уровень искажений, усложняют его реализацию на практике. Однако последние достижения в технологии производства интегрированных ВЧ-схем сделали возможным использование традиционной архитектуры прямого преобразования (гомогенной архитектуры) при создании высококачественных широкополосных приемников [4].

Поэтому очень важен выбор микросхемы.

3.4 Оконечное линейное оборудование

В схеме выделения цифровых потоков цифровые потоки I и Q объединяются, разуплотняются и дескремблируются. После разуплотнения происходит исправление ошибок и формирование выходных потоков (16 потоков формата E1).

4. Выбор и описание элементной базы

Глава описывает технические параметры и принцип работы элементной базы приемной части радиомодема.

4.1 Аналогово-цифровой преобразователь

MAX12529-12-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с частотой 96 миллионов выборок/с, напряжением питания 3,3 В, имеющий на входе полностью дифференциальный широкополосный усилитель выборки-хранения, управляемый малошумящим встроенным квантователем.

Входная аналоговая ступень принимает однополярные или дифференциальные сигналы до 350 МГц.

Микросхема MAX12529 имеет малую потребляемую мощность, небольшие размеры и высокие динамические характеристики. Превосходные динамические параметры обеспечиваются в диапазоне от основной полосы до входных частот в 175 МГц и выше, что делает MAX12529 идеальным для использования при выборках промежуточной частоты.

АЦП питается от униполярного напряжения с диапазоном от 3,3 В, потребляя всего 980 мВт, при этом типовое значение отношения сигнал/шум (SNR) составляет 69,7дБ.

Помимо того, что микросхема MAX12529 имеет небольшое потребление в рабочем режиме, она потребляет 0,66мкВт в энергосберегающем режиме, экономя энергию при отсутствии измерений (в режиме холостой ход).Гибкая структура схемы источника опорного напряжения позволяет использовать как внутренний источник опорного напряжения 2,048 В, так и подключать внешний, также возможно использовать один источник опорного напряжения для двух АЦП. С помощью этой структуры возможно задавать диапазон изменения входного сигнала от 0,35 В до 1,15В. MAX12529 поддерживает режим работы от общего источника опорного напряжения, упрощая тем самым разработку и снижая количество компонентов во входных дифференциальных аналоговых схемах.

Микросхема MAX12529 поддерживает тактирование как по одному фронту тактового сигнала, так и по обоим фронтам.

Отклонения длительности такта компенсируются встроенным в АЦП тактовым эквалайзером (duty-cycle equalizer DCE).

Результаты преобразования АЦП считываются по 12-разрядной параллельной КМОП совместимой выходной шине. Формат цифрового выходного кода выбирается коммутацией выводов и может быть дополнительным кодом или кодом Грея.

На отдельный вход цифрового питания можно подавать напряжение от 1,7 В до 3,6 В, что позволяет микросхеме работать с разными логическими уровнями.

Т а б л и ц а 4.1 -Основные технические характеристики

Разрешение,бит	12
Частота выборок (макс.) М выборок/с	96000
Каналов,шт	2
Интерфейс	µP/12
SNR,дБ	70,8
THD,дБ	-82,1
AVDD,В	от 3,15 до 3,6
ICC,мА	288,5
PWT,Вт	0,98
TA,°C	от -40 до 85
Корпус	QFN-68

Основные технические характеристики MAX 12529:

- непосредственные выборки промежуточной частоты до 350 МГц;

-превосходные динамические характеристики: 70,1 дБ/69,7 дБ SNR на частотах входного сигнала f_IN=70MГц/175MГц,

-83,2дБ/78,9дБ SFDR (динамический диапазон без паразитных составляющих) на частотах входного сигнала f_IN = 70 MГц/175 MГц;

-экономичная работа при напряжении питания 3,3В:

- полностью дифференциальный или однополярный входной сигнал;

- внешний, внутренний или общий источник опорного напряжения;

- по КМОП совместимым выходам выдаётся информация в дополнительном коде или в коде Грея;

- указатель выхода данных за пределы диапазона;

- миниатюрный 68-выводный тонкий корпус QFN с открытым основанием;

MAX12529 поставляется в 68-выводном корпусе QFN размером 6х6х0,8 мм с открытым основанием (exposed paddle EP) и работает в расширенном индустриальном температурном диапазоне (от минус 40°C до плюс 85°C).

Рисунок 4.1-Конвейерная архитектура АЦП

MАХ использует 10-стадийную, полностью дифференциальную конвейерную архитектуру, что делает возможным высокоскоростное преобразование с минимальным потреблением мощности. Отсчеты снимаются с входа поступательно, проходя через стадии конвейера каждую половину периода. Максимальная общая задержка между входом и выходом составляет 8 циклов синхронизирующей частоты. Каждый каскад конвейера преобразует входное напряжение в цифровой выходной код. Цифровая ошибка компенсируется компаратором АЦП на каждой стадии и гарантирует сохранность кода.

Рисунок 4.2 - Внутренняя структура цепи T/H

Рисунок 4.2 показывает упрощенную схему функциональной диаграммы входной цепи Т/Н (выборка- хранение). Вход Т/Н рассчитан на высокие входные частоты до 175 МГц [9].Частота дискретизации АЦП контролируется управляющим конденсаторам на входе аналоговой цепи Т/Н структуры, что позволяет входному аналоговому сигналу накапливаться как заряд управляющих конденсаторов. Эти конденсаторы заряжаются (track mode),когда импульс положителен и разряжаются, когда импульс нуль Источник входного аналогового сигнала должен быть способен поддерживать необходимый ток для того чтоб конденсатор заряжался и разряжался [17].Во избежание деградации сигнала, эти конденсаторы должны успевать заряжаться в течение половины длительности младшего значащего разряда внутри половины цикла синхронизации.

Аналоговый вход может поддерживать дифференциальный либо несимметричный вход. Для оптимальной работы в режиме дифференциальных входов должен сохраняться баланс между входными сопротивлениями входов INP и INN .

4.2 Приемник прямого преобразования MAX2701

Приемный тракт с прямым преобразованием сигнала в квадратурных каналах реализован на микросхеме MAX2701 компании Maxim Integrated Products.

Рисунок 4.3- Микросхема MAX2701

MAX 2701 - высоко интегрированный приемник прямого преобразования, созданный для широкополосной систем связи, работающих в диапазоне частот 1,8ГГц-2,5ГГц.

Архитектура приемника с нулевой ПЧ отменяет необходимость в использовании трактов промежуточной частоты и ПАВ фильтров ПЧ.

MAX 2701 имеет три главных составляющих части: малошумящий усилитель, квадратурный демодулятор, и усилитель с переменным коэффициентом усиления.

МШУ обеспечивает высокий уровень IP3, который уменьшает интермодуляционные помех и нелинейные искажения.

Квадратурный демодулятор состоит и высоколинейных двойных балансных смесителей, гетеродина LO и удвоителя частоты гетеродина (LO doubler)

Два широкополосных усилителя с переменным коэффициентом усиления (DVGA) обеспечивают максимальное усиление до 80дБ.

Первый усилитель обладает, высокими характеристиками: низкий уровень шумов, незначительное рассеивание мощности, высокая линейность внутри всего рабочего диапазона. Внешний фильтр низких частот ФНЧ обеспечивает необходимую избирательность по соседнему каналу. Обратная петля коррекции величины усиления обеспечивает коррекцию уровней между I и Q каналов.

MAX 2701 работает от напряжений 2, 7В...3, 3В, потребляя ток 165 мА.

MAX 2701 имеет рабочую полосу частот 56 МГц по уровню 3дБ

Рассмотрим подробнее принцип работы микросхемы.

Радиочастотный сигнал RF разделяется на две составляющие - два дифференциальных входа RFIN+ и RFIN- с помощью внешнего трансформатора.

Использование дифференциального входа позволяет ослабить гармоники второго порядка, образующейся во входном каскаде приемника из-за нелинейности его характеристики. Для дифференциального входа применяем трансформатор ADT1 1WT (фирма Mini Circuits).

На выходе буферов немодулированных сигналов I/Q находятся фильтры нижних частот ФНЧ, которые используются для подавления помех по соседнему и зеркальному каналам [18].

5. Расчетная часть

В главе приведены расчеты фильтра низких частот для приемника, необходимой полосы частот для сигнала и максимальная дальность связи в идеальных условиях распространения.

5.1 Расчет фильтра низких частот

Рассчитаем фильтр низких частот. На рисунке 5.1 приведена схема и амплитудно-частотная характеристика типового Г - образного LC-фильтра нижних частот.

Рисунок 5.1 Схема и АЧХ Г-образного низкочастотного фильтра

Расчет такого фильтра производится по следующим формулам:

. (5.1)

R = 50 Ом; f_с = 20 МГц.

Все LC-фильтры обладают тем преимуществом, что на переменном токе конденсаторы и катушки индуктивности работают взаимообратно, т.е. при увеличении частоты сигнала индуктивное сопротивление возрастает, а емкостное падает. Таким образом, в LC-фильтре нижних частот реактивное сопротивление параллельного элемента при увеличении частоты сигнала уменьшается и этот элемент шунтирует высокочастотные сигналы. На низких частотах реактивное сопротивление параллельного элемента достаточно высокое. Последовательный элемент обеспечивает прохождение низкочастотных сигналов, а для сигналов высоких частот его реактивное сопротивление велико [19].

5.2 Расчет требуемой полосы частот канала

Для оценки теоретической пропускной способности идеального канала связи, единственной формой помех в котором является чистый белый шум (pавномеpно pаспpеделенный по всей полосе частот), применяется формула Шеннона:

, (5.2)

где скорость передачи, бит/с;

ширина полосы частот, Гц,

соотношение сигнал/шум (Signal to Noise Ratio), отношение мощности несущего сигнала к мощности белого шума в канале.

Используем понятие «уровень шума» (Noise Level), обозначающее отношение мощности шума к мощности сигнала, выраженное в децибелах:

 (5.3)

Требуемое отношение сигнал/шум для приемной стороны радиомодема равно NL = -3,5 дБ.

;

Таким образом, требуемая полоса частот составляет 20 МГц.

Шум, возникающий в линиях передачи, не является чисто белым и нередко в значительной мере зависит от передаваемого сигнала (коppелиpован с ним), что сильно снижает реально достижимые скорости передачи. Для снижения влияния шумов и помех в канале применяется помехоустойчивое кодирование, повышающее различимость сигнальных элементов; при повышении скорости передачи в пределах одной системы кодирования надежность передачи снижается, однако с переходом на более рациональную систему она может оставаться неизменной и даже возрастать.

5.3 Расчет дальности действия беспроводных систем передачи данных

Радиооборудование беспроводных сетей, поступающее в Россию, работает в диапазоне частот 2,4-2,4835 ГГц, что соответствует длине волны

12,5 см. Такие волны распространяются вдоль прямой линии, соединяющей антенны и называемой линией визирования. Не следует забывать, что Земля круглая. Поэтому даже в степи, при абсолютно ровной поверхности, чтобы обеспечить прямую видимость, антенны требуется поднимать выше.

На практике если с крыши здания абонента видна крыша здания оператора, то связь будет однозначно. В остальных случаях необходимо проводить выезды для оценки качества радиоканала.

Рисунок 5.2 Приближенный график определения максимальной дальности действия по усилению Y-тракта системы при прямой видимости

Порядок ориентировочного расчета: вычисляется Y и по графику определяется дальность действия в условиях прямой видимости антенн.

Исходные данные для расчета Y:

-выходные мощности передатчиков G_prd;

-чувствительность приемника G_prm;

-коэффициенты усиления антенн G_ant.

Возьмем для примера направленную параболическую антенну

Andrew MAG Grid 26T-2400 ,которая является одной из самых лучших в своем классе антенн.

Характеристики антенны:

-высокий коэффициент усиления 24 дБ;

-узкая ширина диаграммы направленности (ДН) 7,5 град;

-низкий уровень боковых и задних лепестков ДН;

-высокий коэффициент подавления кроссполяризации.

Антенна выполнена литьем из сплава магнезиума и алюминия и имеет высокую прочность. Это позволяет сохранять ориентацию антенны, а, следовательно, и стабильность энергетических параметров канала связи, при сильном порывистом ветре, в том числе при высокой парусности в результате сильного обледенения в зимних условиях.

Высокие эксплуатационные характеристики антенны позволяет использовать ее для организации дальних магистральных каналов связи в условиях перегруженности частотного диапазона и наличия внешних помех (на базовых станциях), а также в качестве абонентских антенн при повышенных требованиях к стабильности и надежности канала связи.

Технические характеристики антенны:

-ширина диаграммы направленности на уровне минус 3 дБ: 7,5;

-рабочий диапазон частот: 2400-2500 МГц;

-коэффициент усиления в рабочей полосе: 24 дБ;

-сопротивление: 50 Ом;

-разъем: N типа;

-поляризация: DUAL;

-габариты 80 х 38 см;

-вес 2,43 кг.

Технические характеристики радиомодема:

-выходная мощность передатчика: 15 дБм;

-чувствительность приемника: минус 100 дБм.

Для примера рассмотрим длину трассы для передатчика c одинаковыми направленными антеннами для передачи и приема сигнала (КНД = 24 дБ).

(5.4)

По приведенному выше графику можно определить, что в этом случае ориентировочная максимальная длинна трассы составит 33…35 км.

В данном примере приемник и передатчик оснащены одинаковыми направленными антеннами с коэффициентами усиления 24 дБ.

Реальная дальность передачи будет на 15…20% больше из-за того, что при построении графика учитывались максимальные значения дополнительных потерь L_доп. Это дает в расчетную величину Y-тракта дополнительную прибавку плюс 5...7 дБ. Более точно дальность связи вычисляется по расчетной формуле. Необходимо так же понимать, что дальность связи зависит от отношения уровня полезного сигнала к уровню шумов (бытовых, производственных и атмосферных) на входе приемника. Уровень шумов на входе приемника имеет переменную величину как от времени суток (от времени года), так и от внешних непредсказуемых факторов.

При проектировании беспроводной системы необходимо рассчитать высоту подвеса антенн. Для ориентировочной оценки на ровном рельефе при одинаковой высоте антенн можно использовать простую формулу, учитывающую сферичность Земли и размеры эллипсоида Френеля. Высота подвеса антенн в метрах равна:

(5.5)

где r расстояние между антеннами в километрах.

Когда одна антенна находится на уровне поверхности Земли, коэффициент 8,24 в формуле надо заменить на 4,12.

Произведем расчет запаса на замирания.

Запас на замирания (М) является разницей между пороговым значением уровня сигнала на входе приемника P_прм и пороговым значением Р_{с пор}, которое определяется параметрами аппаратуры и равно минус 100 дБм.

(5.6)

где Р_прм мощность передатчика, равная 15 дБм для выбранной частоты;

G = G_прм + G_прд -суммарный коэффициент усиления антенн, дБи.

Выбранная антенна имеет коэффициент усиления 24 дБ. Получаем, что

G = 2 24 = 48 дБ;

L₀ затухание на трассе распространения сигнала:

(5.7)

Рассчитаем потери, вносимые антенно-волноводным трактом:

(5.8)

где ? потери на единицу длины фидера в вертикальном и горизонтальном волноводах, соответственно равные 0,015 и 0,04 дБ/м;

? потери в сосредоточенных устройствах тракта;

длина вертикального фидера.

Дополнительные потери, обусловленные целым комплексом причин, включая ослабление сигнала в соединительных разъемах, потери из-за неточного совпадения плоскостей поляризации антенн и т.п.

Подставляя значения, получим:

Величина запаса достаточна для обеспечения устойчивой связи.

6. Технологическая часть

В данной главе описаны основные требования, предъявляемые к изготовлению печатных плат, предложены методы реализации радиомодема.

Печатная плата представляет собой плоское изоляционное основание, на одной или обеих сторонах которого расположены полоски металла - проводники - в соответствии с электрической схемой того или иного устройства.

Согласно [19] изготовление печатных плат осуществляется химическим, электрохимическим, аддитивным или комбинированным способом.

Комбинированный метод в настоящее время является основным в производстве двусторонних и многослойных печатных плат для аппаратуры самого разнообразного назначения.

В зависимости от метода защиты проводящего рисунка при вытравливании меди комбинированный способ может осуществляться в двух вариантах: негативном, когда защитой от вытравливания служат краска или фоторезист, и позитивном, когда защитным слоем служит металлическое покрытие (металлорезист).

При реализации сложных радиоэлектронных схем используют многослойные печатные платы МПП, объединяющие в единую конструкцию несколько слоёв печатных проводников, разделённых слоями диэлектрика. В соответствии с гостом различают три метода выполнения ПП:

- ручной;

- полу автоматизированный;

- автоматизированный;

Предпочтительными являются полу автоматизированный, автоматизированный методы [20].

Предлагается реализовать радиомодем на многослойной печатной плате электролитическим методом.

Многослойная печатная плата состоит из ряда склеенных печатных слоев, в которых находятся сигнальные проводники, переходные отверстия, экраны, шины питания, контактные площадки или выступы для присоединения выводов элементов.

По своей структуре МПП значительно сложнее двухсторонних плат. Они включают дополнительные экранные слои (земля и питание), а также несколько сигнальных слоев. Для обеспечения коммутации между слоями МПП применяются межслойные переходы (vias) и микропереходы (microvias).

Рисунок 6.1- Конструкция многослойной печатной платы

Межслойные переходы могут выполняться в виде сквозных отверстий, соединяющих внешние слои между собой и с внутренними слоями, применяются также глухие и скрытые переходы.

Глухой переход - это соединительный металлизированный канал, видимый только с верхней или нижней стороны платы. Скрытые же переходы используются для соединения между собой внутренних слоев платы. Их применение позволяет значительно упростить разводку плат, например, 12-слойную конструкцию МПП можно свести к эквивалентной 8-слойной. коммутации.

Специально для поверхностного монтажа разработаны микропереходы, соединяющие между собой контактные площадки и сигнальные слои.

Для изготовления МПП производится соединение нескольких ламинированных фольгой диэлектриков между собой, для чего используются склеивающие прокладки - препреги. Поэтому толщина МПП растет непропорционально быстро с ростом числа сигнальных слоев.

Рисунок 6.2 - Многослойная печатная плата

Разрабатываемое устройство требует как минимум 4 сигнальных слоя, разделенных между собой слоями земли и питание. Расположение слоев представлено на рисунке 6.3.

Рисунок 6.3 -Расположение слоев печатной платы

В связи с этим необходимо учитывать большое соотношение толщины платы к диаметру сквозных отверстий. Например, для МПП с диаметром отверстий 0,4 мм и толщиной 4 мм это соотношение равно 10:1, что является жестким параметром для процесса сквозной металлизации отверстий.

Тем не менее, даже учитывая трудности с металлизацией узких сквозных отверстий, изготовители МПП предпочитают достигать высокой плотности монтажа за счет большего числа относительно дешевых слоев, нежели меньшим числом высокоплотных но, соответственно, более дорогих слоев.

В современных МПП широко применяется поверхностный монтаж всех видов современных интегральных схем, включая, как это показано на рисунке, бескорпусных схем, заливаемых компаундом после разварки выводов.

Существует множество способов получения МПП: с помощью механических деталей, метод выступающих выводов, метод открытых контактных площадок, метод попарного прессования, метод послойного наращивания.

Метод металлизации сквозных отверстий является основным и наиболее перспективным в производстве МПП, так как не имеет ограничения количества слоев, легко поддается автоматизации и обеспечивает наибольшую плотность печатного монтажа. Он позволяет изготавливать МПП, пригодные для размещения на них элементов с планарными и штыревыми выводами. Более 80 % всех МПП, производимых в мире, изготавливается этим методом.

Метод металлизации сквозных отверстий характеризуется тем, что собирают пакет из отдельных слоев фольгированного диэлектрика (внешних- одностороннего, внутренних - с готовыми печатными схемами) и межслойных склеивающихся прокладок, пакет прессуют, а межслойные соединения выполняют путем металлизации сквозных отверстий.

Технологический процесс изготовления МПП состоит из трех основных этапов:

- подготовки отдельных слоев;

- сборки пакета и прессования;

- получения проводящего рисунка на наружных слоях.

На заготовке из тонкого фольгированного диэлектрика СТФ-2 химическим методом получают проводящий рисунок, используя жидкие или сухие пленочные фоторезисты. В качестве травителя могут использоваться различные по составу растворы - кислые или щелочные. При выборе раствора следует остановиться на том составе, который принят для основного процесса, то есть аммиачно-хлоридного, так как нецелесообразно иметь в производственных условиях два различных состава.

После вытравливания меди наблюдается нежелательная деформация сжатия диэлектрика, обусловленная внутренними напряжениями, проявляющими свое действие после удаления части медной фольги. Величина этих деформаций зависит от характера проводящего рисунка, и она минимальна в случае применения диэлектриков, фольгированных медью с двух сторон.

Вначале на каждом технологическом поле отдельно взятого слоя с проводящим рисунком пробиваются базовые или фиксирующие отверстия, с помощью которых при сборке достигается хорошее совмещение контактных площадок по вертикали. Количество отверстий устанавливается в зависимости от размеров платы нормативно-технической документацией и доходит до 10. Аналогичные отверстия пробиваются в листах прокладочной стеклоткани СП.

Для обеспечения высокой прочности сцепления поверхности медных проводников с изолирующими межслойными материалами необходимо придать им микрошероховатость, а лучше - создать оксидный слой соответствующей химической или струйной обработкой растворами травителей.

Сборка пакета производится в пресс-форме путем последовательной укладки отдельных слоев многослойной печатной платы и прокладочной стеклоткани, количество листов которой определяется соответствующей нормативно-технической документацией. Для устранения влияния неровностей поверхности пресс-формы, разнотолщинности прокладочных листов и т. п. на них укладываются листы триацетатной бумаги, кабельной бумаги и других материалов.

Прессование происходит при постоянной температуре в две ступени: первая при давлении 0,1-0,5 МПа, продолжительность ее от 10 до 200 минут в зависимости от времени гелеобразования, характерного для данной партии стеклоткани, вторая - при давлении от 2 до 3,4 МПа. Давление уточняется для каждой партии стеклоткани на основе результатов анализа при входном контроле. Время выдержки - 50-70 минут. После охлаждения пресс-формы и извлечения спрессованного пакета следует обрезка слоя на роликовых ножницах.

Для обеспечения хорошего качества многослойной печатной платы необходимо следить за состоянием помещения. Помещение должно быть обеспылено, так как попадание пыли при сборке вызывает образование различных дефектов платы.

Получение проводников, а так же металлизация монтажных и переходных отверстий в основном производится по вышеприведенной технологии комбинированного метода с дополнительной химико-механической обработкой стенок отверстия для обеспечения прочного сцепления слоя металлизации с торцами контактных площадок в отдельных слоях.

В результате химико-механической обработки создается ступенчатый рельеф на стенках отверстий. Кроме того, при этом медные торцы контактных площадок хорошо очищаются от эпоксидной смолы, наволакиваемой на них в процессе сверления, а обнаженные нити стеклоткани становятся слегка шероховатыми.

Химико-механическая обработка отверстий включает в себя операции, которые производятся в следующей последовательности:

-гидроабразивная обдувка, абразивно-водяная пульпа, содержащая электрокорунд зернистостью М40, в соотношении с водой 1:4 по массе прогоняется через каждое отверстие под давлением 0,4-0,5 МПа в специальных установках;

-двукратная промывка в проточной воде с интенсивным покачиванием плат;

-сушка теплым воздухом;

-гидроабразивная обдувка вторичная;

-промывка в проточной воде;

-промывка с наложением ультразвуковых колебаний.

Применяя базовую технологию производства многослойных печатных плат можно получить гибко-жесткую конструкцию плат.

Сборка пакета и прессование всех элементов конструкции производится одновременно.

С помощью металлизированных отверстий достигаются межслойные соединения, в том числе и соединения с проводниками [20] .

7. Организационно-экономическая часть

Радиомодем предназначен для организации беспроводных сетей связи.

В России беспроводные технологии передачи данных используются преимущественно вне зданий, для организации информационного обмена на сравнительно большом расстоянии. Причин существует две. Первая из них - отсутствие разветвленной кабельной инфраструктуры, точнее, заметное отставание этой инфраструктуры от требований интенсивно развивающегося российского рынка. Качественная связь нужна немедленно, а развертывание кабельных систем может занять значительное время. Поэтому часто бывает полезно в качестве временного решения установить оборудование для беспроводной передачи данных - пока будет создаваться достаточно развитая кабельная система, это относительно недорогое оборудование успеет окупиться.

Вторая причина - низкая плотность населения и частое отсутствие вообще какой-либо инфраструктуры. Для того чтобы обеспечить связь с небольшим поселком или, скажем, буровой вышкой, нецелесообразно прокладывать кабельную линию. Куда удобнее установить цепь радиомодемов и передавать данные по ней. Организация кабельной линии на десять километров для обслуживания дюжины человек экономически неоправданна.

В условиях современной технической и экономической конкуренции, для устойчивого положения на рынке товаров и услуг, для возможности конкурирования с другими производителями, необходимо в полной мере соответствовать требованиям потребителей с точки зрения соотношения цена/качество, быстро реагировать на ускоряющийся темп развития техники.

В данном разделе дипломного проекта рассматривается вопрос экономической эффективности производства радиомодемов. Основной задачей проекта является создание устройства, чьи характеристики бы превосходили характеристики аналогов разрабатываемого прибора, и которым смогли бы пользоваться максимальное число потребителей. Основные достоинства разрабатываемого устройства перед конкурентами:

- цена устройства ниже в разы по сравнению с конкурентами;

- малые габариты;

- легкий вес;

- простота использования;

- высокие технические характеристики.

Радиомодем находит применение во множестве сфер: электроэнергетика, газовые службы, водоснабжение, управление промышленными устройствами. Радиомодем может быть использован для военных целей и систем специального назначения, так как использует уникальную технологию мультиплексирования и обработки данных.

Анализ рыночной ситуации показал, что потенциальными потребителями являются организации, имеющую разветвленную корпоративную сеть (состоящую из нескольких удаленных филиалов), крупные и мелкие промышленные предприятия для организации промышленных радиосетей обмена данными и удаленного управления стационарными и мобильными объектами. По отношению к ним будут установлены цены намного ниже, чем у основных конкурентов, по причине принципиального отличия разрабатываемого радиомодема.

Задачей анализа экономической эффективности проекта является определение минимального времени для обеспечения окупаемости инвестиций и получения прибыли проекта

7.1 Капитальные затраты

Производство и продажа радиомодема осуществляется при решении следующих задач:

- получение сертификата соответствия;

- закупка необходимого оборудования и комплектующих материалов;

- привлечение людей на работу.

Сертификат соответствия будем получать у ООО «Стандарт тест», расположенный в г. Москва. Стоимость услуги согласно прайс-листу сертификации видов деятельности составит 27000 руб.

Сертификация - это процедура подтверждения соответствия результата производственной деятельности, товара, услуги нормативным требованиям, посредством которой третья сторона документально удостоверяет, что продукция, работа (процесс) или услуга соответствует заданным требованиям.

В таблице 7.1 представлен перечень требуемого оборудования для производственного помещения и расчет затрат составленный на основе прайс-листа, предлагаемого мебельным центр «ООО ИнтерКар» и магазином «Микрон».

Т а б л и ц а 7.1 - Оборудование и инструмент

Наименование	Производитель	Кол-во, шт.	Цена, руб.
Набор инструментов МСБ-282	Стройснаб	2	1798
Стол слесаря-сборщика радиоаппаратуры СР-12	БашЭл	1	6285
Печь паяльная	НПК Аверон	1	90 000
Итого:	98074

Использование инфракрасно-конвекционной печи АПИК2.1, предназначенной для автоматизированной пайки печатных узлов радиоэлектронной аппаратур, позволяет производить около 60 модемов в месяц.

7.2 Текущие расходы

В разделе рассматриваются ресурсы, затраченные при выпуске продукции.

7.2.1 Трудовые ресурсы

Для работы нам потребуются специалисты с высшим образованием в области телекоммуникаций, а также производственные работники. Ниже в таблице приведены должностной персонал, необходимый для функционирования предприятия. Затраты на выплаты заработных плат трудовым ресурсам представлены в таблице 2.

Т а б л и ц а 7.2 - Затраты на трудовые ресурсы

Должность	Численность	Заработная плата, тыс. руб.	Общие затраты, тыс. руб.
Главный инженер	1	30	30
Инженер - конструктор	1	30	30
Сборщик	1	13	13
Пайщик	1	14	14
Итог	87

Фонд заработной платы (Ф_зп) определяется по формуле:

Ф_зп=;(7.1)

Ф_зп = 30000 + 30000 + 13000 + 14000 = 87000 руб.

Фонд заработной платы с учетом отчислений единого социального налога (Ф_зп.ЕСН) (26% от фонда заработной платы):

Ф_зп.ЕСН= Ф_зп. 26%; (7.2)

Ф_зп.ЕСН=870001,26 = 109 620 руб.

Годовой фонд заработной платы (Ф_зп.год) составляет:

Ф_зп.год= Ф_зп. 12 месяцев; (7.3)

Ф_зп.год = 109 6200 12=1 315 440 руб.

7.2.2 Оборудование и комплектующие

Производство радиомодемов будет осуществляться в лаборатории НИИ.

Для изготовления самого радиомодема необходимо приобрести комплект элементов. Все необходимые элементы для изготовления одного устройства приведены в таблице 7.3.

Т а б л и ц а 7.3 -Комплектующие материалы

Наименование	Производитель	Цена	Количество	Итого, руб.
Корпус	РУП «МОНОЛИТ»	300	1	300
Плата	РУП «МОНОЛИТ»	350	1	350
Разъем D-SUB9	фирма Harting	1100	1	1100
Контроллер PHY	фирма Micrel	655,37	1	655,37
Mapper	фирма MAXIM	2013,18	1	2013,18
Framer	Dallas Semiconductor	1836	1	1836
ПЛИС	фирма ACTEL	1986,12	1	1986,12
ЦАП	фирма MAXIM	1410	1	1410
Усилитель	фирма MAXIM	130	1	130
Модулятор	фирма MAXIM	708	1	708
Усилитель радиочастоты	фирма MAXIM	1140	1	1140
Приемник	фирма MAXIM	321,82	1	321,82
АЦП	фирма MAXIM	1550		1150
Трансформаторы	Halo Electronics	200	3	600
Резисторы	РУП «МОНОЛИТ»	0,22	500	110
Конденсаторы	РУП «МОНОЛИТ»	13,5	150	2025
Дроссели	FAIR RITE	1	100	100
Диодная сборка	International Rectifier	1	16	16
Розетки/вилки	фирма Harting	100	6	600
Микроконтроллер	Micron Tecnology	206,9	1	206,9
Разъем питания	фирма Harting	100	1	100
Разъем RS232	фирма Harting	100	1	100
Разъем на антенну	фирма Harting	100	1	100
Итого,руб.	15908,39

В месяц планируется выпуск 60 радиомодемов. Общая сумма затрат составит:

.(7.4)

7.2.3 Затраты на эксплуатацию оборудования

Расчет величины амортизационных отчислений будем производить по формуле

,(7.5)

где С_б - балансовая стоимость материальных активов;

t_ам - период начисления амортизации, равен одному месяцу;

Т_ам - срок амортизации.

.(7.6)

7.2.4 Затраты на электроэнергию

Однако помимо прямых расходов имеются еще и косвенные, связанные с затратами на электро- и теплоэнергию, потребляемой предприятием в целом за определенный промежуток времени (при условии, что каждый цех не имеет собственных источников соответствующей энергии). Подобные затраты распределяют между видами выпускаемой продукции пропорционально установленной базе с целью определения полной производственной себестоимости продукции.

Инфракрасно-конвекционная печь АПИК2.1 потребляет мощность 15кВт/ч. Стоимость 1кВт составляет 1руб.

Следовательно, затраты на электричество в месяц -160 рабочих часов составит:

.

7.2.5 Налог на имущество организаций

Налог на имущество организаций - это налог на движимое и недвижимое имущество предприятия. Налоговая ставка составляет 2,2%.

Помесячные отчисления составят

Общие затраты приведены в таблице 7.4.

Т а б л и ц а 7.4 -Общие затраты

Капитальные затраты
Покупка производственного оборудования	98 074руб.
Получение сертификата соответствия	27 000 руб.
Текущие затраты (один месяц)
Трудовые ресурсы	109 820 руб.
Затраты на расходные материалы	954 480 руб.
Электроэнергия	879 руб.
Амортизационные отчисления	817,28 руб.
Налоги	179,8 руб.

7.2.6 Себестоимость радиомодема

Для того, чтобы рассчитать себестоимость радиомодема, необходимо определить все затраты, которые имеют место в процессе производства [21]. Предприятие будет тратить денежные средства на приобретение материалов и комплектующих, выплату заработной платы основным производственным рабочим, оплату израсходованной электроэнергии, а также нести дополнительные затраты, связанные с организацией и осуществлением деятельности предприятия.

Т а б л и ц а 7.5-Текущие затраты

Трудовые ресурсы	109 820 руб.
Затраты на расходные материалы	954 480 руб.
Электроэнергия	2 400 руб.
Амортизационные отчисления	817,28 руб.
Налоги	179,8 руб.
Итого	1 067697руб.

В итоге с учетом всех затрат, которые имеют место в процессе производства себестоимость радиомодема, в том числе и затраты на электроэнергию, составит 17 794 руб.

Производимый радиомодем имеет большое количество аналогов на рынке. Поэтому в условиях жесткой конкуренции установим цену 22 000 , что значительно более низкая, чем цена конкурентов, что повлечет за собой высокий спрос на данный продукт. Планируемый объем продаж 60 модемов в месяц. Таким образом, доход предприятия за 1 месяц составит:

С учетом всех затрат прибыль за месяц:

.

Налог на прибыль составляет 20%. Следовательно, чистая прибыль составит:

.

Таким образом, прибыль уже в первом месяце покрывает капитальные затраты на открытие производства радиомодема.

Чистая прибыль от производства радиомодемов составит 153 842 руб. уже нам второй месяц. В дальнейшем планируется расширение производства в 2 раза за счет приобретения дополнительного оборудования. Также в связи с постоянным техническим прогрессом устройство будет периодически дорабатываться и совершенствоваться.

В разделе технико-экономического обоснования проекта был приведен расчет прибыли от производства радиомодема. Была доказана экономическая целесообразность, на основании которого можно сделать вывод, что с производство радиомодемов является экономически эффективным и окупаемость проекта зависит от количества продаж. В дальнейшем планируется расширение функциональных возможностей выпускаемой продукции без значительных капитальных затрат.

8. Безопасность и экологичность проекта

Обеспечение безопасных условий труда при эксплуатации и обслуживании системы радиосвязи на основе радиомодема.

В современном мире очень важно создание безопасных и комфортных условий труда, потому что самым ценным является человеческий ресурс. Поэтому целями и задачами данного раздела являются:

-выявление всех опасных зон;

-оценка опасных и вредных факторов производства;

-подбор мероприятий и инженерных решений, снижающих или исключающих

воздействие опасных и неблагоприятных факторов на человека;

-расчет одного из проанализированных ОВФП.

Рассмотрим опасные и вредные факторы, наиболее характерные для сетей радиотехнической связи.

8.1 Идентификация и анализ опасных и вредных производственных факторов

На рабочем месте обслуживающий персонал может подвергаться воздействию следующих факторов, которые могут привести к неблагоприятным последствиям:

-расположение рабочего места на значительной высоте относительно земли (пола);

-повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека;

-электромагнитное излучение, источником которых являются антенны радиостанций.

8.1.1 Расположение рабочего места на значительной высоте относительно земли

Так как антенны расположены на крышах домов или фасадах зданий, то специалисты, которые проводят строительные и монтажные работы, а также периодические регламентные работы на антенно-фидерном оборудовании (например, изменение угла наклона антенны) оказываются в зоне повышенной опасности и риска в соответствии с [21].

Работы на высоте относятся к работам с повышенной опасностью и включены в перечень профессий и видов работ, к которым предъявляются повышенные требования по соблюдению правил безопасности при производстве работ.

К работе на высоте относятся работы, при выполнении которых работник находится на расстоянии менее 2 м от не ограждённых перепадов по высоте 1,3 м и более. При невозможности устройства ограждений работы должны выполняться с применением предохранительного пояса и страховочного каната [20]. Работы, выполняемые на высоте более 5 м от поверхности земли, перекрытия или рабочего настила, над которыми производятся работы непосредственно с конструкций или оборудования при их монтаже или ремонте, относятся к категории верхолазных работ.

Основным опасным производственным фактором при работе на высоте является расположение рабочего места на значительной высоте относительно поверхности земли (пола) и связанная с этим возможность падения работника.

Требования безопасности при работе на высоте изложены в ГОСТах и правилах [21]. Правила устанавливают единый порядок организации и проведения всех видов работ на высоте, верхолазных работ с целью обеспечения безопасности работников, выполняющих эти работы, и лиц, находящихся в зоне производства этих работ.

При работах на высоте в строительстве, при электромонтажных работах наряду с Правилами действует соответствующая отраслевая нормативная документация.

На основе Правил с учётом конкретных условий разрабатываются стандарты предприятия, положения и инструкции по охране труда при работе на высоте.

8.1.2 Повышенное значение напряжения в электрической цепи

Основными источниками опасности поражения электрическим током являются секции и стойки, частью которых является модем.

Опасность поражения электрическим током существует в связи с высоким напряжением питания радиостанции и дополнительных устройств - 220В переменного тока промышленной частоты 50 Гц.

Радиопередающие устройства имеют металлические корпуса, что увеличивает опасность поражения электрическим током при неисправностях цепей электропитания. Основные причин поражения электрическим током:

- нарушение правил эксплуатации и ремонта электрооборудования;

- неправильная установка электрооборудования, отсутствие или неправильная установка защитного заземления, зануления или отключения;

- невыполнение правил устройства электроустановок: токоведущие части не закрыты кожухом, плохая изоляция токоведущих частей, невозможность быстрого отключения оборудования, в случае поражения работающего на нем, электрическим током [23].

Напряжения прикосновения и токи, протекающие через тело человека при нормальном (неаварийном) режиме электроустановки, не должны превышать значений, указанных в таблице 8.1.

Т а б л и ц а 8.1-Предельно допустимые значения напряжений и токов

Род тока	U, В	I, мА
Переменный, 50 Гц	2,0	0,3
Переменный, 400 Гц	3,0	0,4
Постоянный	8,0	1,0

Напряжения прикосновения и токи приведены при продолжительности воздействий не более 10 мин в сутки и установлены, исходя из реакции ощущения.

Напряжения прикосновения и токи для лиц, выполняющих работу в условиях высоких температур (выше 25°С) и влажности (относительная влажность более 75%), должны быть уменьшены в три раза.

Электрический ток, проходя через тело человека, оказывает тепловое, химическое и биологическое воздействия. Тепловое действие проявляется в виде ожогов участков кожи тела, перегрева различных органов, а также возникающих в результате перегрева разрывов кровеносных сосудов и нервных волокон. Химическое действие ведет к электролизу крови, что приводит к нарушению нормального функционирования организма. Биологическое действие электрического тока проявляется в опасном возбуждении живых клеток и тканей организма [22].

Различают два основных вида поражения человека электрическим током: электрический удар и электрические травмы. Электрическим ударом называется такое действие тока на организм человека, в результате которого мышцы тела начинают судорожно сокращаться. При этом в зависимости от величины тока и времени его действия человек может находиться в сознании или без сознания, но при нормальной работе сердца и дыхания. В более тяжелых случаях потеря сознания сопровождается нарушением работы сердечно-сосудистой системы, что ведет даже к смертельному исходу. В результате электрического удара возможен паралич важнейших органов (сердца, мозга и пр.).

Электрической травмой называют такое действие тока на организм, при котором повреждаются ткани организма: кожа, мышцы, кости, связки. Особую опасность представляют электрические травмы в виде ожогов. Такой ожог появляется в месте контакта тела человека с токоведущей частью электроустановки или электрической дугой. Бывают также такие травмы, как металлизация кожи, различные механические повреждения, возникающие в результате резких непроизвольных движений человека. В результате тяжелых форм электрического удара человек может оказаться в состоянии клинической смерти: у него прекращается дыхание и кровообращение.

Непосредственными причинами смерти человека, пораженного электрическим током, является прекращение работы сердца, остановка дыхания вследствие паралича мышц грудной клетки и так называемый электрический шок.

Поражение человека электрическим током в результате электрического удара может быть различным по тяжести, т. к. на степень поражения влияет ряд факторов: величина тока, продолжительность его прохождения через тело, частота, путь, проходимый током в теле человека, а также индивидуальные свойства пострадавшего (состояние здоровья, возраст и др.). Основным фактором, влияющим на исход поражения, является величина тока, которая, согласно закону Ома, зависит от величины приложенного напряжения и сопротивления тела человека. Большую роль играет величина напряжения, т. к. при напряжениях около 100В и выше наступает пробой верхнего рогового слоя кожи, вследствие чего и электрическое сопротивление человека резко уменьшается, а ток возрастает. При расчетах сопротивление тела человека принимается равным 1000 Ом согласно [23].

8.1.3 Электромагнитное излучение антенны

Одним из основных факторов, который может угрожать здоровью человека является электромагнитное излучение (ЭМП) антенны. Электромагнитные волны, создаваемые антеннами корпоративных и телеметрических систем передачи данных, относятся к дециметровому диапазону радиочастот и оказывают на человека тепловое и биологическое воздействие [23].

Степень биологического воздействия электромагнитных полей на организм человека зависит от частоты колебаний, напряженности и интенсивности поля, режима его генерации (импульсное, непрерывное), длительности воздействия. Биологическое воздействие полей разных диапазонов неодинаково. Чем короче длина волны, тем большей энергией она обладает. Высокочастотные излучения могут ионизировать атомы или молекулы в соматических клетках - и т.о. нарушать идущие в них процессы .