ЭК10 2010 by Oleg Polikarpov

содержание

№10/2010 6 ГК «Азимут»: устойчивый курс на совершенствование 9 «ЭкспоЭлектроника»: цели наших участников — наши цели

21 Галина Гайкович Беспроводные технологии и их применение в промышленности: сосуществование разных радиосистем

10 СОБЫТИЯ РЫНКА

28 Даниил Петров Стандарты беспроводной связи диапазона ISM

РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ

33 Алексей Павлов Адресация и профили ZigBee

11 Станислав Гафт Оптимизация сборочного электронного производства

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 17 Валентин Самсонов Преодоление ограничений скорости передачи по беспроводному каналу

36 Фрэнк Райал Физический уровень LTE 43 Александр Губа, Омар Гасанов, Расул Гишов Активные фильтры в приемных устройствах радиовещательного диапазона 46 Виктор Александров Как высокоскоростные АЦП позволяют реализовывать эффективные SDR-решения

журнал для разработчиков

РЫНОК

Руководитель направления «Разработка электроники» и главный редактор Леонид Чанов; ответственный секретарь Марина Грачёва; редакторы: Елизавета Воронина; Виктор Ежов; Екатерина Самкова; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; редакционная коллегия: Валерий Григорьев; Борис Рудяк; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Ольга Дорофеева; Елена Живова; распространение и подписка: Марина Панова, Василий Рябишников; вёрстка, дизайн: Александр Житник; Михаил Павлюк; директор издательства: Михаил Симаков Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35 тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; эл. почта: elecom@ecomp.ru, www.elcp.ru ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо» (Минск): 220015, г. Минск, прз. Пушкина, 29 Б; тел./факс: +375 (17) 251-6735; е-mail: electro@bek.open.by, electronica.nsys.by. IMRAD (Киев): 03113, г. Киев, ул. Шутова, д. 9, оф. 211; тел./факс: +380 (44) 495-2113, 495-2110, 495-2109; е-mail: imrad@tex.kiev.ua, www.imrad.kiev.ua Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Использование материалов возможно только с согласия редакции. При перепечатке материалов ссылка на журнал «Электронные компоненты» обязательна. Ответственность за достоверность информации в рекламных объявлениях несут рекламодатели. Индекс для России и стран СНГ по каталогу агентства «Роспечать» — 47298, индекс для России и стран СНГ по объединенному каталогу «Пресса России. Российские и зарубежные газеты и журналы» — 39459. Свободная цена. Издание зарегистрировано в Комитете РФ по печати. ПИ №77-17143. Подписано в печать 02.11.2010 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 3000 экз. Изготовлено ООО «Стратим». 152919, г. Рыбинск, Ярославская обл., ул. Волочаевская, д. 13..

Электронные компоненты

www. elcp.ru

50 Пробир Саркар Увеличение пропускной способности сетей 802.11n за счёт усовершенствования протокола MAC. Часть 1 54 Алексей Лезинов Автоматизация тестирования систем связи с использованием оборудования JFW Industries

СВЕТОТЕХНИКА И ОПТОЭЛЕКТРОНИКА СОДЕРЖАНИЕ

61 Ё Сёк Бин Влияние динамического и статического подавления синфазной помехи на целостность сигнала 63 Марджери Коннер Осветительные системы будущего

МК И DSP 66 Владимир Егоров Архитектурные инновации в многоядерных ИКМ QorIQ

WWW.ELCOMDESIGN.RU

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ 73 Владимир Трасковский, Олег Рукаль ИС интерфейсных приемопередатчиков с устойчивостью к статическому электричеству на уровне 15 кВ

ПОСЛЕ РАБОТЫ 76 Гарри Багген Аудио DSP своими руками 79 НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ

contents # 1 0 / 2 0 1 0

E LEC TRO N I C COM PO N E NT S #10 2010

6 Azimuth Holding: Stable Course to Improvement 910 ExpoElectronica: Our Participants’ Aims Are Our Targets 10 MARKET EVENTS

DESIGN AND DEVELOPMENT 11 Stanislav Gaft Optimizing Assembly Work

WIRELESS TECHNOLOGIES 17 Valentin Samsonov Overcoming Limitations on Data Rates in Wireless Link 21 Galina Gaikovich Wireless Technologies in Industry: Co-existence of Different Radio Systems 28 Danil Petrov Standards of ISM Wireless Communication 33 Alexey Pavlov ZigBee Addressing and Profiles 36 Frank Rayal An Overview of the LTE Physical Layer 43 Alexander Guba, Omar Gasanov and Rasul Gishov Active Filters in Receivers for Broadcast Band 46 Victor Alexandrov High-Speed ADC Can Implement Efficient SDR Solutions

54 Alexey Lezinov Use of JFW Industries Products for Communication Specific Test Automation

LIGHTING AND OPTOELECTRONICS 61 Yeo Siok Been Dynamic and Static CMR: Impacts to Signal Integrity 63 Margery Conner Illuminate the Future of Lighting

MCU AND DSP 66 Vladimir Egorov Architectural Innovations in QorIQ Multicore Integrated Communication MCU

NETWORKS AND INTERFACES 73 Vladimir Traskovsky, Oleg Rukal Interface Transceivers Stable to Static Electricity at 15 kV

AT LEISURE 76 Harry Baggen Audio DSP for DIY applications 79 NEW COMPONENTS IN THE RUSSIAN MARKET

50 Probir Sarkar How Throughput Enhancements Dramatically Boost 802.11n MAC Efficiency. Part I

Электронные компоненты №10 2010

5 СОДЕРЖАНИЕ

MARKET

ГК «АЗИМУТ»: УСТОЙЧИВЫЙ КУРС НА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ На этот раз собеседником нашего журнала стал Михаил Шер, директор по производству группы компаний «Азимут». Результаты деятельности этой многогранной и масштабной компании, которая географически распределена по разным регионам России, трудно даже просто перечислить в одном небольшом интервью. В разговоре с Шером нас поразили не только высокий профессионализм собеседника, стремление к непрерывному совершенствованию производства и конкурентоспособности компании, но и та открытость, с которой мы обсуждали больные темы отечественной электроники.

РЫНОК

— Расскажите, пожалуйста, об истории, структуре, численности, деятельности компании. — Группа компаний (ГК) «Азимут» — один из ведущих разработчиков и производителей средств и систем связи, навигации, наблюдения и автоматизации управления воздушным движением. ГК «Азимут» объединяет профильные предприятия, часть из которых создана в 1959 г. В состав группы компаний «Азимут» входят следующие предприятия: ОАО «АЗИМУТ» (Москва) — головная компания, выполняет проектирование, поставку, гарантийное и послегарантийное обслуживание по всей номенклатуре средств, осуществляет управление предприятиями группы, имеет три филиала: в С.-Петербурге, Нижнем Новгороде и Челябинске. Филиалы осуществляют разработку нового поколения систем и средств обеспечения безопасности полётов. ЗАО «ПО «Азимут» (Махачкала) — разработчик связного и навигационного оборудования плюс серийный завод. ЗАО «НТЦ Азимут» (Зеленоград) — разработчик цифровых технологий нового поколения (в стадии проектирования и строительства находится здание 5000 м2 на территории техниковнедренческой зоны Алабушево). ЗАО «Азимут-Альянс» (С.-Петербург) — разработчик автоматизированных рабочих мест диспетчеров и АС УВД нового поколения. В Челябинске размещаются старейшие предприятия группы компаний «Азимут»: ЗАО «НИИИТ-РК» — разработчик и производитель систем УВД, навигации и посадки на авианесущие корабли Минобороны России и вторичных радиолокаторов для гражданской авиации. Ведет разработку систем наблюдения

WWW.ELCOMDESIGN.RU

нового поколения для реализации технологии CNS/ATM ICAO. ЗАО «НИИИТ-РТС» — разработчик и производитель радиомаяков, систем навигации и посадки. ЗАО «НИИИТ-ОЗ» опытный завод: изготовление макетов и опытных образцов по ОКР. В группе компаний «Азимут» более тысячи высококвалифицированных сотрудников, среди которых кандидаты и доктора технических наук. Оборудованием, разработанным и изготовленным предприятиями группы компаний «Азимут», оснащены более 140 аэродромов и центров управления воздушным движением России и СНГ. ГК «Азимут» производит АРП, системы навигации VOR/DME и DVOR/ DME, системы посадки типа ILS, вторичные радиолокаторы, системы привода и посадки на авианесущие корабли, радиосредства для связи с бортами и автоматизированные приемо-передающие центры (АППЦ), ВЧ, ОВЧ и ОВЧ-УВЧ диапазонов, системы цифровой передачи информации ACARS, VDL-2, антеннофидерные устройства, радиотехнические системы управления промышленными объектами. Разрабатываемая и производимая нами аппаратура перекрывает практически всю номенклатуру технических средств РЭА, необходимых для оборудования аэродромов различных ведомств. Все оборудование «Азимут» имеет сертификаты, выданные Межгосударственным авиационным комитетом. Системы менеджмента качества предприятий ГК сертифицированы на соответствие требованиям ИСО 90012001. — Расскажите подробнее о производстве группы компаний. Вы используете его только для своей продукции или выполняете сторонние заказы?

— ЗАО ПО «Азимут» организовано в 1999 г. В настоящее время это высокоэффективное предприятие, освоившее самые современные технологии изготовления радиоэлектронной аппаратуры. Численность ПО «Азимут» — 216 человек, в т.ч. основной производственный персонал — 84 чел., среднемесячная заработная плата — 19500 руб. Объем производства продукции в 2009 г. составил 760902 тыс. руб. (2007 г. — 272860 тыс. руб., 2008 г. — 358830 тыс. руб.). Выработка на одного работающего — 3675 тыс. руб. Эффективность производственной деятельности обеспечивается постоянным поиском и внедрением новых технологий и оборудования, реализацией сквозного цикла подготовки и организацией производства на основе электронного архива и АСУ собственной разработки. Конструкторская документация (чертежи и 3D-модели) поступает по ЛВС в технологический отдел, где разрабатываются программы для ЧПУ — станков и линии поверхностного монтажа. Программная технологическая документация по ЛВС передается непосредственно в ЧПУ — станки. Изготовленные детали проверяются на соответствие КД на прецизионной измерительной машине швейцарской фирмы Tessa. Смонтированные в линии SMD платы проходят проверку на автоматической оптической инспекции Orbotec. По результатам проверки программно-технологическая документация ставится на учет в электронный архив и используются в дальнейшем, что обеспечивает полную повторяемость изготавливаемых деталей и модулей. Процессы запуска в производство, технологической подготовки, материально-технического обеспечения (от формирования потребностей и заявок поставщикам до выдачи в цеха) автоматизированы.

— Компания работает на рынке, регулируемом государством. Существуют ли планы по выходу на открытый рынок? С какой продукцией вы собираетесь это делать? — С оборудованием радиосвязи мы осваиваем рынок СНГ, успешно конкурируя с такими фирмами как Rohde & Schwarz (Германия) и Park Air Systems (Великобритания). Около 100 радиосредств в комплекте с АФУ поставлены и эксплуатируются в республике Беларусь, четыре АППЦ смонтированы и введены в эксплуатацию в Таджикистане. С системами управления промышленными объектами по радиоканалу мы выходим на региональные тендеры. В девяти городах России эти системы успешно используются для управления тяговыми подстанциями трамвайнотроллейбусных сетей и уличным освещением. — Есть ли у вас конкуренты на российском рынке?

— Да. Радиосредства для связи с бортами и АППЦ диапазонов ОВЧ и ОВЧ-УВЧ выпускаются Владимирским заводом «Электроприбор». В области вторичной радиолокации работает ОАО «ЛЭМЗ». СКРС и пульты диспетчеров поставляются фирмой «Нита», ОАО «ЛЭМЗ», ВНИИРА-ОВД. По остальным видам нашей продукции ГК «Азимут» является единственным поставщиком в России. — Работа на регулируемом государством рынке зачастую позволяет не заботиться о снижении производственных издержек. Следите ли вы за эффективностью производства или главное — выполнить в срок заказ? — Не могу согласиться, что регулирование рынка государством не заставляет заботиться о снижении производственных издержек. Единым поставщиком аппаратуры (в частности, навигации и связи) для оборудования аэродромов и центров УВД руководством РФ определен ОАО «Концерн ПВО «Алмаз-Антей», который выступает заказчиком у предприятийпроизводителей. Если на рынке есть продукция различных изготовителей, то закупки осуществляются только по результатам тендера, и стоимость наряду с ТТХ и качеством поставляемых изделий играет определяющую роль. Если поставщик один, то заказчик сравнивает предлагаемую цену со стоимостью зарубежных аналогов. И если стоимость нашего изделия и услуг не будет на 20—30% ниже, чем у зарубежного аналога при прочих равных характеристиках, заказчик «обидится». А ссориться с заказчиком — себе вредить. С другой стороны, если стоимость изделия определена договором, то снижение затрат позволит увеличить прибыль. Используя полученную прибыль для закупки высокотехнологичного оборудования и внедрения современных технологий, можно еще сократить производственные издержки. Такая очевидная схема обеспечивает группе компаний «Азимут» рост объемов производства, проводимых НИР и ОКР. Все названное высокопроизводительное оборудование приобретено в течение последних 10 лет за счет собственных средств. Полученная прибыль позволяет финансировать семь ОКР по коренной модернизации поставляемого оборудования и четыре ОКР по созданию новых продуктов. — Насколько велик отдел разработки? Кто составляет его основной костяк? Расскажите, какие современные технические задачи приходится решать при разработке систем навигации и связи и насколько успешно?

— Общая численность разработчиков в группе компаний «Азимут» превышает 300 специалистов. Более половины из них заняты выполнением ОКР в интересах министерства обороны РФ: создание систем навигации и посадки для авианесущих кораблей. Челябинские предприятия вошли в состав группы компаний «Азимут» в 2009 г. Костяк челябинских НИИ — опытные инженеры со стажем работы 30—40 лет. Большой опыт разработки РЭА позволяет им обеспечить качество и надежность создаваемой аппаратуры, сократить время на макетирование, отладку и доработку, снизить затраты и сроки корректировки КД. С другой стороны, разработчики в возрасте 55—65 лет зачастую с опаской относятся к внедрению новых методов обработки и формирования сигналов, использованию новой элементной базы под современные технологии производства, к моделированию и современным САПР, т.к. у них имеются проверенные опытом решения. В результате модернизация серийно выпускаемых изделий имеет «вялотекущий» характер, теряется их конкурентоспособность. Разработчики махачкалинской площадки — выпускники Дагестанского технического университета. Они гораздо моложе, их стаж работы составляет в среднем 5—7 лет. Они стремятся заложить в разработку самые современные, но не проверенные технические решения, увлекаются излишним макетированием в ущерб моделированию. Недостаточность опыта приводит к большому количеству ошибок, много сил и времени тратится на переработку опытных образцов и корректировку КД. Инженерная школа на предприятии еще только формируется. Надеемся, что объединение опыта разработчиков старшего поколения и творческого потенциала молодежи повысит эффективность работы всего коллектива разработчиков. В 2008 г. созданы радиосредства нового поколения на основе цифровой обработки, благодаря чему реализована возможность передачи не только речи, но и данных в режимах VDL1 ACARS и VDL2. Наличие сетевого интерфейса Ethernet позволяет реализовать ранее недоступную возможность построения разветвленной иерархической наземной сети управления и контроля радиосредствами, а также организацию передачи цифрового речевого трафика. Оборудование DVOR/DME, созданное ГК «Азимут», не имеет отечественных аналогов, а аналоги наиболее известных зарубежных фирм Fernau и Thales — в 1,2—1,5 раза дороже.

Электронные компоненты №10 2010

7 РЫНОК

В основе сборочно-монтажного производства — линия поверхностного монтажа фирмы UNIVERSAL с производительностью до 25 тыс. компонентов/ч и возможностью установки всего спектра поверхностно монтируемых изделий. В настоящий момент сборочно-монтажное производство, имея в своем арсенале оборудование ведущих мировых лидеров (FRITSCH, WELLER, PACE, KOMAX и т.д.) и квалифицированный персонал, может выполнить практически любой вид монтажа. Технологическая база механического производства представлена современным высокопроизводительным оборудованием с ЧПУ фирм НААS, FinnPower, Mitsubishi по всем основным методам металлообработки. На предприятии обеспечены все основные виды сварки, которые выполняются на оборудовании таких известных фирм как Esab и Kemppi. Крепление сварных конструкций производится на сборочно-монтажных столах Demmler, что гарантирует высокое качество сварочных работ. Приобретены и до конца 2010 г. будут введены в эксплуатацию: оборудование для лазерной резки фирмы Prima; портально-фрезерный обрабатывающий центр НААS; линия порошковой окраски длинномерных металлоконструкций; оборудование изготовления деталей из радиопрозрачных материалов; Производство загружено собственными заказами. Бывает, что ресурса не хватает и мы вынуждены привлекать контрагентов. Сторонние заказы выполняем эпизодически.

РЫНОК

— На какой элементной базе разработаны системы навигации и связи? Ваше мнение о качестве российской элементной базы. — Вся наша аппаратура гражданского назначения разрабатывается на импортной элементной базе. Российские компоненты мы вынуждены использовать в изделиях, разрабатываемых в интересах МО РФ. В 2000 г. я как главный инженер подписал распоряжение о запрете применения отечественных КИ без должного обоснования в разработках для гражданских заказчиков. Пришлось даже выслушивать обвинения в отсутствии патриотизма. Но реализовать цифровую обработку сигналов на отечественной комплектации в то время было просто невозможно. Считаю, что принятое решение актуально и по сей день — достаточно сравнить характеристики отечественной и импортной элементной базы хотя бы по двум позициям: DSP и ПЛИС. Российский серийно выпускаемый (в Азии) DSP 1892ВМ2Я двухъ ядерный, причем DSP практически выполняет роль сопроцессора обработки сигналов у контроллера; тактовая частота — 100 МГц, но во всем диапазоне рабочих температур можно рассчитывать максимум на 80 МГц. Методы загрузки ПО — только параллельный и JTAG. DSP программируется только на ассемблере, у него неудобные средства отладки, длительное освоение. У DSP импортного производства частота 600…900 МГц, программирование на языках высокого уровня, наличие различных вариантов загрузки ПО и эффективной технической поддержки, включающей готовые модули ПО. В I кв. 2010 г. КТЦ «Электроника» презентовал российскую ПЛИС: 50000 вентилей, 2880 логических элементов. Сравните: у распространенных ПЛИС фирм Altera и Xilinx — 1 млн вентилей, частота 500…600 МГц. Отечественные АЦП и ЦАП уступают импортным по частоте и разрядности. Далеко не все активные российские компоненты предназначены для SMDмонтажа, а те, кто монтирует пассивные SMD-компоненты российского производства, постоянно борется с дефектами монтажа типа «могильный камень». Отдельно о разработках в интересах МО РФ. Изделия часто уступают гражданским аналогам по эксплуатационным характеристикам, в частности, весогабаритным, из-за использования отечественной элементной базы. В меньшей степени реализуются сервисные режимы, диагностика изделий более поверхностная. У многих разработчиков пресловутый 41-й приказ,

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ограничивающий применение зарубежных КИ в военной технике, ассоциируется с 1941 г. Необходимость построения военной техники на отечественной элементной базе очевидна, но требуются не ограничения в применении импортных компонентов, а государственная программа с мощным финансированием по созданию этой элементной базы. Для меня, как и для многих специалистов, это больная тема. — Насколько эффективна государственная поддержка российской электроники? Нужна ли она для ее успешного развития и повышению конкурентоспособности на мировом рынке? Насколько объективно, на ваш взгляд, проводятся тендеры на получение госзаказа? — Государственная поддержка именно электроники, а не приборо- и радиостроения необходима, я об этом говорил. Тендеры в области закупок оборудования навигации и связи проводятся, как мне кажется, объективно. У ГК «Азимут» не было на этот счет претензий. Но, возможно, это впечатление возникло оттого, что «Азимут» выигрывал практически во всех тендерах, где участвовал. — Каким образом отразился кризис на работе вашей компании? — Мы не почувствовали кризиса. Портфель заказов увеличился существенно, объем производства в 2009 г. вырос по сравнению с 2008 г. в 2 раза, выросла и численность сотрудников. Возникали единичные мелкие проблемы с поставщиками материалов, но вопросы быстро решались. — Как вы решаете кадровую проблему? Какими основными профессиональными недостатками страдают современные инженеры? — К сожалению, проблема с кадрами достаточно серьезная и разноплановая. По челябинской площадке последние годы ситуация улучшилась. В НИИ пришли молодые инженеры с хорошей базовой подготовкой, применяющие современные методы проектирования РЭА. Финансовый кризис помог опытному заводу пригласить необходимых технологов и конструкторов по оснастке с других предприятий города. Серьезная проблема с кадрами у ЗАО ПО «Азимут». В Махачкале практически невозможно найти конструкторов и технологов РЭА. А специалисты из других регионов в Дагестан не едут по известным причинам. По подготовке схемотехников, программистов, инженеров-испытателей ЗАО ПО «Азимут» плотно сотрудничает с

Дагестанским техническим университетом. На предприятии оборудованы лекционный зал и лаборатория, наши ведущие специалисты преподают на старших курсах базовые дисциплины и спецпредметы, студенты проходят практику в НИО и цехах. Лучших студентов, начиная с четвертого курса, принимаем на работу на полставки. Хуже с рабочими специальностями. В России разрушена система подготовки квалифицированных рабочих. Эта проблема — государственная, о чем свидетельствуют поручения, данные президентом РФ правительству. Сказывается и местный менталитет — в Дагестане рабочие профессии никогда престижными не считались. Берем на работу учеников, обучаем. Привлекаем на вакансии операторов станков с ЧПУ выпускников технического университета, которые не могут устроиться инженерами. — Существуют ли у вас четкие планы развития на 2—3 года? Что мешает их осуществлению? — Существует план НИОКР группы компаний «Азимут» на 2010—2012 гг. и план производства и сопутствующих услуг на 2010—2011 гг., план технического перевооружения производства на 2010—2011 гг. По НИОКР мы планируем в 2011— 2012 гг. завершить кардинальную модернизацию угломерных и дальномерного радиомаяков, автоматического радиопеленгатора, инструментальной системы посадки, МВРЛ, выполнить ОКРы по созданию диспетчерских АРМ, СКРС, станции АЗН. План производства включает изготовление изделий по заключенным договорам, сопутствующие услуги: проектирование позиций, монтаж, пусконаладку, испытания изделий на позициях. План технического перевооружения предусматривает ввод в эксплуатацию гальванического производства, освоение технологии изготовления деталей из радиопрозрачных материалов, ввод в строй дополнительно более 3000 кв.м производственных площадей. В связи с существенным ростом объемов производства мы планируем в 2011 г. внедрить систему управления производством и технологической подготовкой минской фирмы Omegasoftware. Осуществлению планов мешает недостаточность оборотных средств, которая, в свою очередь, бывает вызвана стремлением сделать сразу все и в очень сжатые сроки. Средства и ресурсы распыляются, процессы затягиваются. Но, главное, что группа компаний развивается и, как мне кажется, успешно.

«ЭкспоЭлектроника»: цели наших участников — наши цели 19—21 апреля 2011 г. в московском выставочном центре «Крокус-Экспо» будет проходить 14-я специализированная выставка компонентов и комплектующих для электронной промышленности — «ЭкспоЭлектроника». «ЭкспоЭлектроника» всегда быстро росла и беспрепятственно развивалась, но в период кризиса возникло небольшое затишье — у организаторов было время оглянуться назад, оценить результаты, подумать. Стало понятным, что наши участники и посетители стали более осторожными, и требовались новые силы, вливания и время, чтобы восстановить в них оптимизм и в очередной раз доказать эффективность проекта. Несомненным плюсом было то, что в период нехватки ресурсов любая компания приобретает особую ясность взгляда и способность к инновациям. Определенные ограничения возможностей поспособствовали оптимизации их использования, привлечению спонсоров, активной работе с органами власти и участию экспоцентра в улучшении условий для участников выставки. Видимо, все эти усилия и рост отрасли в целом и объясняют успешность проектов «ЭкспоЭлектроника» и «ЭлектронТехЭкспо»: выставки не просто удержали прежние позиции, но и значительно увеличили площади за счет новых участников и возврата старых экспонентов. Это те задачи, которые организаторы ставили перед собой в начале 2010 г., и сегодняшние результаты доказывают, что был выбран правильный путь их решения. О новом витке развития отрасли и выставки говорят и постоянные участники, и эксперты рынка электроники. Ю. И. Борисов, заместитель министра промышленности и торговли РФ: «Руководство страны предпринимает серьезные шаги по переориентации российской экономики с сырьевых рельсов на научно-техническую и производственную стезю. В этой связи выставки «ЭкспоЭлектроника» и «ЭлектронТехЭкспо» приобретают особую актуальность, предоставляя предприятиям, занятым разработкой и производством современных компонентов, уникальную возможность продемонстрировать свои новейшие достижения, обменяться опытом и определить пути дальнейшего развития». М. Маслов, исполнительный директор Ассоциации производителей электронной аппаратуры и приборов (АПЭАП): «Выставка «ЭкспоЭлектроника» — место, где не просто происходит информационный обмен, но и устанавливаются поистине доверительные отношения, которые лучше любых договоров и указов формируют фундамент отрасли». А. Блохин, вице-президент по маркетингу компании «ПетроИнТрейд»: «Мы много лет участвуем в этой крупнейшей российской выставке, и цели остаются прежними: продемонстрировать свои возможности, напомнить о себе действующим партнерам и обзавестись новыми. «ЭкспоЭлектроника» — это традиционное место встречи с друзьями и коллегами». Поскольку потребитель теперь экономит, он больше времени уделяет поиску оптимального для себя проекта с наилучшим соотношением цены и качества. «ЭкспоЭлектроника» оперативно предлагает бизнесу инструменты, позволяющие заявить о себе и своих продуктах с наибольшей эффективностью, задействовав максимум рекламных возможностей. Огромный потен-

циал выставочных площадок пока не реализован полностью, но уже сейчас ясно, что «ЭкспоЭлектроника» и «ЭлектронТехЭкспо» — это главные платформы для обмена профессиональной информацией в области электроники. Большинство конкурирующих проектов уходит с рынка в основном из-за того, что их организаторы вовремя не рассмотрели новые направления для развития. Замкнутость проектов, слабый менеджмент, зацикленность на прибыли и боязнь инвестировать в инновации вывели множество игроков с поля. В «ЭкспоЭлектронике» иная культура развития проекта, здесь все направлено на инновации, именно это позволяет масштабировать бизнес. В этом году новым, активно разрабатываемым направлением, стал раздел «Полупроводниковая светотехника», который будет широко представлен экспозициями участников и найдет свое отражение в деловых мероприятиях проекта. Сейчас выставки находятся на пике своего технологического цикла — основные игроки прошлого года подтвердили свое участие, и сегодняшние продажи на 20% превышают продажи прошлогоднего периода, но это не останавливает ни отдел маркетинга, ни отдел продаж. «Приглашая компании к участию в выставках, — рассказывает директор отдела выставок электронной промышленности Татьяна Долгова, — мы, прежде всего, пытаемся понять, какой клиент интересен той или иной компании, какие способы привлечения партнеров они наиболее активно используют и что нового привносят на рынок электроники? Используя наш 14-летний опыт работы, мы стараемся помочь выработать стратегию выставочной работы, правильную для конкретной компании. Точность и индивидуальность работы в условиях жесткой конкуренции являются особенно важными факторами успеха: неэффективные бизнес-идеи испаряются, а «ЭкспоЭлектроника» год от года крепнет. Это происходит потому, что мы не жалеем усилий, и рано или поздно компания, которая задумывалась о необходимости рекламы, становится нашим участником, а ее цели становятся и нашими целями. У нас есть все для достижения успеха, наш особый подход к каждому клиенту в долгосрочной перспективе полностью оправдывает себя, и каждый год на выставках появляются всё новые участники и посетители».

Электронные компоненты №10 2010

СОБЫТИЯ РЫНКА | III ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ И СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ» | 28 октября 2010 г. в Москве медиагруппа «Электроника» провела III Всероссийскую конференцию «Встраиваемые системы и средства автоматизации». На конференции, собравшей около 100 технических специалистов и руководителей компаний-разработчиков и производителей систем управления, встраиваемой аппаратуры и ПО, а также компаний-системных интеграторов, обсуждались проблемы и перспективы проектирования и эксплуатации встраиваемых систем, передовые технологии и новые продукты для их построения. В рамках конференции были проведены четыре секции «Микропроцессоры и модули», «Программное обеспечение», «Технологии и стандарты» и «Опыт применения в различных приложениях». Александр Варварик, генеральный директор компании «СВД Встраиваемые системы», познакомил участников конференции с современными технологиями и решениями компании на базе ОС жесткого реального времени QNX. Отметим, что ОС поддерживает отечественные процессоры Multicore компании «Элвис». Открывая секцию «Микропроцессоры и модули», генеральный директор компании Freescale Андрей Абрамов рассказал об особенностях нового семейства 32-разрядных микроконтроллеров для обработки смешанных сигналов Kinetics. Владимир Фельдман, заместитель генерального директора ЗАО «МЦСТ», познакомил участников конференции с особенностями построения последних поколений микропроцессоров разработки ЗАО «МЦСТ» — «Эльбрус» и «МЦСТ-R». Руководитель продаж компании VIA Technologies в Роccии Александр Шварц и руководитель бизнес-юнита компании «Компэл» Игорь Чехранов представили встраиваемые платы и РС-интегрированные решения от VIA Technologies. Генеральный директор НТФ «МЦ Квадрат» Арнольд Галустов познакомили собравшихся с модульными контроллерами Saia-Burgess Controls для автоматизации технологических процессов. Александр Ковалев, директор направления «Встраиваемые модули» компании «РТСофт», рассказал об особенностях технологии «компьютеры на модуле», которая позволяет значительно сократить время вывода продукта на рынок и его стоимость. Владимир Свириденко, технический директор компании SPIRIT-Telecom, познакомил участников с многофункциональной микропроцессорной платформой для терминального оборудования в информационно-коммуникационно-навигационных (ИКН) системах с акцентом на автоприложения, включая системы мониторинга подвижных объектов. В секции «Программное обеспечение» консультант компании AdaCore, с.н.с. НИВЦ МГУ Сергей Рыбин остановился на возможностях языка Ада для применения во встраиваемых системах. Павел Белевский, системный инженер компании «Кварта Технологии», рассказал о преимуществах платформы Windows Embedded и остановился на особенностях разработки устройств на базе Windows Embedded Standard 7. Сергей Зыль, технический директор компании «СВД Встраиваемые системы» познакомил участников с особенностями связующего ПО для систем на платформе QNX. Алексей Демьянов, заместитель директора компании «АВД Системы», рассказал о последних разработках компании Wind River в области ПО: VxWorks v6.8, VxWorks 653 v2.3, Simics v4.4 и Tilcon v5.8. После перерыва представитель компании Freescale Андрей Абрамов подробно рассказал об особенностях ОСРВ MQX, а инженер отдела сервисов компании «СВД Софтвер» познакомил участников с принципами построения человеко-машинных интерфейсов на базе технологии Adobe FlashLite. www.elcomdesign.ru

СОБЫТИЯ РЫНКА

| V ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРОНИКИ» | 25 октября 2010 г. в Москве, в рамках Российской недели электроники медиагруппа «Электроника» провела V Всероссийскую конференцию «Производство электроники», основной темой которой стало «Применение стандартов IPC в современном монтажном производстве». Юрий Ковалевский, официальный представитель Международной Ассоциации IPC в России, подробно рассказал обо всех аспектах требований стандартов IPC. Его доклад сопровождался комментариями лучших специалистов отечественных предприятий. Открыл конференцию Вадим Лысов, заместитель директора НПФ «Доломант». Он представил свое видение российского рынка электроники. По его мнению, наилучшие перспективы у предприятий, которые сумели или сумеют в ближайшем будущем занять ниши на рынке, где требуется изготовление высокотехнологичной продукции ответственного назначения. Об истории знакомства со стандартами IPC на предприятиях России рассказал Павел Агафонов, директор консультационнотехнологического центра ЗАО Предприятие Остек. Юрий Ковалевский перешел к главной теме конференции. Вслед за изложением общих сведений об Ассоциации IPC, методики организации процессов разработки стандартов, а также после демонстрации «дерева» стандартов относительно техпроцесса монтажа Ю. Ковалевский раскрыл содержание документов, касающихся оценки поставщиков и приемки печатных плат и компонентов (Серия IPC-6010, стандарты IPC-A-600, J-STD-002). Еще в одном своем докладе Ю. Ковалевский рассказал о процессах нанесения паяльных паст, хранения и использования трафаретов (IPC-7525, IPC-A-610) и об установке компонентов на печатные платы (IPC-9850, IPC-A-610). Владимир Макаров, генеральный директор ООО «НКАБ-Эрикон» затронул в своем выступлении вопросы конструирования, изготовления и приемки печатных плат. Стандарты, касающиеся хранения и использования компонентов при сборке печатных плат (J-STD-020, J-STD-033), прокомментировал Илья Лейтес, главный технолог НИЦЭВТ. В своем втором докладе он рассказал о стандартах по технологии и оборудованию для пайки (конвекционная пайка, парофазная пайка, селективная пайка — J-STD-001, IPC-A-610), а также по применению компонентов BGA (IPC-7095). Дополнительно были рассмотрены вопросы применения бессвинцовой и смешанной технологии и реболлинга компонентов BGA. Вопросы точности оборудования для установки компонентов (IPC-9850) осветил Алексей Курносенко, руководитель отдела технической информации проекта «Элинформ». Техническую часть конференции завершило сообщение об окончательной приемке и ремонте собранных плат (IPC-А-610 или IPC-7711/21), вслед за которым Евгений Козлов, заместитель начальника цеха НИЦЭВТ, показал важность правильного применения рентген-контроля. На современном производстве должны быть стандартизованы и все бизнес-процессы. Роль стандартов при организации производства, для процессов кооперации при производстве электроники, для налаживания прочных связей между разработчиками и производителями раскрыл Семен Лукачев, директор производства компании «Альтоника». www.elcomdesign.ru

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Оптимизация сборочного электронного производства. Современные средства автоматизации ручных операций пайки компонентов, монтируемых в отверстия печатной платы СТАНИСЛАВ ГАФТ, технический директор, ЗАО Предприятие Остек Максимальное использование компонентов, монтируемых на поверхность печатной платы — традиционный в настоящее время способ повышения технологичности проектируемых печатных узлов. Однако в некоторых случаях полностью отказаться от применения монтируемых в отверстия компонентов не представляется возможным. Характерным примером является монтаж разъёмов, когда по условиям применения необходимо обеспечить повышенные механические нагрузки на разъём в процессе эксплуатации. Кроме того, технологам необходимо снижать трудоёмкость изготовления изделий устаревших конструкций, включённых в план производства. Современным методам оптимизации технологического процесса сборки печатных узлов с компонентами, монтируемыми в отверстия печатной платы, посвящена настоящая публикация. Давно канули в Лету времена, когда разработчиков и конструкторов необходимо было уговаривать применять компоненты, монтируемые на поверхность печатной платы для повышения уровня технологичности проектируемых печатных узлов. Учитывая постоянное развитие электронной компонентной базы, применение монтируемых на поверхность компонентов стало весьма распространённым и предпочтительным для вновь разрабатываемых изделий. В то же время полностью отказаться от компонентов, монтируемых в отверстия печатной платы, на сегодняшний день не представляется возможным по следующим причинам: – условия эксплуатации изделий в расширенном диапазоне вибрационных и ударных нагрузок; – повышенные требования к механической прочности паяных соединений разъёмов и соединителей; – необходимость применения массивных компонентов, например таких как трансформаторы, дроссели и пр.; – ограничения, связанные с невозможностью использования компонентов, монтируемых на поверхность в высоковольтных (более 100 В) цепях. А так как предъявляемые к технологам требования по постоянному снижению трудоёмкости выпускаемых изделий никто не отменял, вся тяжесть решения указанной задачи полностью переносится в область технологическую. В процессе постоянно проводящихся в технологическом центре нашей компании проверок качества изготовления печатных узлов, в т.ч. смонтированных на предприятиях с давними традициями производства техники ответственного применения и высококвалифицированным персоналом, регулярно выявляются дефекты паяных соединений разъёмов (см. рис. 1). Наиболее вероятные причины возникновения дефектов подобного типа следующие: неудовлетворительная паяемость выводов разъёма, контактных площадок печатных плат и отклонение параметров технологического процесса (время и температура жала паяльника) при ручных операциях. При этом визуальный контроль качества монтажником в процессе выполнения пайки невозможен: со стороны монтажа паяные соединения закрыты корпусом разъёма.

При обеспечении контроля паяемости выводов разъёма и контактных площадок печатных плат на этапе входного контроля возникновение дефектов по этой причине можно исключить. А вот соблюдение параметров технологического процесса при ручных операциях лежит на совести электромонтажника. Как известно, наиболее эффективный способ преодоления пресловутого человеческого фактора лежит в максимальной автоматизации процесса. Установки пайки волной припоя 40 лет назад совершили настоящую революцию: было достигнуто 50-кратное увеличение производительности на операции пайки для массового производства. К сожалению, традиционные установки пайки волной припоя практически непригодны для современных электронных модулей на многослойных печатных платах с компонентами, расположенными с двух сторон с высокой плотностью. Рынок настоятельно потребовал новое решение, и лидеры-производители оборудования предложили его, разработав системы селективной пайки. Огромная популярность систем селективной пайки за последние 10 лет привела к тому, что в настоящий момент только ленивый производитель технологического оборудования не предлагает на рынке свои установки. Перед технологами в настоящий момент стоит непростая задача: для всех изделий, включённых в план производства, и пер-

Рис. 1. Наиболее вероятные причины возникновения дефектов паяных соединений разъёмов связаны с неудовлетворительной паяемостью выводов и трудностью обеспечения повторяемости параметров технологической операции ручной пайки

Электронные компоненты №10 2010

Рис. 2. Применение компонентов, монтируемых в отверстия печатной платы, с различными диаметрами и массой выводов создают, на первый взгляд, неразрешимую проблему повторяемости параметров технологического процесса пайки для каждого паяного соединения, необходимой для обеспечения высокого уровня качества и надёжности выпускаемой продукции. Для обеспечения высокого уровня автоматизации технологического процесса пайки печатных узлов со смешанным двухсторонним монтажом компонентов необходимы новые технологии и оборудование

Рис. 3. Традиционные ручные операции пайки не обеспечивают повторяемости параметров технологических режимов и, как следствие, не гарантируют высокого уровня качества и надёжности паяных соединений. Особенно это заметно при монтаже кросс-плат с большим количеством многовыводных разъёмов с массивными теплоёмкими выводами. Монтажные отверстия заполнены припоем не полностью, а контролировать их в процессе пайки со стороны монтажа компонентов невозможно — паяные соединения закрыты корпусами разъёмов

Рис. 4. Современные системы селективной пайки (слева) гарантируют высокое качество и надёжность паяных соединений за счёт точного селективного флюсования, равномерного предварительного нагрева, возможности программирования и поддержания параметров процесса пайки для каждого паяного соединения

спективных, находящихся в разработке, выбрать систему, которая будет удовлетворять требованиям по производительности, обеспечивая запланированный уровень качества и надёжности выпускаемой продукции. При решении задачи снижения трудоёмкости и себестоимости за счёт повышения уровня автоматизации технологам необходимо учитывать требования, диктуемые особенностями конструкции современных печатных узлов: – повышение количества сигнальных и экранных слоёв печатных плат; – увеличение толщины и массы печатных плат; – необходимость применения компонентов, монтируемых в отверстия печатной платы, с различными диаметрами и массой выводов (см. рис. 2), в т.ч. для обеспечения механической прочности печатных узлов, эксплуатируемых в условиях расширенного диапазона температур и вибрационных нагрузок; – необходимость обеспечения максимальной автоматизации, в в т.ч. для печатных узлов с плотным двухсторонним монтажом компонентов, монтируемых на поверхность и в отверстия печатной платы (см. рис. 2); – необходимость снижения затрат на проведение операции отмывки печатных узлов для экономии технологических материалов и снижения себестоимости выпускаемой продукции; – обеспечение возможности работы с традиционными, бессвинцовыми и/или смешанными технологиями пайки. В этих условиях отказ от традиционных установок пайки волной припоя в пользу систем селективной пайки стал не только правилом, но и традицией. Автор, находясь в служебных командировках, неоднократно видел выставленные за ненадобностью на задние дворы современных европейских сборочных предприятий почти новые установки пайки волной припоя, а в цехах — современные многофункциональные системы селективной пайки. Одно из наиболее эффективных применений систем селективной пайки — сборка кросс-плат с большим количеством многовыводных разъёмов. Элементарный расчёт показывает, что для пайки 20-ти 96-выводных разъёмов вручную опытному электромонтажнику потребуется, по крайней мере, (20∙96∙3/0,7)/60 = 137 мин. На самом деле, трудоёмкость будет существенно больше, т.к. при пайке массивных выводов разъёмов на многослойную печатную плату необходимо увеличивать время пайки каждого соединения и делать паузы, чтобы восстановилась заданная температура жала паяльника. При этом трудно добиться хорошей повторяемости и качества паяных соединений (см. рис. 3). Применение современных систем селективной пайки (см. рис. 4) позволяет повысить производительность на операции пайки многорядных разъёмов, монтируемых в отверстия печатной платы, в 3—10 раз, гарантируя при этом высокое качество и надёжность паяных соединений за счёт возможности обеспечения программирования и поддержания параметров процесса для каждого паяного соединения (см. рис. 5). В начале настоящей публикации мы уже говорили о требованиях, предъявляемых к процессу селективной пайки. Сейчас мы покажем, какими элементами конструкции обеспечивается их выполнение. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

Рис. 5. Патентованная конструкция сопла волнообразователя систем селективной пайки компании ERSA (слева) гарантирует равномерное смачивание припоем со всех сторон и обеспечивает программирование перемещения при пайке в любом направлении, позволяя оптимизировать его перемещения (справа) и минимизировать время обработки печатного узла

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Для обеспечения высокой производительности система селективной пайки должна иметь конструкцию сопла волнообразователя, гарантирующего равномерное смачивание припоем со всех сторон (см. рис. 5). Только в этом случае волнообразователь при пайке может двигаться в любом направлении, и появляется возможность оптими-

Рис. 6. Модульная конструкция современных систем селективной пайки серии VersaFlow 3/45 компании ERSA удовлетворяет требованиям самых взыскательных заказчиков

Рис. 7. Патентованная система предварительного нагрева снизу и сверху конвекционными модулями Multijet обеспечивает равномерный нагрев печатных узлов, не допуская перегрева термочувствительных компонентов. Рекомендуется для флюсов с низким содержание летучих органических соединений (VOC free)

Рис. 8. Применение гибридной технологии предварительного нагрева — комбинация инфракрасных и конвекционных нагревателей с патентованной технологией MultiJet — обеспечивает высокую повторяемость параметров технологического процесса и качество паяных соединений при работе, в т.ч. с печатными узлами на многослойных платах

бителей для различных областей применения. Установки с одним селективным флюсователем, одной зоной предварительного подогрева и одним волнообразователем наиболее часто заказываются производителями с мелкосерийным характером производства. Системы с тремя волнообразователями и тремя зонами предварительного подогрева наиболее популярны среди производителей массовой продукции: автомобильной и промышленной электроники, систем пожарной и охранной сигнализации. Обеспечение качественных паяных соединений при работе с многослойными печатными платами Современная система селективной пайки для обеспечения работы с печатными узлами на многослойных печатных платах должна обеспечивать их равномерный предварительный подогрев и дополнительный подогрев в процессе пайки. В противном случае велика вероятность ухудшения качества паяных соединений, т.к. при остывании платы невозможно обеспечить полное заполнение припоем монтажных отверстий (см. рис. 3). Разработчики компании ERSA предусмотрели предварительный нагрев перед каждой зоной пайки (см. рис. 6), используя эффективную патентованную конструкцию конвекционного нагревателя MultiJet (см. рис. 7). При работе с современными печатными узлами на многослойных платах для обеспечения качественных паяных соединений необходимо обеспечить быстрый и равномерный предварительный нагрев и подогрев в зоне пайки. В противном случае резко возрастает вероятность появления дефектов, связанных с неполным заполнением припоем монтажных отверстий (см. рис. 3). Для обеспечения высокого качества паяных соединений при работе с печатными узлами с массивными компонентами на многослойных платах эффективным является использование гибридной технологии предварительного нагрева: сочетание конвекционных и инфракрасных нагревателей (см. рис. 8). ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОНОМИИ МАТЕРИАЛОВ

Рис. 9. Устройство селективного флюсования фирмы ERSA (слева) обеспечивает точное нанесение флюса (справа) и минимальные расходы на отмывку печатного узла после пайки

зации его перемещений, а значит, и сокращение времени выполнения обработки печатного узла (см. рис. 6). Популярность систем селективной пайки заставила лидеров-производителей оборудования разработать встраиваемые в линию универсальные модульные системы (см. рис. 6), обеспечивающие специфические требования потре-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Для того чтобы было чище, нужно меньше пачкать. Для обеспечения экономии материалов и снижения трудоёмкости операции отмывки печатных узлов современная система селективной пайки должна иметь модуль селективного флюсования (см. рис. 9), позволяющий снизить загрязнение печатного узла в процессе пайки и резко снизить затраты на отмывку, необходимую для предотвращения коррозии и улучшения адгезии перед нанесением влагозащитных покрытий. ВЫСОКОЕ КАЧЕСТВО ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Для обеспечения высокого качества паяных соединений конструкция современной системы селективной пайки должна обеспечивать: – работу в азотной среде; – большой набор насадок (сопел) и простую их замену;

Рис. 10. Применение двух волнообразователей повышает производительность и снижает расходы, связанные с необходимостью частой замены припоя вследствие его загрязнения

Рис. 11. Применение современных систем селективной пайки, обеспечивающих программирование режимов для каждого паяного соединения, точное селективное нанесение флюса, равномерный эффективный подогрев предварительный и в зоне пайки, азотная среда гарантируют высокое качество и надёжность выпускаемой продукции

Рис. 12. Сниженные габариты новый системы селективной пайки ECOSELECT 2 компании ERSA (Германия) позволяют использовать её в т.ч. для оснащения участков производства опытных образцов и мелкосерийной продукции

– возможность программирования параметров технологического процесса для каждой точки пайки; – возможность работы по смешанной технологии без опасности загрязнения припоя волнообразователя. Следует учитывать, что при работе с компонентами, имеющими традиционные и бессвинцовые покрытия, возникает опасность загрязнения припоя, находящегося в ванне волнообразователя. Указанное обстоятельство послужило в своё время одной из главных причин отказа от традиционной технологии пайки волной припоя: необходимость замены припоя из-за его загрязнения каждые две недели — слишком дорогая процедура. Конструкция с двумя волнообразователями (см. рис. 10) позволяет решить задачу пайки печатных узлов с компонентами, имеющими традиционные и бессвинцовые покрытия: один снаряжается традиционным припоем, другой — бессвинцовым. – наличие второго волнообразователя позволяет также увеличить производительность при снаряжении их различными насадками для пайки компонентов с различным диаметром выводов. Указанные причины: возможность программирования параметров для каждого паяного соединения, азотная среда, точное селективное флюсование, качественный подогрев предварительный и в зоне пайки обеспечивают хорошую повторяемость процесса и гарантируют высокое качество и надёжность печатных узлов (см. рис. 11). Постоянно отслеживая требования рынка и идя навстречу требованиям своих потенциальных клиентов, безусловный лидер в данном сегменте — компания ERSA (Германия) выпустила новую модель VERSAFLOW ECOSELECT 2 (см. рис. 12) с длиной всего в 2300 мм, что позволяет применять её даже на небольших сборочных участках, обеспечивающих выпуск опытных образцов и мелкосерийной продукции. В завершение хотелось бы ещё раз отметить, что применение современных систем селективной пайки позволит: – снизить трудоёмкость за счёт уменьшения (а в ряде случаев и полного исключения) доли ручных операций и повышения уровня автоматизации технологического процесса; – снизить затраты на материалы за счёт использования селективного флюсования; – исключить (особенно в тех случаях, когда не требуется нанесение влагозащитных покрытий) операции отмывки; – снизить себестоимость изготовления изделий; – повысить объёмы производства без увеличения численности персонала; – повысить производительность труда на предприятии и увеличить прибыль.

15 НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ | НЕ ТОЛЬКО СЕНСОРНЫЙ ЭКРАН | Британская фирма Input Dynamics выпустила приложение, придающее любому портативному устройству сенсорные свойства. При этом чувствительной частью является не только дисплей, но и вся поверхность корпуса. Место и характер прикосновения определяется приложением TouchDevice с помощью микрофона. Пользователь может настроить команды по своему вкусу. Например, пролистывать меню можно с помощью сенсорного дисплея, а выбирать нужный пункт — постукивая по торцу корпуса. В настоящее время Input Dynamics занимается вопросом одновременной обработки нескольких акустических колебаний. Как сообщается, технологией TouchDevice уже заинтересовались крупные производители мобильных телефонов и КПК. Заметим, что в начале года была изобретена другая оригинальная система управления мобильными телефонами — Skinput. Она также основана на детектировании акустических волн, однако интерфейс реализован несколько иначе. На кожу пользователя проецируется маленький значок, при нажатии на который выполняется соответствующая функция или запускается приложение. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №10 2010

ПРЕОДОЛЕНИЕ ОГРАНИЧЕНИЙ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ПО БЕСПРОВОДНОМУ КАНАЛУ ВАЛЕНТИН САМСОНОВ, научный консультант, «ИД Электроника» В статье рассмотрены факторы, ограничивающие скорость передачи данных в радиочастотном канале: емкость канала, полоса частот и уровень шума. Описаны методы, применяемые для увеличения скорости передачи (в т.ч. в сетях 3G). Выделены их достоинства и недостатки.

С развитием беспроводных технологий все более остро проявляется проблема увеличения скорости передачи. Так, одна из главных задач мобильной связи 3G — обеспечение высокой скорости связи, на порядки превышающей возможности существующих технологий. Речь идет не столько о пиковых скоростях, сколько о повышении скорости обмена на всем радиусе охвата сети, в т.ч. на краю зоны покрытия.

коэффициент использования полосы частот, получаем окончательное выражение: .

(3)

Перепишем это выражение, чтобы получить минимальное количество энергии на бит информации, отнесенное к плотности шумовой мощности: .

(4)

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОГРАНИЧЕНИЯ

(1)

где C — емкость канала в бит/с; BW — полоса пропускания канала, Гц; S — полная мощность принятого сигнала; N — полная мощность аддитивного гауссова шума; S/N — отношение сигнал-шум. Из выражения (1) видно, что скорость передачи ограничивают два фундаментальных фактора: мощность принятого сигнала, или в более общем случае — отношение сигнал-шум, и полоса пропускания. Пусть обмен идет с постоянной скоростью R. Тогда мощность принятого сигнала S = Eb.R, где Eb — величина энергии на бит информации, а мощность шума может быть выражена как N = N0.BW, где N0 — постоянная спектральная плотность мощности шума, Вт/Гц. Учитывая, что скорость передачи информации не может превышать емкость канала и подставляя выражения для S и N в (1), получаем:

Зависимость (4) приведена на графике на рисунке 1. Видно, что при γ << 1, когда скорость передачи информации много меньше используемой полосы частот, отношение Eb/N 0 становится практически постоянным относительно γ. При заданном уровне плотности шума увеличить скорость передачи можно, увеличив мощность информационного сигнала S = Eb .R. При γ >> 1 отношение Eb/N 0 быстро растет с увеличением γ. В этом случае, если не изменять полосу частот, для сравнительно малого увеличения скорости передачи требуется значительное увеличение мощности сигнала. УРОВЕНЬ ШУМА В КАНАЛЕ

17 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Согласно формуле Шеннона, максимальная скорость передачи данных С (пропускная способность или емкость канала связи) вычисляется следующим образом:

Скорость передачи информации зависит от уровня шума в канале связи — чем сильнее шум, тем выше должна быть мощность полезного сигнала. Если по тем или иным причинам увеличить мощность передаваемого сигнала нельзя, то мощность принимаемого сигнала может быть увеличена за счет сокращения расстояния между приемником и передатчиком. Проходя меньшую дистанцию, сигнал затухает слабее. Таким образом, теоретически скорость передачи данных всегда может быть увеличена. Другой способ повысить мощность сигнала при заданной передаваемой мощности — использовать дополнительные приемные антенны. При сложении сигналов, принятых с разных антенн, отношение сигнал-шум может быть увеличено пропорционально количеству антенн. Соответственно, увеличится и скорость передачи данных. Однако следует иметь в виду, что этот способ работает только до некоторого предела, а именно, пока скорость передачи ограничена недостаточной мощностью сигнала, а не полосой частот. Эффективнее использовать несколько антенн на обоих концах канала (MIMO), и об этом будет

(2)

Обозначив отношение R/BW за γ —

Рис. 1. Зависимость отношения Eb/N0 в приемнике от коэффициента использования полосы

Электронные компоненты №10 2010

а)

б)

Рис. 2. Неоднозначность распространения сигнала (а) и частотный отклик (б)

сказано ниже. Третий способ предполагает не увеличение мощности информационного сигнала, а уменьшение уровня шума. Плотность мощности шума в приемнике можно уменьшить схемотехнически, однако это предполагает изменение схемы приемного тракта, что не всегда желательно. Зачастую источником помех в канале являются другие станции сети или соседние каналы связи. В основном, с интерференционными помехами борются, как и с шумом: увеличением отношения мощностей информационной и интерференционной составляющих, повышением эффективности использования канала (например, с помощью частотного уплотнения), использованием нескольких антенн либо уменьшением зоны покрытия. Последний способ позволяет уменьшить интерференционные помехи за счет уменьшения количества абонентов. Использование нескольких передающих антенн увеличит передаваемую мощность и сфокусирует сигнал в направлении приемника. Основное различие между интерференционными помехами и шумом в канале заключается в том, что внешние помехи, по крайней мере, отчасти детерминированы, поэтому их можно ослабить или полностью убрать, например, методом пространственной обработки с помощью нескольких приемных антенн или путем подавления соответствующих частот в спектре.

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

УВЕЛИЧЕНИЕ СКОРОСТИ В КАНАЛЕ С ОГРАНИЧЕННОЙ ПОЛОСОЙ ЧАСТОТ

Как мы уже упоминали, увеличение скорости передачи данных за счет повышения коэффициента γ неэффективно в смысле расхода мощности. Тем не менее в беспроводных сетях, в т.ч. 3G, эта методика широко применяется. Эффективность использования канала повышается за счет различных видов модуляции высокого порядка, когда в одном передаваемом символе содержится несколько бит информации. В первых версиях стандарта 3G использовалась квадратурная фазовая модуляция (QPSK), затем ее заменили на квадратурную амплитудную моду-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ляцию 16QAM и 64QAM, которая позволяет передать, соответственно, в два и три раза больше информации при той же полосе частот. В схемах QAM модулированный сигнал содержит две несущие, сдвинутые относительно друг друга на 90°. Информация содержится в амплитуде и фазе сигнала. Модуляция QPSK является частным случаем QAM, когда амплитуда сигнала остается постоянной. Поток исходных данных делится на символы по n бит каждый. Всего получается 2n состояний. Символы поступают в приемник и демодулируются, после чего результаты объединяются для восстановления исходного двоичного кода. С одной стороны, QAM повышает эффективность использования канала за счет одновременного изменения двух параметров сигнала. С другой, она более чувствительна к шуму, т.к. точки на фазовой диаграмме располагаются ближе друг к другу. Недостаток QAM заключается в том, что схема должна быть строго линейной, чтобы не допустить искажений амплитуды. Поскольку в базовых станциях требования к эффективности усилителей мощности мягче, модуляция QAM больше подходит при передаче данных от станции к абоненту. Нестойкость модулированного сигнала к шуму устраняют помехоустойчивым кодированием. Приведем пример. Если требуется эффективность использования канала, близкая к 2 битам информации на символ, модуляция QPSK позволит применить лишь ограниченное кодирование канала (скорость кодирования близка к 1). Модуляция 16QAM позволяет закодировать канал со скоростью ½. Аналогично, если эффективность должна составлять 4 бит на символ, то 64QAM оказывается более эффективной, чем 16QAM, учитывая возможность кодировать канал с меньшей скоростью. Таким образом, для данного отношения сигнал-шум существует оптимальная по использованию канала комбинация схемы модуляции и скорости кодирования. РАСШИРЕНИЕ ПОЛОСЫ

Высокой скорости передачи данных в ограниченной полосе можно достичь только тогда, когда отношение сигналшум достаточно велико. Учитывая, что быстродействие и качественное покрытие — главные цели технологий 3G, можно предположить, что поддержка широкополосной передачи — неотъемлемая часть технологии. С широкополосной передачей данных связано несколько проблем: нехватка доступного спектра, сложность оборудования и временная дисперсия в канале. Последняя приводит к искажению сигнала и возникает из-за того, что передаваемый сигнал распространяется к приемнику несколькими путями с разными задержками (см. рис. 2а). В частотной области временная дисперсия соответствует непостоянному частотному отклику (см. рис. 2б). Эта частотная селективность ухудшает частотные характеристики передаваемого сигнала и повышает вероятность возникновения ошибок. При движении приемника его частотный отклик меняется, т.к. изменяются пути распространения сигнала. Происходит смещение несущей из-за эффекта Доплера fD = v/c . fc, где v — скорость мобильного устройства; fc — несущая; c — скорость света. Выравнивание на приемном конце, которое применяется в относительно низкочастотных устройствах (до 5 МГц), для устройств стандарта 3G не подходит, поскольку существенно усложняется схема. Наиболее распространенные методы расширения полосы — разделение канала. Для беспроводных и радиовещательных сетей обычно применяется частотное (FDM) и кодовое (CDM) уплотнение, которые уже упоминались. ПЕРЕДАЧА НА НЕСКОЛЬКИХ НЕСУЩИХ

Один из способов увеличения полосы частот передаваемого сигнала без увеличения искажения из-за частотной селективности — использование нескольких несущих. Как видно из рисунка 3, этот способ передачи предполагает разбиение широкополосного сигнала на несколько узкополосных поднесущих, передаваемых по одному каналу одному приемнику. При передаче М параллельных сигналов скорость потока данных может быть увеличена в М раз. Однако из-за большей подверженности искажениям на практике выигрыш всегда оказывается скромнее. Данная методика применяется, например, в технологии WCDMA (широкополосный доступ с кодовым разделением каналов). WCDMA представляет собой систему множественного доступа с кодовым разделением каналов и прямым расширением

спектра (DS-CDMA). Скорость передачи модулированного сигнала равна 3,84 Мчип/с (чип — закодированная квазислучайная последовательность CDMA). Однако используемая полоса частот превышает 3,84 МГц и достигает 4,7 МГц (см. рис. 4). Присущая системам WCDMA большая ширина полосы на несущей обеспечивает не только высокие скорости передачи данных, но и определенные преимущества в работе, например в каналах с повышенной многолучевостью. Не нарушая полученной лицензии на работу системы, оператор может использовать несколько таких несущих с полосой 5 МГц для увеличения пропускной способности. Недостаток данного подхода заключается в неполном использовании канала (впадины в спектре на рисунке 3). Кроме того, в модулированном сигнале, как и в случае модуляции высокого порядка, появляются сильные всплески мгновенной мощности, которые снижают эффективность усилителей мощности на всем диапазоне.

Рис. 3. Схема передачи на одной и нескольких несущих

ЛИТЕРАТУРА 1. Erik Dahlman. Wireless data rates// www.embedded.com/210003604?pgno=1. 2. Е. Самкова. Увеличение ресурсов сети//Электронные компоненты, №6. 2009. 3. Е. Самкова. Виды модуляции сигналов//Приложение к журналу «Электронные компоненты». №5. 2009. 4. http://wcdma3g.ru. Рис. 4. Теоретический спектр сигнала WCDMA

СОБЫТИЯ РЫНКА

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

| МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ AGILENT TECHNOLOGIES | 20-го и 21-го сентября компания Agilent Technologies провела двухдневную пресс-конференцию в Стамбуле. На пресс-конференцию были приглашены 40 журналистов из Европы, в т.ч. 8 журналистов из России. На этом мероприятии была представлена новая продукция компании, новейшие технические достижения в области контрольно-измерительного оборудования. Журналисты получили практически неограниченные возможности лично пообщаться с руководством компании и задать ее представителям самые каверзные вопросы. Компанию Agilent Technologies на пресс-конференции представляли Нил Бенуа (Neel Benoit) — вице-президент и генеральный менеджер отдела EMEA (Европа, Ближний Восток и Африка); Гуи Бор-Чун (Gooi Bor Chun), старший менеджер департамента приборов общего назначения; Александр Джей (Alexander Jay), вице-президент и генеральный директор подразделения цифровой осциллографии, Эндри Додини (Andrea Dodini), менеджер по маркетингу, EMEA, Лари Десджарден (Larry Desjardin), генеральный директор отдела модульной продукции, другие сотрудники компании. Основными темами двухдневной пресс-конференции были следующие: «Новые возможности измерительной техники»; «Модульный принцип использования измерительной техники Agilent»; «Мощные РЧ- и СВЧ-приборы для будущих приложений»; «От измерительного прибора HP 200A к Agilent 33252A»; «Измерительные приборы для новых классов продуктов для мобильных вычислений и потребительской электроники»; «Новое поколение портативных тестеров Agilent»; «Технологическое лидерство в осциллографах»; «Применение Х-параметров в тестировании РЧ-систем»; «Основные направления в тестировании оборудования беспроводных сетей». Представители Agilent рассказали о новой продукции компании. Так, например, в начале сентября портфель ее предложений пополнился 46-ю новыми измерительными приборами PXI и AXIe. PSG-семейство генераторов сигнала РЧ- и СВЧ-диапазонов оснастилось новой функцией — Option UNY, которая устанавливает новый стандарт для генераторов сигнала по показателю фазового шума. Совсем недавно появился новый 67-ГГц векторный анализатор цепей серии PNA-X. Компания также объявила о дополнении возможностей нового набора тестов Agilent PXT Mobile Communications для пользовательского оборудования 3GPP LTE, а также о появлении нового поколения программного обеспечения для векторного анализа сигналов 89600. Конференция порадовала высоким профессионализмом сотрудников компании, возможностью подробно обсудить технические аспекты новой продукции Agilent, прекрасной организацией, благожелательной и дружеской атмосферой. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCOMDESIGN.RU

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ: СОСУЩЕСТВОВАНИЕ РАЗНЫХ РАДИОСИСТЕМ ГАЛИНА ГАЙКОВИЧ, член ISA, эксперт IEC, вед. специалист, ИППИ РАН ПИТЕР ФУР (PETER FUHR), член ISA, ст. член IEEE, гл. специалист, Wi-Fi Sensors

Данный цикл статей, посвященный применению беспроводных технологий в промышленности, представлен членами ISA и IEC. Во второй статье цикла выработан общий подход по решению проблем, связанных с сосуществованием радиосистем, расположенных и одновременно функционирующих на производственных площадях предприятия, даны общие рекомендации по частотному планированию, а также изложено текущее состояние дел по разработке проекта международного стандарта IEC 62657. Все перечисленные радиосистемы по их совокупности предполагается (по проекту стандарта ISA 100.15) в дальнейшем интегрировать в единую систему беспроводной транспортной среды Backhaul, которая будет представлена в основном такими скоростными беспроводными технологиями как Wi-Fi и Wi-MAX. Следовательно, на одних и тех же производственных площадях могут оказаться радиосистемы, которые решают разные прикладные задачи и функционируют: – в одном и том же частотном диапазоне; – c разной мощностью излучения радиоволн и их поляризации; – независимо друг от друга во времени, посылая сообщения в виде радиосигналов, которые распространяются в одной физической среде; – имея разный трафик и производительность сети; – с произвольным распределением радиоустройств в пространстве. В первой статье [2] в результате анализа беспроводных технологий с целью их применения в промышленности был сделан важный вывод, что на предприятии в основном будут использоваться разные радиосистемы, функционирующие в безлицензионном ISM- (2,4 ГГц) и UNII- (5 ГГц) диапазонах. Системы сотовой связи, в свою очередь, представлены лицензированными частотами GSMи CDMA-платформ. Совершенно очевидно, что каждая упомянутая радиосистема на выбор может быть подвергнута влиянию (интерференции) со стороны аналогич-

ных ей беспроводный сетей или систем другого назначения, но оказавшихся в одном пространстве и работающих в том же частотном диапазоне. Возникает вопрос: насколько реален сам факт возникновения такого взаимного влияния беспроводных систем в промышленной обстановке? Т.е. для начала следует разобраться, в каких случаях это возможно на практике, поскольку вероятность совмещения радиосистем, решающих разные прикладные задачи, на тех же производственных площадях в ограниченном пространстве хоть и мала, но все же существует. Это особенно касается полевого уровня АСУ ТП предприятия, который характеризуется высокой плотностью размещения разнообразного оборудования на единицу технологической производственной площади. КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИОСИСТЕМ ПРОМЫШЛЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ПО РАДИУСУ ДЕЙСТВИЯ

Внести ясность в такое положение дел поможет классификация всех радиосистем промышленного назначения по их радиусу действия (см. рис. 1), а именно: – беспроводные персональные сети, или Wireless Personal Networks (WPAN) с укороченным радиусом действия до 10 м. К ним можно отнести беспроводные сенсорные системы промышленной автоматики, системы RTLS [3] и ближнего видеонаблюдения (стандарт Bluetooth) — случай 1; – беспроводные локальные сети, или Wireless Local Area Networks (WLAN)

Электронные компоненты №10 2010

21 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

В начале статьи было бы уместно напомнить об общей стратегии в развитии международных стандартов для промышленных сетей с использованием беспроводных технологий. После встречи представителей секции SC65C/TC65C Международной электротехнической комиссии (МЭК) в Оттаве в 2008 г. (когда было принято решение о международной стандартизации беспроводных сетей для промышленной автоматики) и по сегодняшний день основным нерешенным вопросом остается вопрос об их сосуществовании [1]. В первой статье была построена шкала беспроводных технологий промышленного назначения, представленная стандартами ISO15963 (RFID), IEEE 802.15.4, IEEE802.15.1, IEEE802.15.3, IEEE802.15.4a, IEEE 802.11, IEEE802.16, а также стандартами мобильной сотовой связи (на платформе GSM и CDMA) с учетом их пропускной способности [2]. Более того, эта шкала наглядно отображает взаимосвязь между беспроводными технологиями и такими радиосистемами, решающими разные прикладные задачи промышленного назначения как: – системами RLTS-слежения — RFID[3]; – беспроводными сенсорными сетями со шлюзами ISA100.11a & WHart(IEC62591) & ZigBee [1]; – беспроводными видеосистемами и VoIPWLAN-сетями (технология Wi-Fi), а также системами сотовой связи «Мобильный оператор» (платформа GSM & CDMA) [4].

Рис. 1. Шкала беспроводных сетей промышленной автоматики

Рис. 2. Распределение радиоканалов стандарта 802.15.1 (Bluetooth) в диапазоне частот 2450 МГц

Рис. 3. Радиоканалы стандарта 802.15.4 в диапазоне частот 2450 МГц

стандарта IEEE802.15.1), ISA100.11a & WHart (IEC62591) & ZigBee на базе единого стандарта IEEE802.15.4, а также система ближнего видеонаблюдения Bluetooth. Их приемо-передатчики работают в одном 2,4-ГГц диапазоне (см. рис. 2—3) с выходной мощностью 0…10 мBт без учета усиления антенн. Согласно правилам FCC США и регламента ГКРЧ России, максимальная мощность изотропного излучения (EIRP) радиоустройств составляет 13,5 дБм с учетом усиления антенны; – WLAN в виде беспроводных шлюзов Wi-Fi (на базе стандарта IEEE802.11) для указанных беспроводных сенсорных сетей промышленного назначения или в виде систем видеонаблюдения за процессом АСУ ТП. Приемо-передатчики Wi-Fi также работают в одном частотном 2,4-ГГц диапазоне (см. рис. 4) с максимальной выходной мощностью до 100 мBт без учета усиления антенн, а максимальная мощность EIRP радиоустройств составляет около 36 дБм с учетом усиления антенны. Таким образом, чаще всего при проектировании промышленных сетей АСУ ТП на одних и тех же производственных площадях в ограниченном пространстве могут оказаться беспроводные технологии на базе стандартов IEEE802.15.4 и IEEE802.1b, оказывающие взаимное влияние друг на друга в виде интерференции. СОСУЩЕСТВОВАНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ СТАНДАРТА IEEE802.11/802.15.4 & 802.1

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

22 Рис. 4. Возможные перекрытия радиоканалов при их одновременном функционировании в диапазоне частот 2,4 ГГц стандарта 802.11 (Wi-Fi)

с большим радиусом действия до 100 м. Они могут быть представлены беспроводной системой Wi-Fi видеокамер наблюдения с удаленных участков АСУ ТП или Wi-Fi-системой VoIP WLAN — случай 2; – беспроводные сети регионального назначения, или Wireless Metropolitan Area Networks (WMAN) с удаленным радиусом действия от 100 м до нескольких десятков км. Представителем этого класса может быть единая беспроводная транспорт-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ная среда backhaul с точками доступа Wi-Fi для подключения разных шлюзов сенсорных сетей с совмещенными беспроводными технологиями (например, IEEE802.15.4 & 802.11), размещаемых в разных местах предприятия — случай 3. Следовательно, на одном полевом уровне АСУ ТП могут оказаться следующие беспроводные сети промышленного назначения: – WPAN в виде беспроводных сенсорных систем: Bluetooth (на основе

Еще с 2003 г. вопросами сосуществования радиосистем на базе стандартов 802.11 и 802.15.1/802.15.4 были серьезно озадачены рабочие группы, занимавшиеся проектами стандартов IEEE 802.15.2 и 802.19 RF Coexistence [5]. В результате было принято окончательное решение, согласно которому факт создания помех радиоустройствами сетей WPAN (стандарта 802.15хх), воздействующих на беспроводные сети WLAN стандарта 802.11, следует рассматривать как исключение из правила. Эти выводы сначала были сделаны на основании общего утверждения, что системы WPAN и WLAN относятся к сетям разного класса, разного радиуса действия, в т.ч. с разными энергетическими уровнями радиосигнала. Следовательно, если рассуждать теоретически, то WPAN и WLAN не могут «пересекаться», поскольку они разнесены друг относительно друга в открытом пространстве. Однако практика показывает, что в ограниченном пространстве (в рамках предприятия) совмещение таких радиосетей возможно. Так, в последнее время на одних производствен-

Рис. 5. Неперекрываемые каналы стандарта 802.11b/g и 802.15.4

а)

б)

Рис. 6. Производительность радиоканалов стандарта IEEE802.11 в зависимости от типа передаваемой информации (данных, голоса, видео) в разные промежутки времени (а, б)

влияния радиоканалов разных систем в виде соканальной интерференции. В результате это существенно отразится на побитовым показателе ошибки BER, который, в свою очередь, является основным показателем надежного функционирования радиоканала беспроводной сети. Аналогичные рассуждения верны и в отношении исследования взаимного влияния беспроводных сенсорных сетей промышленного назначения стандарта 802.15.4, представленного стандартами Whart & Bluetooth, или ISA 100.11a, за одним исключением, что для них, прежде всего, характерна низкая производительность. Пересылка данных от сенсоров и исполнительных механизмов может идти с периодом от нескольких секунд до нескольких часов. Пропускная способность такой радиосистемы может достигать 250 кбит/с, но даже если взять посекундный промежуток времени (с производственного цикла опроса менее 100 мс), производительность беспроводных сенсорных сетей окажется очень низкой в сравнении с трафиком видеонаблюдения с удаленных участков производственного процесса АСУ ТП (см. рис. 6). Следовательно, даже при случайном

выборе соседствующих радиоканалов разных сенсорных радиосистем, одновременно функционирующих на одних производственных площадях, вероятность их соканальной интерференции мала, а при использовании определенных методик (о которых пойдет речь ниже) может быть вообще сведена к нулю. В результате научных исследований групп, работавших в свое время над проектами стандартов IEEE802.15.2 и 19, были также сделаны важные выводы о том, что если радиосистемы стандартов 802.15.4 и 802.11 все же окажутся привязанными к одним производственным площадям, то их влияние будет носить ассиметричный характер. Это значит, что приемопередатчики стандарта IEEE802.15. 4 не смогут оказать существенного влияния на показатель BER соседствующих радиоустройств стандарта 802.11, но не наоборот. А вот радиосистемы видеонаблюдения стандарта 802.11 (WLAN) (с EIRP в 36 дБм) могут оказать серьезное влияние в виде ощутимой помехи на беспроводную сенсорную сеть стандарта 802.15.4 (с EIRP в 13,4 дБм и ниже). Процесс такого ассиметричного влияния многоплановый и заслу-

Электронные компоненты №10 2010

23 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ных площадях не только соседствуют радиосистемы, решающие разные прикладные задачи, но и внедряются совместные решения WPAN & WLAN стандартов IEEE802.11 & 802.15xx, выполненные в виде единого устройства - беспроводного шлюза, который, в свою очередь, можно использовать и для организации единой транспортной среды backhaul на предприятии или далеко за его пределами WMAN (случай 3). В Москве в 2008 г. был запущен первый «пилотный» проект по созданию единой беспроводной транспортной инфраструктуры на предприятии АУРАТ. Для решения проблем сосуществования радиосистем IEEE802.11 & 802.15.4, работающих в одном частотном диапазоне, пришлось перестраховаться, чтобы исключить интерференцию, и применить хорошо всем известный метод частотного планирования (см. рис. 5). Следует обратить внимание на то, что даже при назначении частот возможны также случаи соканального перекрытия соседствующих радиоканалов систем, не говоря уже об общем случае их совместного функционирования в одном частотном диапазоне. Более того, рисунок 5 не отражает разную степень загруженности беспроводных сетей, т.е. их производительность при пересылке неоднородной информации (например: данных, голоса или видео) может существенно меняться в течение разных промежутков времени. Так, на рисунке 6а наглядно видно, что в течение первых секунд по «неперекрываемым» радиоканалам 2, 7 и 12 (из 14-ти возможных), стандарта 802.11 передаются данные, а на рисунке 6б в течение следующих секунд к данным добавляется передача видеоизображений, существенно нагружая трафик каждой радиосети в отдельности. Таким образом, при грамотном назначении радиочастот никакой речи о взаимном влиянии сетей друг на друга быть не должно. Совершенно очевидно, что если будут выбраны соседние радиоканалы, например: 6, 7, 8 (см. рис. 6б) то с увеличением интенсивности будет возрастать и вероятность взаимного

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

живает глубокого научного исследования, которое выходит за рамки данной статьи. Читателям, которые заинтересованы в более подробном изучении данного предмета исследования, а также вопросов моделирования производительности радиосистем стандарта IEEE 802.15.4 в присутствии беспроводных сетей IEEE802.11, рекомендуется посетить раздел «Мультимедийные протоколы и средства коммуникаций» [6]. На практике же, в случае возникновения проблем, связанных с сосуществованием систем, которые работают в одном частотном диапазоне, в стандарте IEEE 802.15.4 в одностороннем порядке предусматривается реализация МАС-уровня двух основных механизмов: – проведение предварительной оценки (Clear Channel Assessment, CCA) радиоканала на наличие интерференции в физической среде; – множественный доступ к среде с определением возможности коллизий (Collision Sensing Multiple Access, CSMA) на момент занятости физической среды радиоканала. Указанный стандарт определяет три варианта использования механизмов CCA/CSMA: Вариант 1. Энергетический порог. С помощью механизма CCA определяется, занята ли физическая среда, т.е. обнаружен ли радиосигнал с энергией выше энергетического порога обнаружения. Вариант 2. Обнаружение несущей радиосигнала. С помощью механизма CCA обнаруживается, транслируется ли радиосигнал в физической среде с характеристиками, соответствующими стандарту IEEE 802.15.4. Энергия радиосигнала может быть выше или ниже допустимого энергетического порога Вариант 3. Обнаружение несущей радиосигнала выше допустимого энергетического порога. С помощью механизма CCA обнаруживается, транслируется ли радиосигнал в физической среде с характеристиками, соответствующими стандарту IEEE 802.15.4. Энергия сигнала должна быть выше допустимого энергетического порога. Какой бы вариант CCA ни использовался, все они информируют о занятости физической среды перед тем, как приемо-передатчик посылает сообщение в эфир. В зависимости от выбранного алгоритма действий можно: ожидать канал, когда тот освободится через некоторое произвольное время (pseudo random time), а затем опросить канал на предмет его занятости, (вариант 1) или перейти на другой радиоканал (варианты 2, 3).

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Из сказанного следует, что радиооборудование беспроводных систем, которое функционирует в ограниченном пространстве предприятия, должно каким-то образом сосуществовать друг с другом (случаи 1, 2), чтобы свести взаимные влияния к минимуму, а в некоторых ситуациях (случай 3) использовать следующие технические решения, позволяющие исключить такое взаимное влияние: – метод по обнаружению и уходу от чужого радиосигнала (Detect and Avoid, DAA), т.е. переход на другой частотный диапазон (в частном случае, механизм CCA для стандарта 802.15.4); – метод принудительного сосуществования (Collaborative Coexistence) на случай совмещения разных беспроводных технологий с использованием светофора PTA (Packet Traffic Arbitration). Механизм PTA в соответствии с IEEE802.15.2 позволяет централизовано анализировать трафик двух или более радиосистем и интегрально решать, кому дать зеленый свет на использование физической среды в определенный временной интервал. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСУЩЕСТВОВАНИЯ БЕСПРОВОДНЫХ СИСТЕМ И УПРАВЛЕНИЕ РЧ-СПЕКТРОМ НА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПЛОЩАДЯХ ПРЕДПРИЯТИЯ

В стандарте IEEE802.15.2, имеющем непосредственное отношение к решению проблем сосуществования WLAN (стандарт IEEE 802.11) и WPAN (IEEE 802.15.4 &802.15.1), дано следующее определение сосуществования: «Сосуществование — это способность одной беспроводной системы решать задачу в некотором ограниченном пространстве, где любые другие системы могут без ущерба решать аналогичные или иные задачи» (для более ясного понимания вопроса следовало бы добавить «в одном частотном диапазоне»). Таким образом, успешность сосуществования (т.е. отсутствие ущерба от взаимного влияния) нескольких систем определяется способностью каждой системы в окружении других систем, использующих одну и ту же физическую среду, доставить сообщение в требуемую точку пространства с определенной степенью надежности пересылаемой информации. Из сказанного следует, что степень ущерба от взаимного влияния нескольких систем определяется надежностью радиоканалов каждой системы в отдельности, по которым от передатчика к приемнику должна быть передана информация с определенной скоростью V, на опре-

деленном расстоянии r при фиксированном параметре BER (Bit Error Rate) [2]. Хорошо известно, что при оценке надежности радиоканалов беспроводных систем BER в сравнении с SNR (signal/ noise ratio) является косвенным показателем, поскольку представляет собой отношение побитовых ошибок к количеству переданных битов информации (пакет). Поскольку между BER и SNR существует определенная функциональная зависимость (чем выше S/N, тем меньше ошибок при приеме и лучше качество приема в присутствии шумов). Следовательно, можно записать: BER = F(S/N), где S/N, или SNR — соотношение энергий сигнал/шум в случае аналогового радиосигнала; BER = F(C/N), где C/N, или CNR — соотношение энергий несущей сигнала для цифрового радиосигнала. При исследовании вопросов сосуществования радиосистем BER следовало бы использовать как основной показатель качества приема радиосигналов, но не в присутствии шумов, а в присутствии интерференции, а именно: BER = F(S/I), где S/I, или SIR — соотношение энергий сигнал/интерференции в случае аналогового радиосигнала; BER = F(C/I), где C/I, или CIR — соотношение энергий несущей/интерференции для цифрового радиосигнала. Соотношение SIR или CIR может быть представлено в дБ, а именно: SIRdb = 10 lg(S/I) или CIR = 10 lg(C/I) = Cdb – Idb. Из последнего выражения видно, что чем больше разность энергий полезного сигнала и с ним интерферирующего чужого радиосигнала, тем надежнее радиоканал системы, одновременно функционирующей в окружении других радиосистем в одном частотном диапазоне (в случае интерференции на одной частоте или в случае соканальной интерференции). Следовало бы отметить, что отличие явления интерференции от шума

Рис. 7. Отсутствие взаимного влияния передатчиков разных радиосистем с шагом радиодоступа r1 и r2 — идеальное условие их успешного сосуществования

заключается в том, что интерференцией можно как-то управлять. Вот почему вопросам управления радиочастот ISM- и UNII-диапазонов рабочая группа МЭК секции Industrial Wireless в проекте международного стандарта IEC 62657 Wireless coexistence уделила особое внимание [6]. Проект международного стандарта IEC 62657 — отдельная тема для его обзора с точки зрения решения проблем сосуществования радиосистем промышленного назначения. Некоторые его положения, находящиеся на стадии обсуждения рабо-

Рис. 8. Зависимость скорости передачи информации от расстояния между радиопередатчиком и радиоприемником (при фиксированном показателе ошибки BER, стандарт 802.11g)

чей группы секции МЭК являются в настоящее время спорными и будут рассмотрены в последующих статьях этого цикла. Из сказанного можно сделать вывод о том, что для успешного сосуществования радиосистем необходимо или совсем исключить влияние интерференции, или свести его к минимуму, поскольку следствием этого явления

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рис. 9. Изменение SNR при подключении мобильного клиента к точкам доступа АР1 и АР2 двух независимых радиосистем

Рис. 10. Развертывание радиосистем на производственных площадях

WWW.ELCOMDESIGN.RU

становится искажение принимаемого сигнала. Таким образом, чем дальше разнесены соседствующие приемопередатчики разных беспроводных сетей, тем больше разность энергий полезного и чужого радиосигналов, тем лучше показатель BER и надежнее каждая радиосистема в отдельности. В идеальном случае для исключения взаимной интерференции такая задача может быть решена просто — необходимо лишь выполнить такое условие, чтобы соседние радиоустройства разных беспроводных систем были разнесены друг относительно друга на некоторое расстояние, но не менее R = 2r (см. рис. 7). Однако на практике могут возникнуть серьезные вопросы типа: «А как грамотно рассчитать это расстояние?» Так, в предыдущей статье была упомянута неточность определения приграничного уровня радиосигнала приемопередатчиков. Следовательно, могут возникнуть проблемы и c расчетом пограничной зоны ΔR. Ответ на данный вопрос поможет дать анализ рисунка 8, на котором показано, как скорость передачи информации уменьшается с увеличением расстояния R [7]. Так, с одной стороны, для обеспечения максимальной пропускной способности V по стандарту IEEE802.11 (в случае всенаправленной антенны и с выходной мощностью передатчика 100 мВт) расстояние R между передатчиком и приемником одной системы должно быть <2r, или <200 м. С другой стороны, с целью исключения взаимного влияния двух радиопередатчиков (АР1 и АР2) разных систем R = 2r + ΔR, т.е. с учетом пограничной зоны (см. рис. 9).

ΔSNR = SNR порога поиска – – SNR порога подключения. В случае успешного сосуществования разных радиосистем ΔR можно определить соответственно приведенному выше выражению, т.е. зная соотношения энергий радиосигналов S (или несущих C) передатчиков АР1и AP2, но по отношению к интерференции I, а именно: ΔSIR = SIR порога поиска – – SIR порога подключения, где порог поиска есть начало пограничной области, а порог подключения — ее конец, т.е. ΔR Таким образом, при проектировании некоторого множества беспроводных сетей на предприятии и назначении частот системам, работающим в одном частотном диапазоне или, в худшем случае, на одной частоте, необходимо

обеспечить их оптимальное сосуществование с обязательным соблюдением правил их размещения и с учетом указанных рекомендаций. Так, на рисунке 10 показано, что на производственных площадях предприятия общей площадью 1,1×2,5 км можно разместить до 250 радиосетей, каждая из которых состоит из одного беспроводного шлюза стандарта IEEE802.11 с радиусом действия r = 100 м и беспроводной сенсорной сети, охватывающей 10—250 сенсоров с радиусами действия 10–1 м. ВЫВОДЫ

Для решения проблем, связанных с сосуществованием множества беспроводных систем на предприятии, необходимо грамотно управлять назначением радиочастот, в связи с чем в проекте будущего международного стандарта IEC должен быть разработан комплексный подход по частотному планированию, начиная от решения задач организационного характера и кончая задачами технического плана. От их исполнения будет зависеть надежность каждой радиосистемы в отдельности, функционирующей в одном частотном диапазоне в окружении других систем разного прикладного назначения и сосредоточенных в одном ограниченном пространстве.

ЛИТЕРАТУРА 1. Г.Ф. Гайкович. Беспроводные технологии и их применение в промышленности: стандартизация в области промышленных сетей. Развитие беспроводных стандартов для АСУ ТП//Электронные компоненты. 2009. №1. С. 48. 2. Г.Ф. Гайкович, Петер Фур. Беспроводные технологии и их применение в промышленности: анализ распределения полос радиочастот для промышленного сектора в разных регионах мира, включая Россию// Электронные компоненты. 2010. №4. С. 48. 3. Peter Fuhr, Nacer Hedroug. Tracing wireless//InTech ISA. 2008. P. 52–56. 4. Г.Ф. Гайкович. Беспроводная связь в системах промышленной автоматики//Электронные компоненты. 2007, №10. 5. IEEE Std 802.15.2-2003, IEEE Recommended Practice for Information technology Telecommunications and Information Exchange between Systems Local and Metropolitan Area Networks Specific requirements — Part 15.2: Coexistence of Wireless Personal Area Networks with Other Wireless devices Operating in ISM Bands. 6. A Tool for Formal Modeling and Analysis of Systems Which Exhibit Random or Probabilistic Behavior//www.prismmodelchecker.org. 7. Peter Fuhr. Wi-Fi Network Throughput — A Reality Check//Wi-Fi. 2009. 8. IEC62657. Industrial networks: Wireless Coexistence.

27 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

На рисунке 9, где приведен пример организации двух беспроводных сетей с точками доступа АР1 & AP2 и мобильным оператором, видно, что связь в пограничной зоне между точками 1 и 2 отсутствует. ΔR можно вычислить, зная соотношения энергий радиосигналов S (или несущих C) передатчиков АР1и AP2 к шуму N, а именно:

Электронные компоненты №10 2010

СТАНДАРТЫ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ ДИАПАЗОНА ISM ДАНИИЛ ПЕТРОВ, технический консультант, ИД «Электроника»

Беспроводная связь становится все более востребованной в мире, и наиболее доступным и открытым диапазоном частот для любой системы радиосвязи является диапазон ISM, который не требует лицензирования. В статье рассмотрены факторы, влияющие на выбор рабочего диапазона частот, и классификация беспроводных устройств, работающих в диапазоне ISM. Кратко рассмотрены особенности и области применения наиболее распространенных стандартов беспроводной связи диапазона ISM (Bluetooth, Wi-Fi, 802.15.4 и ZigBee).

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Все более широкое проникновение маломощных беспроводных устройств, работающих в частотном диапазоне ISM (industrial, scientific and medical), в повседневную жизнь (системы безопасности, медицина, промышленность, сельское хозяйство и т.д.) обусловлено тремя основными факторами: – желанием отказа от фиксированной связи, которая используется для передачи данных на значительные расстояния; – выделением регулирующими органами различных стран частотных диапазонов ISM; – появлением различных беспроводных стандартов, которые обеспечивают функциональную совместимость в диапазоне ISM. В течение длительного времени системы с фиксированной связью обеспечивали надежную среду передачи и высокую скорость при большом сроке службы. Несмотря на многие достоинства, проводные решения вместе с тем имеют ряд ограничений, которые постепенно делают их менее привлекательным по сравнению с беспроводными технологиями. Среди этих ограничений можно назвать следующие. – География. В зависимости от географических особенностей территории часто возникают сложности при прокладке проводных соединений, особенно в сельской и горной местности;

– Экономичность. Стоимость проводной системы пропорциональна длине используемого провода, т.к. в некоторых случаях необходимо использовать повторители для компенсации падения уровня сигнала. Это означает, что при масштабировании проводной сети требуется более дорогое решение; – Комфорт. С точки зрения потребителей размещение провода в определенных местах крайне нежелательно и неудобно. Поэтому для потребителя проводная система рассматривается лишь как самая нежелательная альтернатива при построении системы связи. Эти три главных недостатка проводной передачи объясняют то, что беспроводные технологии постепенно набирают силу. ДИАПАЗОН ISM

Частотный диапазон ISM является той частью радиочастотного спектра общего назначения, которая может быть использована без лицензирования. Единственное требование для разрабатываемых продуктов в ISMдиапазоне — это соответствие нормам, которые устанавливаются регулирующими органами для данной части частотного спектра. Эти правила различаются в разных странах. В США нормы устанавливает Федеральная комиссия по связи (Federal Communication Commission, FCC), а в Европе —

Таблица 1. Классификация устройств ISM-диапазона по FCC и ETSI Классификация по ETSI (Европа) Управляющие устройства: период передачи должен быть не более 5 с; Узкополосные устройства: ширина полосы устройства не могут передавать с заданными интервалами времени одного канала не превышает 25 кГц Периодические устройства: период передачи должен быть не более 1 с; Среднеполосные устройства: ширина половремя молчания устройства должно быть в 30 раз больше времени пере- сы одного канала находится в диапазоне дачи или 10 с 25…250 кГц Широкополосные устройства: ширина полоУстройства общего назначения с перескоком частоты (frequency hopping) сы одного канала превышает 250 кГц Одночастотные устройства общего назначения Классификация по FCC (США)

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Европейский институт стандартов по телекоммуникациям (European Telecommunication Standards Institute, ETSI). В таблице 1 представлена классификация устройств, функционирующих в ISM-диапазоне, предложенная FCC и ETSI. Системы, спроектированные для работы в ISM-диапазоне, характеризуются малым энергопотреблением и низкой скоростью передачи данных. Однако в последнее время скорость передачи новых версий стандартов этого диапазона имеет тенденцию к увеличению. Наиболее часто используемыми частотными ISM-диапазонами являются 2,4-ГГц и субгигагерцовые частоты. Из-за довольно сильной перегрузки в 2,4-ГГц полосе частот в последнее время происходит освоение 5-ГГц диапазона. В то время как 2,4-ГГц является универсальной полосой частот, субгигагерцовые диапазоны, предназначенные для беспроводных приложений с малой потребляемой мощностью, в разных странах отличаются друг от друга. В США наиболее популярным диапазоном остается полоса частот 902…928 МГц, а в Европе наибольшая активность наблюдается в диапазоне 868 МГц. При разработке продуктов для ISM-диапазона важное значение имеет учет фундаментальных отличий между 2,4-ГГц и субгигагерцовыми диапазонами частот. 2,4-ГГц полосу частот рекомендуется использовать в случае, когда требуется обеспечить функциональную совместимость с другими системами, а также если основной целью является работа в разных географических областях. При проектировании устройств в 2,4-ГГц диапазоне возникают две главные проблемы. 1. В этой полосе частот функционируют различные беспроводные системы, такие как Bluetooth, Wi-Fi, 802.15.4, ZigBee, а также микроволновые печи.

СТАНДАРТЫ ISM-ДИАПАЗОНА

За последние несколько лет появилось несколько беспроводных стандартов, работающих в ISM-диапазоне. Эти стандарты вместе с патентованными решениями компаний обеспечивают широкие возможности для разработки разнообразных беспроводных продуктов. Стандарты ISM-диапазона отличаются скоростью передачи данных, дальностью связи, областью применения, а также используемым способом модуляции. На рисунке 1 представлены некоторые беспроводные стандарты ISM-диапазона в зависимости от дальности действия и скорости передачи. Среди беспроводных стандартов, приведенных на рисунке 1, Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee и IEEE 802.15.4 можно рассматривать как наиболее широко распространенные сегодня. Большинство этих стандартов работает в 2,4-ГГц диапазоне. Bluetooth

Эта технология базируется на стандарте IEEE 802.15.1. Bluetooth, который позволяет устройствам уста-

Рис. 1. Беспроводные стандарты ISM-диапазона

навливать связь в диапазоне частот 2,4…2,4835 ГГц. Bluetooth позволяет таким устройствам как мобильные телефоны, КПК, принтеры, лэптопы и наушники обмениваться данными, когда они находятся в радиусе до 10…100 м друг от друга (дальность в большой мере зависит от наличия преград и помех). Эта технология использует частотную модуляцию с гауссовой фильтрацией (Gaussian Frequency Shift Keying, GFSK) совместно с FHSS. В стандарте Bluetooth доступны три уровня выходной мощности. Устройства класса 1, 2 и 3 обеспечивают выходную мощность 20, 4 и 0 дБм, соответственно (см. табл. 2). Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду (всего выделяется 79 рабочих частот шириной в 1 МГц, а в Японии, Франции и Испании полоса ýже — 23 частотных канала). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приемнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар «приемник-передатчик», то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения.

При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 Кбит/с в обоих направлениях) используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации передаются повторно. Без помехоустойчивого кодирования это обеспечивает передачу данных со скоростями 723,2 Кбит/с или 433,9 Кбит/c в обоих направлениях. Протокол Bluetooth поддерживает не только соединение «точка-точка» (point-to-point), но и соединение «точка – множество точек» (point-to-multipoint). В 2009 г. группой Bluetooth SIG была представлена новая версия стандарта Bluetooth 4.0, в которой применена технология Bluetooth с низким энергопотреблением — Bluetooth Low Energy. Этот стандарт предназначен для обмена данными с меньшей потребляемой мощностью, чем в предшествующей версии. Данная технология прежде всего предназначена для миниатюрных датчиков (использующихся в спортивной обуви, тренажерах, миниатюрных сенсорах, размещаемых на теле пациентов и т.д.). Потребляя меньше энергии, технология Bluetooth Low Energy обеспечивает связь между небольшими устройствами (например, датчиками и мобильными устройствами) в пределах персональных сетей. Технология Bluetooth Low Energy имеет две одинаково важные реализации: однорежимную (single-mode) и двухрежимную (dual-mode). Миниатюрные устройства,

Таблица 2. Классы устройств стандарта Bluetooth Класс 1 2 3

Максимальная мощность, мВт 100 2,5 1

Максимальная мощность, дБм 20 4 0

Радиус действия (приблизительно), м 100 10 1

Электронные компоненты №10 2010

29 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Поэтому большую проблему представляет собой высокий уровень помех. Наличие интенсивных помех требует использования устройств с высокой избирательностью. Другим эффективным способом противодействия помехам является использование таких методов как расширение спектра сигнала путем скачкообразной перестройки частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) и расширение спектра с применением кода прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS). 2. Радиоизлучение на частоте 2,4 ГГц более легко поглощается в среде и окружающих объектах, что ограничивает этот диапазон. Эмпирическое правило состоит в том, что удвоение рабочей частоты вполовину уменьшает ширину полосы. Следует отметить, что такое ограничение частотного диапазона можно преодолеть с помощью внешнего усилителя мощности. Выбор субгигагерцового диапазона позволяет разрешить некоторые проблемы 2,4-ГГц диапазона. Однако этот диапазон имеет свои недостатки: – рабочий цикл в этой полосе частот ограничен; – невозможно обеспечить функциональную совместимость с другими системами; – ограничения, связанные с географическим положением стран применения этого диапазона. Так, например, беспроводной счетчик, спроектированный для американского диапазона частот 902…928 МГц, не будет работать в Европе.

такие как часы и спортивные датчики, на основе однорежимных модулей Bluetooth будут максимально использовать преимущества низкого энергопотребления и обеспечивать высокую степень интеграции и компактные размеры устройств. В двухрежимной реализации функциональные возможности Bluetooth Low Energy интегрируются в классический Bluetooth. Эта реализация улучшит существующие чипы новым стеком Bluetooth Low Energy, добавляя при этом новые возможности в классические устройства Bluetooth. Низкое энергопотребление в Bluetooth 4.0 достигается за счет использования специального алгоритма работы. Передатчик включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы от одной батарейки типа CR2032 в течение нескольких лет. Стандарт обеспечивает скорость передачи данных в 1 Мбит/с при размере пакета данных 8–27 байт. В новой версии два Bluetooth-устройства смогут устанавливать соединение менее чем за 5 мс и поддерживать его на расстоянии до 100 м. Надежность связи обеспечивает усовершенствованная коррекция ошибок, а высокий уровень безопасности — 128-битное AES-шифрование. Датчики температуры, давления, влажности, скорости передвижения и т.д. на базе этого стандарта могут передавать информацию на различные управляющие устройства: мобильные телефоны, КПК, ПК и т.д. Wi-Fi

На сегодня это наиболее известная технология беспроводной связи для компьютеров и интернета. Технология Wi-Fi объединяет большую часть компьютеров, КПК и других устройств, в том числе игровых и портативных аудиоустройств. Понятие Wi-Fi применимо к беспроводным устройствам, которые используют набор стандартов IEEE 802.11. За исключением 802.11n, стандарт Wi-Fi работает в полосе частот 2,4 ГГц (2,4…2,4835 ГГц) и использует технолоБЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

гии FHSS и DSSS. Одной из проблем технологии 802.11 является безопасность сети, т.к. в беспроводную локальную сеть можно проникнуть извне. Обычно схема Wi-Fi-сети содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента. Возможно также подключение двух клиентов в режиме «точка-точка», когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются с помощью сетевых адаптеров «напрямую». Точка доступа передает свой идентификатор сети (SSID) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит/с каждые 100 мс. Поэтому 0,1 Мбит/с — наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID приемник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала. Стандарт Wi-Fi дает клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения. В 2009 г. был принят стандарт IEEE 802.11n, который позволяет повысить скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g (максимальная скорость которых равна 54 Мбит/с), при условии использования в режиме 802.11n с другими устройствами 802.11n (см. табл. 3). Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с. Устройства стандарта 802.11n могут работать в одном из двух диапазонов — 2,4 или 5 ГГц. Это намного повышает гибкость их применения, позволяя отстраиваться от источников радиочастотных помех. Кроме того, устройства 802.11n могут работать в трех режимах: – наследуемом (legacy), в котором обеспечивается поддержка устройств 802.11b/g и 802.11a; – смешанном (mixed), в котором поддерживаются устройства 802.11b/g, 802.11a и 802.11n; – «чистом» режиме 802.11n (именно в этом режиме можно воспользоваться

Таблица 3. Сравнение скоростей передачи данных стандартов IEEE 802.11 Стандарт IEEE 802.11

Скорость работы, Мбит/с

802.11b 802.11g 802.11a 802.11n

11 54 54 более 200

Реальная скорость передачи данных, Мбит/с 5 25 25 100

Таблица 4. Сравнение стандартов IEEE 802.15.4 и Bluetooth Параметр Частота Скорость передачи Типовое значение тока потребления Размер сети Дальность действия

WWW.ELCOMDESIGN.RU

IEEE 802.15.4 2,4 ГГц/868 МГц/915 МГц 20…250 кбит/с 1 мкА До 65536 узлов 10…100 м

Bluetooth 2,4 ГГц 1000 кбит/с 5000 мкА До 8 узлов 10…100 м

преимуществами повышенной скорости и увеличенной дальности передачи данных, которые обеспечены стандартом 802.11n). Спецификация 802.11n предусматривает использование как стандартных каналов шириной 20 МГц, так и широкополосных — 40 МГц с более высокой пропускной способностью. Проект версии 2.0 рекомендует применять 40-МГц каналы только в диапазоне 5 ГГц, однако пользователи многих устройств такого типа получат возможность вручную переходить на них даже в диапазоне 2,4 ГГц. Ключевой компонент стандарта 802.11n — технология MIMO (Multiple Input, Multiple Output) — предусматривает применение пространственного мультиплексирования с целью одновременной передачи нескольких информационных потоков по одному каналу, а также многолучевое отражение, которое обеспечивает доставку каждого бита информации соответствующему получателю с небольшой вероятностью влияния помех и потерь данных. Именно возможность одновременной передачи и приема данных определяет высокую пропускную способность устройств 802.11n. IEEE 802.15.4

В отличие от Bluetooth и Wi-Fi/802.11 связь по стандарту IEEE 802.15.4 предназначена для приложений с малой скоростью передачи данных на частотах 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. Число каналов и скорость передачи, используемые в данном стандарте, различаются в зависимости от выбранного частотного диапазона: – 868,0…868,6 МГц: Европа, разрешается один канал связи; – 902…928 МГц: Северная Америка, тридцать доступных каналов; – 2400…2483,5 МГц: используется во всем мире, свыше шестнадцати каналов. Наиболее популярной частотой является 2,4 ГГц с максимальной скоростью передачи 250 кбит/с. Основными областями применения этого стандарта являются системы домашней автоматики, дистанционные измерения, игровые системы и сети беспроводных датчиков. Одним из главных направлений использования являются системы сбора данных и управления в реальном времени, где, как правило, не требуется слишком большая скорость. Одной из ключевых особенностей стандарта IEEE 802.15.4 является малое энергопотребление, что обеспечивает длительный срок службы батарей (10—20 лет). Обычно предельной дальностью работы является 10-м радиус связи со скоростью передачи 250 кбит/с. Сравнение стандартов IEEE 802.15.4 и Bluetooth приведено в таблице 4.

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

В ряду важнейших функций стандарта IEEE 802.15.4 — обеспечение работы в режиме реального времени посредством сохранения временных слотов, предотвращение одновременного доступа и комплексная поддержка защиты сетей. Устройства также включают функции управления расходом энергии, такие как проверка качества соединений и детектирование энергии. Первоначальная версия стандарта определяла два физических слоя, основанных на широкополосной модуляции с прямым расширением спектра DSSS, один из которых работает в полосе 868/915 МГц со скоростью передачи в 20 и 40 кбит/с, а другой в полосе 2,4 ГГц со скоростью 250 кбит/с. В 2009 г. были добавлены (спецификации 802.15.4c и 802.15.4d) доступные физические слои: в полосе 780 МГц используется квадратурная фазовая манипуляция (Quadrature Phase-Shift Keying, QPSK) или фазовая манипуляция более высоких порядков (M-PSK); в полосе 950 МГц — гауссовская частотная манипуляция (Gaussian FrequencyShift Keying, GFSK) или двоичная фазовая манипуляция (Binary Phase-Shift keying, BPSK). Стандарт определяет два типа узлов сети. Первый — полнофункциональное устройство (FFD). Оно может работать в качестве координатора персональных сетей, а также в качестве общего узла. Другой — устройства с облегченными функциями. Это чрезвычайно простые устройства, которые могут только поддерживать связь с полнофункциональными устройствами и никогда не действуют в качестве координаторов. Сети могут быть построены как по одноранговой (равноправной) топологии, так и по топологии типа «звезда». Однако в каждой сети должно быть, по меньшей мере, одно полнофункциональное устройство для работы в качестве координатора. Каждое устройство имеет уникальный 64-разрядный номер или при определенных условиях — укороченный 16-разрядный идентификатор. В пределах каждого домена персональной сети используют, как правило, краткие идентификаторы. ZigBee

Стандарт ZigBee построен на базе физического уровня стандарта IEEE 802.15.4. Диапазон 2,4 ГГц остается наиболее широко используемой полосой частот для ZigBee. Этот стандарт описывает беспроводные персональные вычислительные сети (WPAN). Стандарт ZigBee предназначен для приложений, которым требуется большее время автономной работы от батарей и большая безопасность, при меньших скоростях передачи данных.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Спецификация ZigBee предусматривает передачу информации в радиусе 10…75 м с максимальной скоростью 250 кбит/с. Для сравнения: широко распространенные в настоящее время беспроводные сети Bluetooth и Wi-Fi обеспечивают пропускную способность до 2,1 и 54 Мбит/с, соответственно. За стандартом ZigBee закреплены 27 каналов в трех частотных диапазонах — 2,4 ГГц (16 каналов), 915 МГц (10 каналов) и 868 МГц (1 канал). Максимальная скорость передачи данных для этих эфирных диапазонов составляет, соответственно, 250, 40 и 20 кбит/с. Доступ к каналу осуществляется по контролю несущей (Carrier Sense, Multiple Access, CSMA), т.е. устройство сначала проверяет, не занят ли эфир, и только после этого начинает передачу. Поддерживается шифрование по алгоритму AES с длиной ключа 128 бит. Изначально стандарт ZigBee разрабатывался с тем, чтобы максимально снизить энергопотребление устройств, задействованных в беспроводной сети. При этом большую часть времени аппаратура будет находиться в спящем режиме, лишь изредка прослушивая эфир. Среди прочих достоинств стандарта следует упомянуть хорошую масштабируемость, возможность самовосстановления в случае сбоев и простоту настройки. При применении 64-разрядной адресации в единую сеть могут быть объединены свыше 60 тысяч ZigBee-устройств. Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при относительно невысоком энергопотреблении поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети с ячеистой топологией с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Области применения данной технологии — построение беспроводных сетей датчиков, автоматизация жилых и строящихся помещений, создание индивидуального диагностического медицинского оборудования, системы промышленного мониторинга и управления, а также системы бытовой электроники и ПК. Спецификация ZigBee доступна для широкой публики при условиях некоммерческого использования. Существуют три различных типа устройств ZigBee: – координатор ZigBee (ZC) — наиболее ответственное устройство, формирует пути дерева сети и может связываться с другими сетями. В каждой сети есть один координатор ZigBee. Он запускает сеть и может хранить информацию о сети, включая секретные пароли;

– маршрутизатор ZigBee (ZR) может выступать в качестве промежуточного маршрутизатора, передавая данные от других устройств. Он также может запускать функцию приложения; – конечное устройство ZigBee (ZED) может обмениваться информацией с материнским узлом (или с координатором, или с маршрутизатором), он не может передавать данные с других устройств. Это позволяет узлу большую часть времени находиться в спящем состоянии и, следовательно, экономить ресурс батарей. ZED требует минимальное количество памяти, поэтому он дешевле в производстве, чем ZR или ZC. Кроме стандартов, представленных выше, беспроводная связь в диапазоне ISM применяется и в некоторых новых стандартах, которые находятся на ранней стадии разработки. Например, UWB (Ultra-Wide Band) — это технология для высокоскоростной связи на малые расстояния при очень низком энергопотреблении. Использование широкой полосы частот позволяет UWB достичь скорости до 480 Мбит/с, правда, на очень малых расстояниях — до 3 м. На дальности до 10 м технология позволяет достичь лишь 110 Мбит/с. Пропускная способность устройств стандарта UWB резко падает с увеличением расстояния — гораздо быстрее, чем у стандарта 802.11a/g, обеспечивающего пропускную способность до 54 Мбит/с на расстоянии до 100 м. Одним из перспективных направлений применения технологии UWB является беспроводная замена интерфейса USB. В результате происходящей сейчас революции беспроводной связи этот вид коммуникаций становится все более доступным. Беспроводная связь диапазона ISM используется во всех областях жизни, поэтому требуется тщательное и продуманное распределение частного спектра, выделенного для этого диапазона. Второй задачей, которой придается огромное значение, является необходимость создания новых методов борьбы с помехами, что обусловлено высокой степенью загруженности этого диапазона. ЛИТЕРАТУРА 1. Iboun Taimiya Sylla. The ISM Revolution: The Next Big Thing//www.eetimes.com. 2. Louis E. Frenzel. ISM-Band Innovations Make Wireless Design A Snap//www.electronicdesign.com. 3. N. Golmie. Interference in the 2.4 GHz ISM Band: Challenges and Solutions//National Institute of Standards and Technology. 4. Shone Tran. Clearing the confusion on battery life and range for 2.4-GHz low power RF//www.eetimes.com. 5. Iboun Taimiya Sylla. To ZigBee or Not to ZigBee? Factors to consider when selecting ZigBee Technology//www.eetimes.com.

АДРЕСАЦИЯ И ПРОФИЛИ ZIGBEE АЛЕКСЕЙ ПАВЛОВ, технический консультант, «ИД Электроника»

В статье описан принцип адресации ZigBee. Рассмотрены типы узлов и объектов, определенные стандартом, а также профили работы устройств.

АДРЕС СЕТИ

Типы адресов ZigBee и диапазон их значений приведены в таблице 1. Адрес сети, обозначаемый NwkAddr, представляет собой 16-разрядное число, уникально определяющее узел в сети. Координатор всегда имеет адрес 0x0000. На одном канале могут существовать два координатора с одинаковыми адресами, поскольку они имеют разные PAN ID. В стеке ZigBee (0x01) поле NwkAddr характеризует расположение узла

в сети. Например, устройство с NwkAddr = 0x0001 является первым подключившемся к сети ZR, а узел с адресом NwkAddr = 0x796F — это первое конечное устройство. В стеке ZigBee Pro (0x02) адрес присваивается произвольным образом.

кластеров, конечных точек, команд, атрибутов и профилей. Каждый пакет должен содержать PAN ID (поле MAC), NwkAddr (поле NWK), адрес конечной точки приемника и передатчика, ID профиля и кластера (поле APS). КОНЕЧНЫЕ ТОЧКИ

МАС-АДРЕС

MAC-адрес — это расширенный адрес, представляющий собой уникальный 64-разрядный номер, присвоенный устройству. Между адресом МАС и NwkAddr нет связи. При отключении устройства от сети и подсоединении его к другой МАС-адрес обязательно останется прежним, а NwkAddr может измениться. Приемники ZigBee не содержат MACадрес. Он назначается производителем и записывается во флэш-память МК, расположенного на плате. MAC-адрес может иногда использоваться вместо короткого адреса узла, например, если узел перемещается и меняет свой короткий адрес. Так, когда пульт дистанционного управления выходит из зоны охвата своего родителя, он ищет новое родительское устройство, чтобы быть доступным для узлов сети. МАСадрес записывается от младшего бита к старшему, поэтому во флэш-память устройства он заносится в обратном порядке. АДРЕСАЦИЯ ВНУТРИ УЗЛА

Мы рассмотрели параметры узла, необходимые для его определения в сети. Однако ZigBee обеспечивает также совместимость на уровне приложения за счет использования

Конечные точки позволяют относить один узел к различным профилям или объединять несколько ZigBeeустройств в узел. Каждый узел сети может содержать 1—240 конечных точек в соответствии с количеством выполняемых приложений. Номера конечных точек могут идти не по порядку. Например, выключатель может быть предназначен как для внутреннего, так и для внешнего освещения. Соответственно, он представляет собой две конечные точки. Такие устройства как термостат могут содержать несколько независимых устройств с точки зрения сети (датчик, интерфейс пользователя, нагревательный и охладительный элементы). КЛАСТЕРЫ

Кластеры определяются 16-разрядным идентификатором и являются объектами приложения. В то время как NwkAddr и конечные точки относятся к адресации, кластер определяет назначение приложения. Например, кластер включения и выключения On/Off выполняет действие перевода устройства из одного состояния в другое. При этом тип исполнительного устройства неважен.

Таблица. 1. Адреса ZigBee Название Канал Идентификатор PAN Адрес сети Конечная точка Кластер Команда Атрибут Расширенный PAN ID Группа Идентификатор профиля

Диапазон 11–26 0x0000–0x3fff 0x0000–0xfff7 1–240 0x0000–0xffff 0x00–0xff 0x0000–0xffff 0x0000000000000000–0xffffffffffffffff 0x0000–0xffff 0x0000–0xffff

Описание Физическая часть РЧ–спектра Адрес сети в канале Адрес узла в сети Адрес приложения в узле Объект внутри приложения Действие внутри кластера Единица данных внутри кластера Уникальный 64-разрядный идентификатор сети Выбранная часть узлов сети Профиль ZigBee

Электронные компоненты №10 2010

33 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ТИПЫ УЗЛОВ

В сети ZigBee определены три вида узлов: координатор (ZigBee Coordinator, ZC), маршрутизатор (ZR) и конечное устройство (ZED). Координатор ZigBee используется для формирования сети. Эту функцию может выполнять только он. Если сеть защищена, добавление новых узлов осуществляется с помощью координатора. Маршрутизаторы ZigBee нужны для расширения и разветвления сети. Как и координаторы, они осуществляют маршрутизацию пакетов и разрешают узлам подключаться к сети. Конечное устройство ZigBee — это устройство с питанием от батареи, которое переходит в спящий режим, когда сеть неактивна. Для ZED определено свойство RxOnIde. Когда оно ложно, ZED может длительное время находиться в спящем режиме. В сети нет ограничения на время сна, однако в некоторых профилях задан максимальный предел. Например, один час в профиле автоматизации дома. Когда RxOnIdle ложно, ZED периодически выходит из режима сна и проверяет, есть ли сообщения для него, после чего снова переходит в неактивное состояние. Когда RxOnIdle принимает значение «Истина», ZED мгновенно принимает сообщения. В обоих случаях устройство может в любой момент начать передачу. Свойство RxOnIdle используется, когда для работы приложения требуется большой объем ОЗУ или флэш-памяти. Узлом сети может быть любое устройство, например датчик света или температуры, выключатель, термостат, электронный замок.

Таблица. 2. Кластеры ZigBee Наименование

Рис. 1. Устройства ZigBee в профиле Home Automation

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Кластеры содержат команды и атрибуты. Текущее состояние устройства определяется приложением по атрибуту внутри кластера. Некоторые кластеры, определенные в ZigBee, приведены в таблице 2. Кластеры определены только внутри конкретного профиля. Например, в одном профиле кластер 0x0000 может выполнять отключение сети (Off ), а в другом — содержать основные установки (Basic). Кроме идентификатора кластеры имеют направление. В свойстве SimpleDescriptor конечной точки кластер обозначается как вход или выход. В стандартных профилях (Public profile) используется библиотека кластеров ZigBee (ZigBee Cluster Library, ZCL), содержащая команды и атрибуты. С помощью библиотеки легко получить или присвоить атрибут, используя общий набор команд. Команды представляют собой 8-разрядное число и могут быть внутрикластерными или межкластерными. Кластерные команды зависят от номера кластера и обычно начинаются с 0x00. Например, 0x00 — команда выключения в кластере OnOff и команда движения к заданному уровню в кластере LevelControl. В индивидуальных профилях использовать библиотеку кластеров необязательно. Это позволяет сократить программный код. Атрибуты являются 16-разрядными числами и описывают текущее состояние кластера.

Совокупность атрибутов всех кластеров, поддерживаемых устройством, определяет состояние устройства. ПРОФИЛИ

Все запросы данных посылаются в профиль приложения. Для этого используются идентификаторы профиля — 16-разрядные числа в диапазоне 0x0000–0x7ff f для стандартных профилей и 0xbf00–0xff ff — для профилей, определенных производителем. Профиль относится к приложению или устройству. Стандартные профили определяются альянсом ZigBee, индивидуальные — производителем. Home Automation (автоматизация дома) — стандартный профиль для объединения в сеть бытовых устройств, в т.ч. осветительных приборов, выключателей, розеток, пультов управления, кондиционеров, термостатов, нагревателей (см. рис. 1). Другой пример — стандартный профиль Commercial Building Automation, который определяет такие устройства ZigBee как сложные осветительные приборы и многопозиционные выключатели, системы отпирания дверей без использования ключа и системы безопасности. В одной сети может существовать несколько стандартных и индивидуальных профилей. В ZigBee Alliance постоянно идет работа над расширением набора стандартных профилей, чтобы удовлетворить все потребности клиен-

Таблица. 3. Стандартные профили ZigBee ID профиля 0101 0104 0105 0107 0108 0109

Название профиля Industrial Plant Monitoring (IPM, мониторинг предприятия) Home Automation (HA, автоматизация жилых помещений) Commercial Building Automation (CBA, автоматизация коммерческих помещений) Telecom Applications (TA, телекоммуникация) Personal Home & Hospital Care (PHHC, амбулаторное или стационарное лечение) Advanced Metering Initiative (AMI, дополнительные измерения)

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Basic (основной)

0x0000

Power Configuration (регулировка мощности)

0x0001

Temperature Configuration (настройка температуры)

0x0002

Identify (кластер распознавания)

0x0003

Groups (кластер группы)

0x0004

Scenes (кластер сцен)

0x0005

On/Off (включение/выключение)

0x0006

On/Off Configuration (настройка включения и выключения)

0x0007

Level Control (управление уровнем)

0x0008

Time (время)

0x000a

Location (местоположение)

0x000b

тов. Именно производители определяют, каких профилей не хватает в первую очередь. Краткий список стандартных профилей приведен в таблице 3. Профили позволяют соединять устройства различных производителей без дополнительной настройки. Индивидуальные профили, также называемые профилями производителей (Manufacturer Specific Profiles, MSP), не закреплены альянсом ZigBee. Они создаются для таких приложений, которые рассчитаны на взаимодействие с устройствами только одного производителя. Профили, определенные производителем, позволяют задавать любой набор кластеров, конечных точек и устройств. Стандарт не накладывает каких бы то ни было ограничений на тип передаваемых данных при условии, что скорость передачи находится в допустимом диапазоне и приложение не перегружает канал. ZigBee Alliance по запросу производителя — члена организации — присваивает идентификатор предложенному им профилю. Чтобы задать кластеры в индивидуальном профиле, необходимо сначала составить карту всех устройств сети и определить, какого типа информацию они должны обрабатывать. В этом случае структура будет наиболее прозрачна и легка в управлении. ИДЕНТИФИКАТОРЫ УСТРОЙСТВ

Каждая конечная точка содержит идентификатор профиля и идентификатор устройства. Как мы уже говорили, одно физическое устройство может представлять собой несколько устройств ZigBee. Идентификаторы устройств ZigBee принимают значения от 0x0000 до 0xff ff (см. табл. 4). Идентификаторы устройств имеют двойное назначение. Они позволяют

отображать на дисплее пользователя иконки, соответствующие типу устройства, и в то же время помогают сделать инструменты ZigBee более совершенными. Рассмотрим двухпозиционный переключатель и штепсельную розетку. В плане удаленного мониторинга и управления эти устройства идентичны. Они принадлежат одному кластеру — 0x0006 (OnOff ). Однако, с точки зрения пользователя, розетка относится к инструменту для ввода в эксплуатацию электронных устройств, а переключатель позволяет включить или выключить свет. Сеть ZigBee не устанавливает интерфейса между человеком и устройствами. Выключателем может быть кнопка, тумблер, пластина датчика электрического поля, датчик ускорения и т.д. Во всех стандартных профилях ZigBee содержится список устройств. Производители могут расширить его, используя поле Manufacturer Specific Extension, которое является частью интерфейса библиотеки кластеров ZigBee. Они также могут создать устройство в индивидуальном профиле (MSP), тогда оно будет взаимодействовать с устройствами из стандартного профиля через идентификаторы устройств и кластеры.

Таблица. 4. Идентификаторы устройств для профиля Home Automation Устройство Идентификатор Устройство Идентификатор Расширитель диапазона 0x0008 Датчик света 0x0106 Розетка электросети 0x0009 Затенитель 0x0200 Выключатель света 0x0100 Контроллер затенителя 0x0201 Лампа с регулируемой яркостью 0x0101 Нагревательно-охладительный элемент 0x0300 Выключатель света 0x0103 Термостат 0x0301 Регулятор яркости 0x0104 Датчик температуры 0x0302 SIMPLE DESCRIPTOR

Свойство Simple descriptor позволяет соединить все устройства в одну конечную точку. По сути, это полное описание конечной точки. Simple descriptor содержит поля, о которых мы уже говорили: ID конечной точки, ID профиля, ID кластера и ID устройства. Заметим, что в нем нет списка доступных в данном кластере команд или атрибутов. Предполагается, что возможности кластера прописаны в устройстве. В коде программы описание конечной точки имеет следующий вид: typedef struct zbSimpleDescriptor_tag { zbEndPoint_t endPoint; zbProfileId_t aAppProfId; zbDeviceId_t aAppDeviceId; uint8_t appDevVerAndFlag; zbCounter_t appNumInClusters; uint8_t *pAppInClusterList; zbCounter_t appNumOutClusters;

uint8_t *pAppOutClusterList; } zbSimpleDescriptor_t; Описание любой конечной точки можно запросить с помощью команды Simple_Desc_req. Одни кластеры обязательны, другие — опциональны. По свойству Simple descriptor любой узел сети может определить, поддержка каких кластеров необязательна. В списке присутствуют как входные, так и входные кластеры. Это позволяет ZigBee согласовывать устройства. Например, если на одной стороне выходной кластер (регулятор яркости), а на другой — такой же кластер, но входной (источник света с регулируемой яркостью), то устройства связываются. ЛИТЕРАТУРА 1. Gislason D. ZigBee applications//www. eetimes.com. 2. Kinney P. ZigBee Technology: Wireless Control that Simply Works//www.zigbee.org.

НОВОСТИ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №10 2010

35 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

| ПЛАН БУДУЩЕГО РАЗВИТИЯ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ | В последнем выпуске дорожной карты для полупроводниковой промышленности (International Technical Roadmap for Semiconductors, ITRS) представлены планы дальнейшего развития технологий. Инициаторами этого документа стали ассоциации European Semiconductor Industry Association (ESIA), Japan Electronics and Information Technology Industries Association (JEITA), Korea Semiconductor Industry Association (KSIA), Taiwan Semiconductor Industry Association (TSIA) и Semiconductor Industry Association (SIA). В части силовой электроники этот стратегический план развития касается вопросов рабочего напряжения и мощности проектируемых систем. В течение четырех десятилетий продукция полупроводниковой индустрии совершенствовалась с большой скоростью. Так, количество компонентов на кристалле увеличивалось примерно в два раза каждые два года, значительно повышались экономическая эффективность и качество устройств, используемых в компьютерах, оборудовании связи, промышленной технике и потребительской электронике. Тенденции максимального уменьшения потребления (например, микропроцессоров) можно отнести к следующим трем категориям: 1) приложения для ПК с высоким быстродействием, в которых допускается установка теплоотвода на корпусе; 2) решения по управлению питанием, где требуется установить заданное соотношение стоимости и производительности; 3) портативные системы с батарейным питанием. Общее энергопотребление системы будет изменяться относительно невысокими темпами, несмотря на уменьшение напряжения питания. Потребляемая мощность увеличивается с ростом рабочей частоты кристалла, суммарной емкости и сопротивления межсоединений, а также при увеличении токов утечки затвора. Уменьшение напряжения питания определяется несколькими факторами — уменьшением рассеяния мощности, снижением длины транзисторного канала и повышением надежности работы затворного диэлектрика. Выбор напряжения питания для каждого нового поколения изделий является частью решения задачи проектирования с целью оптимизации быстродействия и потребляемой мощности ИС. В следующем году напряжение питания для микросхем с высоким быстродействием составит 0,93 В, а для микросхем с малой потребляемой мощностью — 0,85 В. Предполагается, что к 2024 г. напряжение питания уменьшится до 0,6 В. Планируется также, что допустимая максимальная мощность микропроцессора уменьшится с сегодняшних 146 до 130 Вт к 2021 г.

ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ LTE ФРЭНК РАЙАЛ (FRANK RAYAL), инженер, Telesystem Innovations

В статье описаны основные особенности и параметры физического уровня LTE в частотной области. Рассмотрены технологии сетей LTE.

К физическому уровню LTE предъявляются самые высокие требования: скорость передачи 100 Мбит/с в нисходящем канале и 50 Мбит/с в восходящем, эффективное использование спектра, несколько частотных каналов на полосе 1,25…20 МГц. Для выполнения этих требований была выбрана технология мультиплексирования с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM). Кроме того, в сетях LTE используется «принцип много входов — много выходов» (MIMO), который позволяет увеличить емкость канала (пространственное мультиплексирование) и повысить надежность сигнала. Вместе эти две технологии отличают LTE от сетей 3G, основанных на множественном доступе с кодовым разделением (CDMA). Поскольку все аспекты физического уровня LTE охватить в одной статье нельзя, мы будем рассматривать принцип работы в частотной области (FDD). МЕТОДЫ МНОЖЕСТВЕННОГО ДОСТУПА

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

В нисходящем канале применяется принцип мультиплексирования с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM). Он заключается в том, что весь доступный частотный диапазон делится на несколько тысяч поднесущих, по которым данные передаются параллельно. Ортогональность частот обеспечивает отсутствие межсимвольной интерференции. За счет разделения канала на узкие полосы передаваемый сигнал затухает плавно, что позволяет отказаться от использования сложных частотных корректоров. Системы связи, основанные на OFDM, должны быть строго линейными, чтобы не нарушалась ортогональность передаваемых сигналов. Каждому передатчику выделяются определенные полосы спектра так, чтобы снизить уровень шумов и избежать возникновения интерференционных помех. Исходный поток последовательных данных преобразуется в параллельный, причем скорость передачи в каждом канале уменьшается пропорционально количеству каналов.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

В итоге скорость передачи всего потока не меняется, однако увеличивается время передачи каждого бита, за счет чего уменьшается вероятность появления ошибки и искажений. Информационные символы модулируются и комбинируются в передатчике блоком обратного быстрого преобразования Фурье (БПФ). В приемнике производится восстановление потока данных (прямое БПФ). Обычно в канале присутствует временная дисперсия — части передаваемого сигнала принимаются с различными задержками из-за многолучевости распространения и отражений. В итоге ортогональность частично теряется, появляется интерференция как между битами внутри символа, так и между символами. Для предотвращения перекрытия в начало OFDM-символа вставляется циклический префикс Tg, содержащий конечные биты предыдущего символа. При этом общая длина символа равна Ts = Tu + Tg, где Tu — «полезная» длина OFDM-символа. Достоинства технологии OFDM: 1. Нечувствительность к многолучевости распространения сигнала и слабая интерференция в канале. 2. Отсутствие интерференции между ячейками сети. 3. Гибкое использование частотного спектра. 4. Эффективное использования спектра за счет ортогональности поднесущих. 5. Оптимальная скорость передачи данных для всех абонентов ячейки (для передачи выбирается наиболее подходящая поднесущая со слабым замиранием). Несмотря на бесспорные достоинства OFDM-технологии, у нее имеется ряд недостатков. Во-первых, большая чувствительность к нестабильности частоты, которая может возникнуть из-за неидеальности схемы или эффекта Доплера, если устройство подвижно. Во-вторых, высокое отношение пиковой мощности к средней, обусловленное непоследовательным добавлением поднесущих, которое расширяет спектр сигнала и, соответственно, вызывает интерференцию в канале.

Эта проблема решается применением УМ с высокой точкой компрессии и методов линеаризации АЧХ-усилителя. Однако эти меры применимы только на базовых станциях, поскольку для абонентского оборудования они неоправданно дороги. В восходящем канале используется множественный доступ с частотным разделением на базе одной несущей (Single Carrier Frequency Division Multiple Access, SC-FDMA) с циклическим префиксом, чтобы снизить отношение пиковой мощности к средней. Низкие значения PARP, кроме того, улучшают покрытие и производительность ячейки. Технология SC-OFDMA реализуется в LTE с помощью дискретного преобразования Фурье (DFTS-OFDM — Discrete Fourier Transform Spread OFDM), которое часто называют обобщением SC-FDMA в частотной области. Дискретное преобразование Фурье используется для мультиплексирования восходящих передач в отдельные частотные блоки, на которые разбивается полоса пропускания. Занимаемая одной несущей полоса определяется на основе требуемой скорости передачи. Данные остаются последовательными и не распараллеливаются, как это происходит в нисходящем канале (см. рис. 1). В итоге параметры соединения становятся одинаковыми в обоих направлениях. Однако в восходящем канале наблюдается довольно сильная межсимвольная интерференция, которая легко корректируется эквалайзером. Сигнал SC-FDMA лишен недостатков OFDM. ПАРАМЕТРЫ ФИЗИЧЕСКОГО УРОВНЯ

Во временной области все промежутки времени выражаются через базовый интервал Ts = 1/30720000. Длительность пакета равна 10 мс (Tframe = 307200 Ts). Каждый пакет разделен на 10 одинаковых субкадров длительностью 1 мс (Tsubframe = 30720 Ts). В свою очередь, субкадр состоит из двух слотов по 0,5 мс (Tslot = 15360 Ts), содержащих 7 или 6 символов OFDM в зависимости от типа циклического префикса (нормальный или расширенный).

Рис. 1. Технологии OFDMA и SC-FDMA

Рис. 2. Структура радиокадра типа 1

Рис. 3. Ресурсная сетка (нормальный префикс) БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Таблица 1. Параметры нисходящего физического уровня LTE Ширина канала, МГц 1,25 2,5 5 10 15 20 Длительность кадра, мс 10 Длительность субкадра, мс 1 Расстояние между поднесущими, кГц 15 Частота выборки, МГц 1,92 3,84 7,68 15,36 23,04 30,72 Размер БПФ 128 256 512 1024 1536 2048 Количество поднесущих (в т. ч. постоянный сигнал) 76 151 301 601 901 1201 Защитные поднесущие 52 105 211 423 635 847 Количество ресурсных блоков 6 12 25 50 75 100 Ширина канала, МГц 1,140 2,265 4,515 9,015 13,515 18,015 Эффективность использования полосы, % 77,1 90 OFDM символы/субкадр 7/6 (короткий/длинный префикс) Длина короткого префикса, мкс 5,2 (первый символ)/4,69 (остальные шесть) Длина длинного префикса, мкс 16,67

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Стандарт LTE предусматривает два типа радиокадров — для частотного (FDD) и временного дуплексирования (TDD). В частотной области определено два типа кадров, один из которых представлен на рисунке 2. Полезная длительность OFDMсимвола равна Tu = 2048 Ts ≈ 66,7 мкс. В нормальном режиме первый символ имеет циклический префикс имеется длительность TCP = 160 Ts ≈ 5,2 мкс, оставшиеся шесть — длительность TCP = 144 Ts ≈ 4,7 мкс. В расширенном режиме циклический префикс TCP-e = = 512 Ts ≈ 16,7 мкс. Циклический префикс длиннее, чем типичная задержка распространения в канале. Нормальный циклический префикс используется в городских ячейках и приложениях с высокой скоростью передачи данных. Он уменьшает емкость канала на 7,5%. Расширенный префикс предназначен для специальных случаев, таких как широковещательная передача на много ячеек или для больших ячеек, например, в сельскохозяйственных районах. Один из способов уменьшить относительную перегрузку, создаваемую префиксами, — это уменьшить расстояние между поднесущими f, увеличив длительность символа Tu. Однако при этом повысится чувствительность OFDMсигнала к нестабильности частоты. Количество поднесущих N лежит в диапазоне 128—2048 в зависимости от ширины канала. На практике чаще всего используется 512 или 1024 поднесущих для 5 и 10 МГц, соответственно. Расстояние между поднесущими Δf = 1/Tu = 15 кГц. Частота выборки fs = Δf∙N = 15000N. Базовый интервал соответствует частоте 30,72 МГц, кратной стандартной в WCDMA-системах частоте обработки 3,84 МГц. Это сделано намеренно с целью создания устройств, работающих в стандартах 3G и LTE с общим тактированием. В таблице 1 приводятся основные параметры физического уровня для LTE в режиме FDD. Всем абонентским устройствам в каждом слоте назначается диапазон канальных ресурсов — ресурсная сетка. Ячейка ресурсной сетки, ресурсный элемент (РЭ) соответствует одной поднесущей в частотной области и одному OFDM-символу во временной. Ресурсные элементы образуют ресурсный блок — минимальную информационную единицу в канале. Ресурсный блок занимает 12 поднесущих (180 кГц) и 7 или 6 OFDM-символов в зависимости от типа циклического префикса (см. рис. 3). Передача в восходящем направлении аналогична передаче в нисходящем. Самой маленькой единицей ресурсной сетки является РЭ, состоящий из одно-

го SC-FDMA блока данных. Ресурсный блок содержит 12 РЭ. В режиме FDD абонентскому устройству назначается несколько последовательных РБ в восходящем канале. В нисходящем канале применяется непоследовательное назначение. Во временной области восходящий пакет длительностью 10 мс делится на 10 субкадров по 1 мс каждый и на 20 слотов. Слот состоит из 7 или 6 SC-FDMA-символов в случае нормального и расширенного префикса, соответственно. Длительности циклических префиксов в восходящем канале такие же, как и в нисходящем. Рис. 4. Расположение опорных символов ОПОРНЫЕ СИГНАЛЫ ПРИ НИСХОДЯЩЕЙ ПЕРЕДАЧЕ

В отличие от пакетных сетей, в LTE нет физической преамбулы, которая необходима для синхронизации и оценки смещения несущей. Вместо этого в каждый РБ добавляются опорные и синхронизирующие сигналы. Опорный сигнал служит для непосредственного определения условий в канале передачи. При нисходящей передаче опорные символы вставляются в первый и третий с конца OFDM-символ в каждом слоте на частотах, расположенных на расстоянии 6 поднесущих (что соответствует 5-му и 4-му OFDM-символам в случае нормального и расширенного префикса), как показано на рисунке 4. На каждый РБ приходится по 4 опорных символа.

В восходящем канале определено два типа опорных сигналов: демодулированные (Demodulation Reference Signals, DM-RS) и зондовые (Sounding Reference Signal, SRS). Де модулированные опорные сигналы аналогичны опорным сигналам нисходящего канала. В общем информационном канале последовательность демодулированного опорного сигнала передается в четвертом или третьем SC-FDMAсимволе каждого слота в зависимости от типа циклического префикса. Зондовые сигналы служат для оценки качества канала. SRS представляет собой опорный сигнал с более широкой полосой, обычно передающийся в последнем SC-FDMA символе субкадра, как показано на рисунке 5. В этом блоке не передаются данные пользователя, поэтому емкость восходящего канала на 7% меньше. Сигнал SRS необязателен. СИНХРОНИЗУЮЩИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

Абонентское устройство при подключении к сети проходит процедуру

Рис. 5. Передача опорных сигналов

поиска ячейки, состоящую из нескольких стадий синхронизации, на которых определяются параметры времени и частоты, необходимые для демодуляции нисходящих сигналов и трансляции с правильной временной меткой, а также основные системные параметры. В процессе синхронизации абонентское устройство последовательно детектирует два широковещательных сигнала: первичную (Primary Synchronization Sequence, PSS) и вторичную синхронизирующую последовательность (Secondary Synchronization Sequence, SSS). Они содержат информацию о значении времени и частоты и позволяют получить общие параметры системы, такие как идентификатор ячейки, длина циклического префикса и режим доступа (FDD или TDD). На этой стадии может производиться декодирование сигнала PBCH для получения важной информации о системе (см. ниже). Синхросигналы передаются дважды в течение одного радиокадра. Данные

PSS располагаются в последнем OFDMсимволе первого и 11-го слота кадра. Это позволяет абонентскому устройству определять границы слота независимо от типа циклического префикса. Сигнал PSS одинаков для всех ячеек сети. Данные SSS располагаются в радиокадре перед полем PSS. Абонентское устройство распознает длину циклического префикса по позиции SSS. В частотной области PSS и SSS занимают 6 центральных ресурсных блоков независимо от полосы канала. При таком подходе синхронизация может производиться даже в том случае, если абонентское устройство не получило информацию о диапазоне используемых частот. Синхронизующая последовательность передается в радиокадре типа 1 в последнем OFDM-символе слотов 0 и 10 (субкадры 0 и 5) и занимает 62 поднесущих, распределенных по ресурсной сетке симметрично относительно ее центральной частоты.

Электронные компоненты №10 2010

39 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ОПОРНЫЕ СИГНАЛЫ В ВОСХОДЯЩЕМ КАНАЛЕ

3. Канал гибридной процедуры повторного запроса (Physical Hybrid ARQ Indicator Channel, PHICH). Предназначен для подтверждения доставки данных в восходящем канале (HARQ ACK/NAK). Для достоверности передача повторяется трижды. Сигнал модулирован BPSK. ВОСХОДЯЩИЕ ФИЗИЧЕСКИЕ КАНАЛЫ Рис. 6. Канал PBCH

НИСХОДЯЩИЕ ФИЗИЧЕСКИЕ КАНАЛЫ

Стандартом LTE определен ряд нисходящих физических каналов для передачи информационных блоков, полученных от уровней MAC и выше. Эти каналы делятся на транспортные и каналы управления. Транспортные каналы

1. Широковещательный канал (Physical Broadcast Channel, PBCH). Служит для широковещательной рассылки ограниченного набора параметров, необходимых для первичного доступа к ячейке (полоса нисходящего канала, структура канала PHICH и 8 старших битов системного номера кадра). Эти параметры составляют главный информационный блок (Master Information Block, MIB) длиной 14 бит. Широковещательный канал доступен на всей зоне покрытия, включая границы. Для детектирования сигнала PBCH абонентским устройством не требуется знать полосу пропускания. Данные MIB

закодированы на очень низкой скорости и занимают 72 центральные поднесущие (6 РБ). Канал PBCH занимает 4 субкадра по 10 мс (см. рис. 6). 2. Общий канал (PDSCH — Physical Downlink Shared Channel). Пред назначен для передачи данных пользователю. Для предотвращения появления ошибок применяется прямая коррекция ошибок. Сигналы данных разделены в пространстве в соответствии с типом приемных антенн и модулированы QPSK, 16 QAM или 64 QAM. Канал PDSCH может использоваться для широковещательной трансляции данных, не передаваемых по широковещательным каналам PBCH. К ним относятся, например, системные информационные блоки (System Information Blocks, SIB) и сообщения системы персонального вызова. 3. Канал групповой передачи (Physical Multicast Channel, PMCH). В этом канале определяется структура физического уровня для служб Multimedia Broadcast и Multicast (MBMS). В первую редакцию стандарта LTE они не вошли. Сигнал PMCH предназначен для сетей с одной частотой. Каналы управления

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рис. 7. Каналы управления

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Каналы управления занимают первые 1, 2 или 3 символа OFDM (см. рис. 7). 1. Канал управления (Physical Downlink Control Channel, PDCCH). Используется для передачи таблиц назначения канальных ресурсов абонентским устройствам. В одном субкадре может содержаться несколько PDCCH. Сигнал модулируется QPSK. 2. Канал формата управления (Physical Control Format Indicator Channel, PCFICH). Данный канал содержится в каждом субкадре в виде управляющего индикатора (Control Frame Indicator, CFI) и передает номера OFDM-символов, которые используются для трансляции сообщений канала управления PDCCH. Индикатор CFI содержит 32 бита и располагается в 16 РЭ первого OFDM-символа нисходящего кадра. Сигнал модулирован QPSK.

На физическом уровне в восходящем направлении определено три типа каналов: общий (Physical Uplink Shared Channel, PUSCH), управления (Physical Uplink Control Channel, PUCCH) и произвольного доступа (Physical Random Access Channel, PRACH). Общий канал используется для передачи данных пользователя. Сигнал модулируется квадратурной модуляцией QPSK и 16 QAM (64QAM — опционально). Изначально соседние символы данных соответствуют во временной области соседним SC-FDMA-символам. Затем они разделяются по поднесущим и модулируются OFDM. После перемежения биты скремблируются, модулируются и проходят через блок дискретного преобразования Фурье (ДПФ). Применяются те же типы модуляции, что и в общем нисходящем канале. В частотной области передача осуществляется с помощью ресурсных блоков 180 кГц, которые соответствуют используемым поднесущим. Для разнесения занимаемых частот и ослабления интерференции применяется перестройка частоты внутри второго слота. По общему каналу передается вся управляющая информация для декодирования данных — это индикаторы транспортного формата и параметры MIMO. Служебные данные мультиплексируются с информационными до выполнения ДПФ. Канал управления предназначен для передачи индикатора качества канала (CQI), сообщения о подтверждении доставки (ACK/NACK), запроса на получение расписания доступных ресурсов, а также осуществления обратной связи (передача индикаторов ранга и матрицы предварительного кодирования). Канал управления передается независимо от трафика данных. В частотной области передача идет на границе полосы (см. рис. 8). Для передачи управляющего канала используется один ресурсный блок в каждом из слотов одного субкадра. Канал произвольного доступа применяется для запроса начальной инициализации в сети, при переходе из режима ожидания в активный и т.д. Абонентской станции назначается интервал в ресурсной сетке (номер

физического ресурсного блока и номер субкадра), в течение которого она передает специальный пакет — преамбулу произвольного доступа. Всего определено 64 различных преамбулы на одну ячейку. Канал занимает 72 поднесущие (6 РБ, 1,08 МГц), как показано на рисунке 9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА 1. Rayal F. An overview of the LTE physical layer. 2. В. Вишневский и др. Технология сотовой связи LTE — почти 4G. 3. Е. Самкова. Увеличение ресурсов сети. Электронные компоненты. №5. 2008.

Рис. 8. Восходящий канал управления

Рис. 9. Передача преамбулы произвольного доступа

НОВОСТИ БЕСПРОВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ | 3G И GSM | После испытания совместимости работы сетей GSM и UMTS Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) разрешила сотовым операторам использовать диапазон 900/1800 МГц для развертывания сетей третьего поколения (3G) стандарта UMTS. В марте прошлого года ГКРЧ поручила лаборатории ФГУП «Научно-исследовательский институт радио» (НИИР) провести исследования возможности строительства сетей третьего поколения стандарта UMTS в диапазонах, предназначенных для GSM. Для испытаний были выбраны две опытные зоны (в Москве и подмосковном Серпухове). Всего было установлено 30 базовых станций. Исследования не выявили помех при работе оборудования двух стандартов. Одновременное их использование практически не отразилось на качестве передачи голосовых данных. ГКРЧ поручила Роскомнадзору совместно с операторами провести работу по оптимизации использования радиочастотного ресурса. Результаты должны быть представлены в комиссию до 1 июня 2011 г. К этому времени аналогичные испытания на совместимость сетей GSM и UMTS должны пройти в других регионах России. www.elcomdesign.ru

НОВОСТИ БЕСПРОВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ | VLC: ОПТИЧЕСКАЯ БЕСПРОВОДНАЯ СВЯЗЬ | Компания Siemens совместно с Институтом Генриха Герца разработала технологию беспроводной передачи данных, обеспечивающую скорость обмена до 500 Мбит/с. Технология получила название VLC (связь с помощью видимого света) и основана на излучении белых светодиодов. Данная технология позволяет разгрузить частотный спектр, используемый беспроводными устройствами. Кроме того, оптический сигнал невозможно перехватить, поэтому информация надежно защищена. www.elcomdesign.ru

41 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

На физическом уровне LTE применяются различные технологии для обеспечения высокой скорости передачи данных и эффективного использования спектра. Приемы OFDMA и MIMO позволяют достигать в нисходящем канале скорость передачи 100 Мбит/с, а технология SC-FDMA помогает уменьшить отношение пиковой мощности к средней и позволяет упростить схему абонентских терминалов. Различные методы модуляции и кодирования позволяют увеличить пропускную способность и емкость сети. Структура физического уровня LTE обеспечивает малые задержки и качественную работу на границах зоны покрытия, а также специальные возможности, такие как динамическое назначение полосы частот, опорные сигналы и управляющие каналы.

Электронные компоненты №10 2010

АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ В ПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВАХ РАДИОВЕЩАТЕЛЬНОГО ДИАПАЗОНА АЛЕКСАНДР ГУБА, к.т.н., зав. кафедрой электроники и микропроцессорной техники, ДГТУ ОМАР ГАСАНОВ, инженер, ОАО НИИ «Сапфир», ст. преподаватель, ДГТУ РАСУЛ КИШОВ, студент 5 курса специальности БиМАС, ДГТУ

В статье рассматриваются возможности применения активных фильтров в качестве преселекторов в приемных устройствах радиовещательного диапазона, приводятся результаты их реализации.

гораздо реже — двухконтурная, входная цепь, представляющая собой перестраиваемый в пределах каждого поддиапазона узкополосный преселектор. Его преимуществом является относительно неплохое ослабление побочных каналов и близких к частоте приема помех. Но к недостаткам следует отнести сложности сопряжения контуров самого преселектора и гетеродина, наличие секций конденсаторов переменной емкости, относительно низкую стабильность параметров колебательных контуров в процессе эксплуатации при воздействии дестабилизирующих факторов и ряд других. Перестройка контуров преселектора посредством варикапов может привести к сужению динамического диапазона, что особенно проявляется в высокочастотных устройствах. Возможны и другие варианты реализации преселектора. Так, в частности, высокие качественные показатели можно обеспечить посредством использования многоконтурных фильтров сосредоточенной селекции в каждом из поддиапазонов или путем применения в преселекторе наборов узкополосных кварцевых фильтров. Однако каждый их этих вариантов предполагает ухудшение весогабаритных характеристик и увеличение стоимости изделия. Устранить ряд недостатков, присущих рассмотренным вариантам преселекторов, в значительной степени позволяют безындукционные фильтры на основе операционных усилителей (ОУ), более известные как активные фильтры. Такие фильтры в зависимости от требуемых характеристик могут быть использованы в качестве фильтров низких частот, фильтров высоких частот, а также полосовых и полосоподавляющих фильтров [1]. Однако до

известного времени активные фильтры практически не применялись в высокочастотной технике из-за отсутствия ОУ с требуемой частотной характеристикой. И лишь появление ВЧ и СВЧ операционных усилителей у ряда производителей электронных компонентов, в частности, у компании Analog Devices, позволило реализовать универсальные свойства этих фильтров. Наличие ОУ в составе фильтра предоставляет дополнительную возможность усиления сигнала в пределах полосы пропускания. Важной характеристикой активного фильтра является его порядок, определяемый числом содержащихся в нем реактивных элементов. В качестве реактивных элементов в таких фильтрах применяются, как правило, конденсаторы. Катушки индуктивностей практически не используются из-за низких весогабаритных характеристик и высокой стоимости. От порядка фильтра зависит крутизна амплитудно-частотной характеристики вне пределов полосы пропускания, которая равна 6n дБ/октава, где n — количество реактивных элементов в фильтре. Если n = 4, крутизна соответственно составляет 24 дБ/окт. или 80 дБ/дек. Наибольшее распространение получили три типа активных фильтра: Баттерворта, Чебышева и Бесселя. Достоинство фильтра Баттерворта заключается в наиболее плоской характеристике в пределах полосы пропускания, но основным недостатком является относительно малая крутизна среза за этими пределами. Увеличение порядка фильтра с целью существенного улучшения крутизны связано с дополнительными схемотехническими затратами. Фильтр Бесселя, обладая наилучшей фазовой характеристикой, имеет еще меньшую кру-

Электронные компоненты №10 2010

43 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Входные цепи любого радиоприемного устройства, называемые иначе преселекторами, предназначены для ослабления приема по зеркальному и соседнему каналам, а также для согласования входного сопротивления приемника с волновым сопротивлением или фидером антенны. В приемниках с одинарным преобразованием частоты, которое характерно для большинства радиовещательных приемников, ослабление зеркального канала обеспечивается преселектором, а ослабление соседнего канала происходит в основном в усилителе промежуточной частоты и частично в преселекторе. Основные требования, предъявляемые к преселектору, заключаются в следующем: – на каждом из диапазонов радиоприемного устройства должно обеспечиваться требуемое перекрытие по частоте с заданным технологическим запасом; – коэффициент передачи мощности в рабочем диапазоне частот должен быть максимально возможным, и его колебания при изменении частоты настройки в пределах каждого из диапазонов должны быть наименьшими; – должно обеспечиваться требуемое ослабление сигналов на зеркальной и промежуточной частотах. Если выполняются граничные условия, т.е. коэффициент передачи мощности преселектора стремится к единице при достижении возможно большего ослабления внедиапазонных сигналов, данное устройство является идеализированным полосовым фильтром. На практике требования, предъявляемые к входным цепям радиоприемного устройства радиовещательного диапазона, не столь высоки, поэтому в зависимости от сложности изделия обычно применяется одноконтурная,

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рис. 1. Фильтр нижних частот

Рис. 2. Фильтр верхних частот

тизну среза по сравнению с фильтром Баттерворта. Преимуществом фильтра Чебышева является достаточно хорошая крутизна характеристики при допустимых для большинства применений неравномерностях в пределах полосы пропускания, что обеспечивает минимизацию схемотехнических затрат при практической реализации фильтра. Имеются разнообразные схемотехнические приемы, позволяющие реализовать активные фильтры с требуемыми функциями, но при выборе реальной схемы фильтра необходимо учитывать ряд требований [1, 2]: – фильтр должен содержать минимальное количество элементов, как активных, так и пассивных; – малое влияние разброса параметров элементов, в особенности значений емкостей конденсаторов; – отсутствие высоких требований к применяемому операционному усилителю; – простота регулировки. Обычно для реализации фильтров второго порядка низкой и высокой частот (см. рис. 1 и 2) требуются по две RC-цепи и один операционный усилитель. При необходимости в изделии фильтра третьего (нечетного) порядка ко входу фильтра второго порядка дополнительно подключается RC-цепь, а фильтры более высоких порядков можно получить путем каскадного соединения нескольких фильтров низших порядков. Выполнение функций полосового фильтра достигается путем каскадного включения фильтров низкой и высокой частот. По способу включения элементов фильтра и ОУ в каждом каскаде возможна организация как отрицательной, так и положительной обратной связи. Но при втором решении коэффициент усиления усилителя должен быть нормирован и обладать высокой стабильностью. В каскадах фильтра целесообразно применять ОУ с низким уровнем шумов, высокой скоростью нарастания и граничной частотой, от трех до пяти раз превышающей частоту среза низкочастотного фильтра. Различные методики расчета активных фильтров Баттерворта, Чебышева

и Бесселя [1—4] несколько различаются в подходах к проектированию при достижении практически идентичного конечного результата. Для расчета активных фильтров вплоть до шестого порядка может быть рекомендована методика [4], оперирующая нормированными значениями величин емкостей фильтра при различных аппроксимациях и неравномерностях характеристики в пределах полосы пропускания. Согласно этой методике первоначально выбирается требуемый вид передаточной характеристики, который определяется типом фильтра и его порядком. Для фильтра нижних частот передаточная характеристика представляется следующим образом:

WWW.ELCOMDESIGN.RU

K(p) = A0/pn + b1pn+1 +…+ bn–1p + bn, где А0 — номинальный коэффициент передачи в переделах полосы пропускания; n — порядок фильтра; р — комплексная переменная. Непосредственно частотная характеристика фильтра определяется полиномом в знаменателе уравнения, а полиномы Баттерворта, Чебышева и Бесселя различаются значениями коэффициентов b1—bn. Для выбранного типа фильтра с учетом его порядка из таблицы определяются нормированные значения емкостей, величины которых приведены в фарадах для сопротивлений резисторов фильтра, равных 1 Ом. Следующим шагом является определение значений емкостей конденсаторов путем деления их нормированных значений на 2πf ср, где f ср — частота среза на уровне 1 дБ. На последнем шаге для получения удобных значений параметров сопротивлений из соответствующего номинального ряда (Е48, Е96, Е192) величины сопротивлений умножаются, а величины емкостей конденсаторов делятся на произвольный множитель М. Множитель может быть разным для каждого отдельного каскада фильтра. Фильтры верхних частот получаются из фильтров нижних частот посредством замены резисторов соответству-

ющими конденсаторами с учетом, что емкости конденсаторов равны 1 Ф, а конденсаторов — нормализованными резисторами 1/C. Последовательность расчета этого фильтра остается неизменной [4]. Практика применения данной методики, как и прочих методик [2,3], подтвердила достоверность предполагаемых результатов, но и выявила существенный недостаток. В результате расчета определяются величины емкостей и сопротивлений без учета разброса параметров реальных конденсаторов и резисторов, что в значительной мере приводит к изменению характера желаемой частотной характеристики фильтра и усложняет процесс регулировки при изготовлении. Поэтому отмеченные методики можно рекомендовать для расчета активных фильтров, использование которых в электронной аппаратуре не оказывает большого влияния на основные качественные показатели изделия. Расчет активных фильтров более высоких порядков целесообразно проводить в среде Filter Solutions 2006 (Version 11.0.2) [5], позволяющей выполнить синтез пассивных и активных фильтров, в том числе Баттерворта, Чебышева, Бесселя, Гаусса и других вплоть до двадцатого порядка, а также цифровых фильтров разных модификаций. Одновременно с синтезом фильтров обеспечивается возможность проведения анализа и коррекции частотной и фазовой характеристик с учетом допускового разброса параметров элементов фильтра. Для исследования возможностей применения в преселекторах радиоприемных устройств на частотах до 25 МГц были апробированы различные варианты схемной реализации фильтров девятого порядка Чебышева и Койе при неравномерностях частотной характеристики в пределах полосы пропускания 0,5 дБ и 1 дБ. Фильтры Койе также известны под названием «эллиптические фильтры». Выбор этих фильтров обусловлен достаточно высокой крутизной среза их частотной характеристики, составляющей 180 дБ/дек., а величина порядка фильтра оптимизирована с учетом требуемого количества ОУ в функциональном узле. На частотах вплоть до 10 МГц применялись ОУ типа AD8034, но на более высоких частотах усилители типа AD8004. Компонент AD8034 конструктивно представляет собой сдвоенный ОУ с малым уровнем шумов, граничной частотой 80 МГц, скоростью нарастания порядка 80 В/мкс. Компонент AD8004 является счетверенным ОУ

Рис. 3. Полосовой активный фильтр девятого порядка

с граничной частотой 250 МГц и скоростью нарастания, достигающей 3000 В/мкс. Каждый из указанных компонентов способен функционировать как при однополярном, так при двуполярном источнике питания. Один из вариантов схемы полосового активного эллиптического фильтра, состоящего из фильтра нижних частот и фильтра верхних частот, приведен на рисунке 3.

ВЫВОДЫ

Практическая апробация фильтров Чебышева и эллиптических фильтров в качестве преселекторов подтвердила возможность их применения в радиоприемных устройствах радиовещательного диапазона. Параметры изготовленных фильтров в целом соответствовали рассчитанным значениям. Тем не менее был выявлен ряд недостатков, затрудняющих их применение.

ЛИТЕРАТУРА 1. Hank Zumbahlen. ANALOD FILTERS. Op Amp Applications. Copyright © 2002 By Analog Devices Inc,ISBN 0-916550-26-5. 2. П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. — М.: «Мир». 1998. 3. У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. — М.: «Мир», 1982. 4. Нестеренко Б.К. Интегральные операционные усилители//Справочное пособие по применению. — М.: Энергоатомиздат. 1982. 5. www.filter-solutions.com.

Электронные компоненты №10 2010

45 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

В фильтрах с положительной обратной связью на частотах свыше 5 МГц наблюдалась тенденция к самовозбуждению. Этот эффект удавалось устранить путем тщательного подбора номиналов элементов, некоторого снижения коэффициента усиления и за счет соответствующей компоновки элементов и трассировки платы. В фильтрах с отрицательной обратной связью эффект самовозбуждения не наблюдался. На частотах свыше 7 МГц величины емкостей конденсаторов в ряде каскадов фильтра составляют доли пикофарад. Такие величины удавалось получить за счет емкости монтажа или посредством требуемой конфигурации печатных проводников.

КАК ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ АЦП ПОЗВОЛЯЮТ РЕАЛИЗОВЫВАТЬ ЭФФЕКТИВНЫЕ SDR-РЕШЕНИЯ ВИКТОР АЛЕКСАНДРОВ, технический консультант, ИД «Электроника» Последние достижения в области высокоскоростных АЦП сделали возможным создание новых SDR-решений, которые позволяют упростить архитектуру радиосистемы, расширить рабочую полосу частот и обеспечить высокий уровень чувствительности. В статье представлены особенности построения архитектуры широкополосных SDR-систем на базе высокоскоростных АЦП. Сделан обзор ключевых параметров АЦП, которые определяют характеристики радиосистемы. Предложен набор параметров, на основе которых следует выбирать высокоскоростные АЦП для построения оптимальных и эффективных SDR-систем. Ключевыми задачами коммуникационных систем следующего поколения являются передача намного большего объема данных и возможность реконфигурирования системы при одновременном сокращении потребляемой мощности, уменьшении площади, занимаемой системой на плате, и снижении стоимости. Эти, во многом взаимоисключающие, требования стимулируют поиск новой системной архитектуры, позволяющей решать новые задачи на рынке коммуникаций. Среди этих задач можно выделить следующие: – увеличение числа приемных каналов с целью обеспечения передачи и обработки дополнительного объема данных; – расширение возможности перепрограммирования системы для снижения стоимости ее последующей модернизации и реализации новых требований заказчика; – снижение энергопотребления, что позволяет увеличить надежность системы, обеспечить соответствие экологическим нормам и сни-

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

зить текущие расходы на поддержку системы; – уменьшение площади, занимаемой системой на печатной плате, и сокращение числа необходимых комплектующих. Эти требования рынка могут быть эффективно решены с помощью нового класса широкополосных программно-определяемых радиосистем (software-defined radio — SDR). Большие надежды операторов связи на SDR-системы связаны с тем, что со временем эти системы позволят использовать одну сеть и одну инфраструктуру, способную обрабатывать широкий спектр частот и стандартов. Это требует применения более гибкой архитектуры радиосистемы, использующей более широкий частотный диапазон, чем требовалось ранее. Кроме того, необходимо обеспечить и более широкий динамический диапазон по сравнению с тем, который требуется для построения узкополосных приложений. В конечном итоге операторы связи будут работать в радиосреде с

Рис. 1. Традиционная архитектура аппаратно-определяемой радиосистемы

WWW.ELCOMDESIGN.RU

несколькими несущими, использующими модуляцию различных типов и разную полосу частот, а также обладающими другими различными свойствами. Последние достижения технологий АЦП (12-разрядное разрешение при частоте 3,6 Гвыб/с) позволили создать широкополосные SDR-системы, которые могут одновременно обрабатывать множество каналов на высокой входной частоте. Благодаря новым возможностям АЦП можно разрабатывать системы, которые оцифровывают всю полосу входных частот с высоким разрешением, устраняя необходимость использования множества приемных трактов или дорогих аналоговых фильтров. В этом случае все каналы фильтрации могут быть реализованы в цифровом виде, что позволяет уменьшить мощность потребления, площадь на плате и стоимость системы, а также улучшить системные характеристики (см. рис. 1 и 2). Перенос обработки сигнала в цифровую область также обеспечивает более простое программирование и реконфигурирование параметров системы в процессе работы, создавая полностью программируемые (или программноопределяемые) системы. Несмотря на то, что такое фундаментальное изменение архитектуры обеспечивает существенное улучшение характеристик системы и снижает ее стоимость, это требует также изменения методологии оценки АЦП. Традиционные параметры АЦП (динамический диапазон без паразитных составляющих (SFDR), эффективное число бит (ENOB) и отношение сигнал/шум (SNR)), оценивающие характеристики системы для синусоидального сигнала одного тона

ХАРАКТЕРИСТИКИ КОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ И ПАРАМЕТРЫ АЦП

Одним из наиболее важных параметров любой радиосистемы является чувствительность (также широко используют понятие динамического диапазона системы), которая определяется конфигурацией приемной части радиосистемы. Говоря простым языком, чувствительность определяет способность радиоприемника эффективно обрабатывать сигналы очень малого уровня на входе антенны и измеряется в дБм. В большинстве случаев чувствительность системы определяется отношением сигнал/ шум АЦП, которое измеряется в дБс или дБFS (дБс — это отношение сигнала к шуму относительно несущей частоты, а дБFS — относительно полной шкалы входного сигнала АЦП). Обычно чувствительность определяется при двух предельных входных условиях (см. рис. 3): сигнал наименьшего уровня, который может быть принят в отсутствие каких-либо сигналов помехи, и сигнал наименьшего уровня, который может быть принят при наличии сильных помех в соседних каналах. Эти два предельных случая можно рассматривать как неблокирующий и блокирующий режимы. Как видно из рисунка 3а, чувствительность в неблокирующем режиме обычно ограничена уровнем шума в полосе принимаемых частот. Рисунок 3б показывает, что чувствительность в блокирующем режиме обычно ограничена из-за искажений сигнального канала, т.к. искажения от смежных каналов могут попадать в рабочую полосу частот. Поскольку ус тойчивое функционирование системы обычно должно быть обеспечено как в блокирующем и неблокирующем режимах, чувствительность системы ограничена как шумом, так и искажениями сигнального канала. Как главный компонент большинства сигнальных трактов, и в особенности широкополосных SDR-систем, АЦП играет доминирующую роль в определении шумовых характеристик и искажений в системе. Обычно уровень шума и искажений АЦП определяется такими параметрами АЦП как SNR, SFDR и ENOB. SNR измеряется на входном однотональ-

ном сигнале и определяется как отношение мощности однотонного сигнала к сумме мощностей сигналов во всей полосе Найквиста, исключая гармоники входного сигнала. SFDR измеряется аналогично с использованием однотонального сигнала и определяется как отношение мощности этого сигнала и следующей наибольшей паразитной составляющей во всей полосе Найквиста. Наконец, ENOB также измеряется с использованием однотонального сигнала и определяется как отношение мощности этого синусоидального сигнала к сумме мощностей сигналов во всей полосе Найквиста. Заметим, что ENOB соединяет SNR и SFDR в одном параметре. Одним из ключевых преимуществ SDR-систем является способность принимать более широкий диапазон частот, чем в обычных радиосистемах, без необходимости внесения изменений в аппаратную часть системы. Это особенно привлекает разработчиков радиосистем, учитывая огромное число частот и стандартов в мире. Например, GSM может работать на частотах 400, 850, 900, 1800, 1900 МГц и даже 2500…2690 МГц. 3GPP исполь-

зует 1800, 1900 и 2100 МГц, а WiMAX — 2500 и 3500 МГц. Во множестве частотных диапазонов оцифровка максимально возможных частотных диапазонов с помощью АЦП становится огромным преимуществом. Следовательно, именно частота дискретизации АЦП становится критичной характеристикой для таких систем. Согласно критерию устойчивости Найквиста, АЦП способен эффективно оцифровывать сигнал без эффекта наложения ложных частот, которые приводят к искажениям сигнала в полосе частот, равной половине частоты дискретизации (Fs/2). Таким образом, для АЦП с частотой дискретизации 200 Мвыб/с максимальная полоса частот, которая может быть эффективно оцифрована, составляет 100 МГц. Кроме приемного канала требование по широкой полосе пропускания является ключевым и для передающей части радиосистемы. Поскольку стоимость усилителя мощности пропорциональна его выходной мощности, важнейшим способом снижения общего количества комплектующих и текущих расходов является увеличе-

Рис. 2. Архитектура широкополосной программно-определяемой радиосистемы

47 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

во всей полосе Найквиста, неприменимы для систем, в которых не используется вся полоса Найквиста и которые не осуществляют прием только синусоидальных сигналов одной частоты. Чтобы точно определить характеристики АЦП для широкополосной SDR-системы, требуется другой набор параметров.

Рис. 3. Условия для входного сигнала при измерении чувствительности (динамического диапазона) системы

Электронные компоненты №10 2010

Рис. 4. Зависимость коэффициента расширения спектра сигнала от ширины полосы частот полезного сигнала при частоте дискретизации АЦП Fs = 500 Мвыб/с

ние его эффективности. Современные цифровые алгоритмы коррекции предыскажений, которые линеаризуют характеристику усилителя мощности передатчика, основаны на использовании обратной связи с цифровым процессором. Он обрабатывает оцифрованные данные в полосе частот, ширина которой многократно превосходит ширину полосы передаваемого сигнала. Это, в свою очередь, требует, чтобы АЦП был способен оцифровывать сигнал на очень высокой частоте. Кроме способности эффективно преобразовывать аналоговый сигнал в максимальной полосе частот, высокая частота дискретизации АЦП обеспечивает дополнительное преимущество, связанное с так называемым коэффициентом расширения спектра сигнала (processing gain). Обычно шум равномерно распределен по всей полосе Найквиста. Когда приемник обрабатывает сигнал в определенной полосе в пределах этой зоны, мощные цифровые фильтры могут существенно ослабить внеполосный шум. Если полезный сигнал имеет полосу частот BWSIG, а АЦП оцифровывает сигнал на частоте Fs, эффективный коэффициент расширения спектра сигнала (PG) можно рассчитать по формуле:

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

На рисунке 4 показана зависимость PG от ширины полосы частот полезного сигнала при частоте дискретизации АЦП Fs = 500 Мвыб/с. При оценке отношения сигнал/ шум системы следует также учитывать джиттер, т.к. он в конечном итоге влияет на величину SNR. SNR связано с джиттером следующим уравнением: , где f IN — это частота входного аналогового сигнала, а tjitter — среднеквадратичная величина джиттера системы. Внутренний джиттер АЦП добавляется к джиттеру внешнего тактового сигнала, который управляет АЦП.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Рис. 5. Пример частотного спектра системы кабельного телевидения с каналами на частотах 57, 63, 75 и 81 МГц

Заметим, что SNR не зависит от частоты дискретизации АЦП, а напрямую связан с частотой входного аналогового сигнала. Это фундаментальное ограничение является главным фактором, который следует учитывать при выборе промежуточной частоты приемника. Преимущества более простой архитектруры приемной части SDR-системы (что влияет на ее стоимость) находятся в противоречии с ограничениями, которые накладывает суммарный джиттер системы при увеличении промежуточной частоты. ОГРАНИЧЕНИЯ ТРАДИЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АЦП

SNR, SFDR и ENOB являются параметрами, которые определяют характеристики АЦП во всей полосе Найквиста при подаче на вход АЦП синусоидального однотонного сигнала. Однако в большинстве случаев входные сигналы не являются однотонными синусоидальными, а полоса сигнала, который необходимо оцифровывать, почти никогда не равна полосе Найквиста. Многие приложения предназначены для обработки несинусоидальных сигналов с полосой, ширина которой намного меньше ширины всей входной полосы. Вот некоторые из них: – кабельное телевидение (6/8МГц каналы в 1,1-ГГц входной полосе); – спутниковое телевидение (как правило, 36-МГц каналы в 500-МГц входной полосе); – мультичастотные/мультистандартные базовые станции (200-кГц каналы в 20-МГц полосе частот); – осциллографы (входная полоса может занимать менее 10% полосы Найквиста);. – метеорологические радиолокационные станции (принятые данные занимают не более 10% полосы Найквиста). Чтобы проиллюстрировать ограничения обычных характеристик АЦП, которые применяются к такого рода системам и сигналам, рассмотрим спектр системы кабельного телевидения с четырьмя каналами, передающими сигнал на частотах 57,

Рис. 6. Спектр мультичастотной базовой станции GSM с 20-МГц полосой приема, центрированной на частоте 30 МГц при скорости дискретизации 160 Мвыб/с

63, 75 и 81 МГц (см. рис. 5). Поскольку спектр системы кабельного телевидения может доходить до 1,1 ГГц, частота дискретизации АЦП должна быть равна, по крайней мере, 2,2 Гвыб/с. Если мы хотим принимать сигнал в канале на частоте 69 МГц, то наилучшим параметром, характеризующим функционирование системы, будет наименьший уровень мощности, который может быть принят на данной частоте при наличии шума в системе и сигналов в смежных каналах. Если бы мы рассматривали шумовые характеристики нашей SDRсистемы на основе традиционных параметров АЦП, то для этого мы использовали бы отношение сигнал/ шум, которое интегрирует уровень шума в полосе 0 МГц…1,1 ГГц. Но нас интересует лишь полоса в 6 МГц из всей полосы Найквиста. Заметим, что в каналах между 54 и 84 МГц вторые и третьи гармоники не возникают. Следовательно, искажения от второй и третьей гармоник (которые обычно ограничивают SFDR) не будут влиять на какие-либо сигналы на частоте 69 МГц. Учитывая, что SNR и SFDR не предоставляют полезной информации о характеристиках данной SDRсистемы, эффективное число бит, которое сочетает в себе SNR и SFDR, также является бесполезным показателем для такой системы. Другим примером ограничений традиционных характеристик АЦП является мультичастотная базовая станция GSM. В обычной мультичастотной GSMсистеме в полосе частот 20 МГц могут приниматься до четырех 200-кГц GSMканалов (см. рис. 6). Если предположить, что частота дискретизации АЦП равна 160 Мвыб/с, то SNR будет учитывать шум в полосе частот 80 МГц. Однако в данном приложении нас интересует только шум в 200-кГц GSM-канале, а не во всей 80-МГц полосе Найквиста. А если принять, что 20-МГц полоса в такой системе центрирована на частоте 30 МГц, ограничения по SFDR даже еще сильнее, чем в системе кабельного телевидения, пример которой был приведен выше. В такой системе вторая и третья гармоники любого сигнала в 20-МГц полосе могут никогда не появиться, поэтому

ХАРАКТЕРИСТИКИ АЦП ДЛЯ SDRСИСТЕМ

К счастью, нам не нужно изобретать новые характеристики для описания работы SDR-систем. В большинстве технической документации на АЦП уже содержатся две более полезные характеристики: – уровень шума; – интермодуляционные искажения (IMD). Кроме того, имеется еще одна характеристика — коэффициент мощности шума (NPR), который также полезен для оценки работы SDRсистемы. Уровень шума АЦП отражает плотность шума относительно входа АЦП (см. рис. 7) и обычно измеряется в единицах на Гц (дБc/Гц, дБм/Гц и др.). В качестве примера рассмотрим недавно выпущенный компанией National Semiconductor АЦП ADC12D1600, уровень шума которого составляет –149,6 дБм/Гц. Если использовать этот АЦП в ранее описанном примере мультичастотной базовой станции GSM, то общий уровень шума в 200-кГц канале составит –96,6 дБм. При максимальном уровне входного сигнала 2 дБм динамический диапазон АЦП для несущей частоты GSM будет равен 98,6 дБ, что намного больше требуемого минимума, равного 85 дБ. Уровень шума можно также использовать для того, чтобы сравнивать АЦП с различными максимальными частотами дискретизации. Например, многие 16-разрядные АЦП с частотой дискретизации более 100 Мвыб/с имеют уровень шума около –150 дБм/Гц.

Интермодуляционные искажения (IMD) АЦП отражают содержание паразитных составляющих сигнала, когда по крайней мере два входных тональных сигнала смешиваются, в результате чего возникают искажения (см. рис. 8). IMD можно измерить с помощью однотональных синусоидальных сигналов или с помощью сигналов с ограниченным спектром. Возвращаясь к примеру системы кабельного приемника (см. рис. 5), заметим, что каналы на частотах 57 и 63 МГц, а также каналы на частотах 75 и 81 МГц создадут интермодуляционные искажения третьего порядка (IMD3) на частоте 69 МГц. Для АЦП ADC12D1600 2-тональные IMD3 составляют –56 дБс, центрированные на частоте 1,2 ГГц. Мощность интермодуляционных искажений на частоте 69 МГц на 53 дБ ниже, чем в смежных каналах. Поэтому АЦП ADC12D1600 может осуществлять прием на 69-МГц канале и поддерживать отношение мощности несущей к шуму (CNR) на уровне 30 дБ. Наконец, коэффициент мощности шума (NPR) является параметром, который измеряет как шум, так и искажения АЦП в пределах данной полосы частот. Измерения выполняются путем подачи широкополосного сигнала на АЦП и вырезания полосы частот (см. рис. 9). NPR — это отношение мощности шума в вырезанной полосе частот (PN на рис. 9) к мощности шума равной полосы, смежной с вырезанной (PA на рис. 9). АЦП ADC12D1600 обеспечивает NPR на уровне 52 дБ, когда на АЦП подается 500-МГц входной сигнал, тогда для кабельного тюнера 69-МГц канал может быть принят при CNR, равным 30 дБ. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поскольку все больше приложений реализуется на базе широкополосных SDR-систем, которые обеспечивают высокую функциональность и гибкость, то требования к широкополосным АЦП продолжают возрастать. Внутриполосные харак терис тики АЦП — уровень шума, интермодуляционные искажения (IMD) и коэффициент мощности шума (NPR) — тесно связаны с такими параметрами как SNR, SFDR и ENOB. Однако главная разница между двумя наборами параметров заключается в том, что уровень шума, IMD и NPR отражают в н у т р и п о л о сные характеристики АЦП, а

Рис. 7. Уровень шума АЦП

Рис. 8. Интермодуляционные искажения третьего порядка АЦП

Рис. 9. Коэффициент мощности шума АЦП

SNR, SFDR и ENOB отражают характеристики АЦП в полосе Найквиста для одночастотных синусоидальных сигналов. Внутриполосные характеристики АЦП ориентированы на конкретные приложения и поэтому способны дать исчерпывающую информацию при выборе АЦП для применения в SDRсистемах различного назначения.

ЛИТЕРАТУРА 1. Paul Buckley. 12-bit ADC paves the way for new generation of software-defined radio solutions//EETimes. 2. Scott Kulchycki. Software Defined Radio: Don’t Talk to Me about ENOBs//EETimes RF & Microwave Designline, September 2010. 3. Yiannis N. Papantonopoulos. Highspeed ADC technology paves the way for software defined radio//www.eetimes.com. 4. Peter B. Kenington. RF and Baseband Techniques for Software Defined Radio// Artech House Inc, 2005.

Электронные компоненты №10 2010

49 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

SFDR (которое обычно ограничено второй и третьей гармониками) не влияет на характеристики системы в 20-МГц полосе приема. Поскольку SNR и SFDR и в данном случае не отражают реальную картину, ENOB снова оказывается бесполезным для оценки характеристик данной SDR-системы. Эти примеры иллюстрируют ограничения традиционных характеристик АЦП. Когда полоса сигнала меньше полосы Найквиста (в особенности, когда одновременно осуществляется прием множества каналов при наличии широкополосных помех), такие показатели как SNR, SFDR и ENOB являются бесполезными. Кроме того, эти показатели относятся только к синусоидальным однотонным входным сигналам, а не к широкополосным сигналам, которые присутствуют в большинстве реальных приложений. Поэтому возникает необходимость в других параметрах, которые более точно отражают характеристики АЦП в SDR-системе, используемой для приема реальных сигналов.

УВЕЛИЧЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ СЕТЕЙ 802.11n ЗА СЧЁТ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОТОКОЛА MAC. Часть 1 ПРОБИР САРКАР (PROBIR SARKAR), инженер, ARM Современный рынок требует всё больших скоростей передачи данных, осуществляемой в нелицензируемых частотных диапазонах, и развитие полупроводниковой техники дало прекрасную основу для реализации высокоскоростных беспроводный сетей. В новом стандарте 802.11n максимальная скорость передачи увеличилась более чем в 10 раз, тогда как на MAC-уровне не удалось добиться сравнимых успехов. В Части 1 описаны некоторые изменения и доработки в MAC-протоколе и их влияние на пропускную способность сетей.

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Ратификация версии 802.11n популярного стандарта беспроводных сетей представляет собой революционный шаг в развитии беспроводной связи. В новом стандарте максимальная скорость передачи была повышена до 600 Мбит/с по сравнению с 54 Мбит/с, доступной в прежней версии 802.11a,g. Это увеличение стало возможным как за счёт одновременного использования нескольких антенн, так и за счёт расширения полосы используемой частот (с 20 до 40 МГц) при одновременном увеличении эффективности использования частотного ресурса. В то время как на физическом уровне скорость передачи увеличилась более чем в 10 раз, на MAC-уровне всё обстоит не столь хорошо. Оказалось, что MAC-протокол плохо масштабируется: при использовании традиционного протокола реальное увеличение скорости передачи данных составило всего 15%, «съев» фактически всю прибавку, достигнутую на физическом уровне. В результате, в отличие от предыдущих версий стандарта, переход к использованию 802.11n потребовал существенно-

Рис. 1. Схема организации доступа к среде передачи

WWW.ELCOMDESIGN.RU

го улучшения MAC-протокола. Помимо прочего, эти доработки включали изменение схемы компоновки кадра, а также улучшение процедур формирования ответа и правил обеспечения доступа к среде. Кроме того, были добавлены некоторые изменения, относящиеся к случаю, когда первичный поток данных является однонаправленным. ОБЗОР ПРИНЦИПОВ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В ПРЕЖНИХ ВЕРСИЯХ СТАНДАРТА 802.11

Для обеспечения доступа широкого ряда устройств стандарта 802.11 к среде передачи используется метод предотвращения коллизий с множеством несущих с частотным разделением каналов (CSMA/CA). Когда устройство ведёт передачу, оно неспособно обнаружить коллизию (т.е. одновременную работу на той же частоте другого устройства). Следовательно, доступ к среде передачи должен быть организован так, чтобы минимизировать вероятность возникновения таких коллизий. При этом необходимо помнить, что в процессе передачи по беспроводному каналу,

несмотря на использование устойчивых к ошибкам методов модуляции и кодов коррекции ошибок, ошибки всё-таки возникают. Для исправления ошибок и обнаружения коллизий служит система подтверждения правильности приёма на уровне физической передачи данных. Всё это приводит к существенному расходу доступной полосы пропускания канала на передачу служебной информации уже на низшем, физическом уровне протокола передачи. На рисунке 1 показан типичный сценарий доступа к среде передачи с использованием функции распределённой координации доступа (Distributed Coordination Function, DCF), при котором устройство STA1 передаёт кадр данных устройству STA2. Сразу же после того как среда передачи освобождается, STA1 должно подождать некоторое время для того, чтобы убедиться, что последний переданный кадр больше не требует ответного кадра-подтверждения от приёмника. Этот период времени называется DIFS (DCF Interframe Space — межкадровый промежуток DCF). Затем потенциальный передатчик должен подождать ещё некоторое время, равное случайному количеству 9-мкс интервалов. Если в момент окончания ожидания в эфире передача всё ещё не ведётся, устройство может немедленно начинать передачу собственного кадра данных с соответствующим служебным оформлением. Случайность времени ожидания уменьшает вероятность возникновения коллизий при одновременном сосуществовании в радиусе действия нескольких станций, желающих получить доступ к среде передачи. При этом

дачи, результатом будет лишь пренебрежимо малое увеличение скорости передачи данных на MAC-уровне. Очевидно, что MAC-протокол слишком плохо масштабируется и должен быть усовершенствован, чтобы полностью использовать все преимущества от повышения скорости передачи на физическом уровне. Поскольку никакие фундаментальные требования к среде доступа не изменились, нельзя уйти от описанного выше механизма. Следовательно, единственным способом остаётся компенсация накладных расходов за счёт увеличения относительной доли периода, занимаемого передачей пользовательских данных. В следующем разделе мы опишем методы, с помощью которых была улучшена передача данных на физическом уровне, и затем вернёмся к MAC-уровню. УВЕЛИЧЕНИЕ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ НА ФИЗИЧЕСКОМ УРОВНЕ

Как уже говорилось, в версии 802.11n скорость передачи значительно увеличилась — с 54 Мбит/с в устройствах стандарта 802.11a/g до 600 Мбит/с. Это стало возможным за счёт применения нескольких технологий. Множество антенн: MIMO, SDM, TxBF и MRC

Одним из основных изменений, позволивших увеличить скорости передачи, стало использование как на приёмном, так и на передающем концах нескольких антенн. Стандартом 802.11n предусматривается использование конфигураций вплоть до 4×4, т.е. беспроводных каналов с четырьмя передающими и четырьмя приёмными антеннами. При правильной конфигурации антенного массива и многолучевом распространении сигнала такая

система обеспечивает многоканальную передачу с пространственным разделением каналов. В этом случае распределение битов информации по нескольким каналам обеспечивает увеличение суммарной скорости передачи. Очевидно, что такое увеличение пропорционально числу отдельных каналов. Эта технология получила наименование мультиплексирования с пространственным разделением каналов (SDM). Максимальное число независимых каналов ограничивается наименьшим числом антенн на обоих концах линии связи, т.е. если количество антенн у приёмника меньше числа антенн передатчика, именно приёмник ограничивает количество каналов связи. При этом передатчик может использовать «лишние» антенны для направления передающего луча на приёмник. Эта технология, называемая формированием передающего луча (TxBF), требует от передающей станции знаний об относительном местоположении приёмника или, точнее, канала связи с приёмником. При наличии такой информации передатчик может сконфигурировать передаваемые сигналы для фокусировки их на антеннах приёмника. Если же передатчик имеет меньше антенн, чем приёмник (такой, например, как точка доступа), то дополнительные антенны приёмника можно сконфигурировать для обеспечения лучших условий приёма. Эта технология называется конфигурированием для обеспечения наилучшего приёма (MRC). Все эти варианты технологии MIMO (Multiple Input — Multiple Output) позволяют существенно улучшить условия передачи линии связи, что ведёт к увеличению качества сигнала на входе приёмника. А такое улучшение сигнала, в свою очередь, позволяет значительно

51 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

доступ получает устройство с минимальным временем ожидания. При успешном получении кадра данных приёмная станция STA2 должна передать положительный отклик. Короткий межкадровый промежуток SIFS даёт достаточно времени приёмной станции для того, чтобы дешифровать принятые данные и начать передачу сигнала подтверждения. Получение передающей станцией такого подтверждения завершает цикл передачи кадра данных, по окончании которого все станции, собирающиеся что-либо передавать, пытаются повторить описанный сценарий. Если же сигнал подтверждения приёма не получен, то передающая станция удваивает длительность случайного периода ожидания и делает новую попытку захвата доступа к среде для повторной передачи кадра. Описанный выше механизм рассчитан на то, что все станции в радиусе действия способны принять и декодировать кадры, переданные как STA1, так и STA2, и не будут пытаться получить доступ к среде передачи во время обмена данными. Если какаялибо третья станция не обнаружит эту передачу, может возникнуть коллизия. Для уменьшения вероятности такого события передатчик первым делом пробует зарезервировать за собой среду передачи (используя кадр RTS), а приёмник должен подтвердить такое резервирование передачей кадра CTS. Постороннее устройство, способное принять и декодировать какой-либо из этих кадров, прекращает попытки получить доступ к среде до окончания резервирования, что иллюстрируется на рисунке 2. Естественно, эти дополнительные кадры также увеличивают накладные расходы протокола передачи данных. Точно так же в состав накладных расходов входит служебная информация заголовков кадров физического уровня и уровня доступа к среде. Служебная информация физического уровня служит для настройки приёмного устройства (его синхронизации во времени, управления частотой передачи и мощностью сигнала), а также для задания размера кадра данных и схемы кодирования. Заголовок кадра MAC-уровня используется для адресации и резервирования канала передачи, индикации требуемого уровня качества обслуживания (QoS) и некоторых других функций. Как видно из этих рисунков, данный механизм доступа к среде довольно неэффективен. Если повысить скорость передачи на физическом уровне, то ускорится только передача собственно данных, а т.к. она составляет только малую долю от полной длительности цикла пере-

Рис. 2. Управление доступом к среде с использованием командных кадров RTS/CTS

Электронные компоненты №10 2010

увеличить и количество независимых каналов, и скорость каждого из них. 40-МГц каналы

Ещё одним способом повышения пропускной способности стало увеличение ширины каналов связи с 20 до 40 МГц. В соответствии с последними решениями органов регулирования правил беспроводной связи, наибольшая доступная пользователям полоса частот расположена в диапазоне 5,47…5,725 ГГц, в то время как стоимость современных приёмопередатчиков для этого диапазона по сравнению с более низкочастотными увеличивается незначительно. Следовательно, удвоение доступной полосы пропускания обходится сравнительно недорого, обеспечивая в то же время более чем двукратное увеличение скорости передачи данных (т.к. количество доступных поднесущих частот в 40-МГц канале более, чем вдвое, превосходило число таковых в 20-МГц канале). Улучшение 20-МГц каналов

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Некоторые улучшения были сделаны и для обычных каналов связи с шириной 20 МГц. Так, количество поднесущих в канале стандарта 802.11n было увеличено с 48 до 52 за счёт добавления по две поднесущих частоты на каждом из краёв диапазона. Это дало примерно 8-% увеличение скорости передачи. Далее был увеличен коэффициент кодирования до 5/6, что дало примерно 11-% выигрыш по сравнению с используемым в стандартах 802.11b/g значением ¾. И, наконец, защитный интервал между символами данных OFDM был уменьшен до 0,4 мкс (с 0,8 мкс до 802.11b/g), что снизило время передачи символа с 4 до 3,6 мкс. Это дало увеличение скорости передачи ещё на 10%. В совокупности максимальная скорость передачи на физическом уровне выросла до 600 Мбит/с. Стоит отметить, что все эти изменения не уменьшили непроизводительные затраты на физическом уровне, позволив только уменьшить время передачи полезных данных. Более того, для поддержки таких нововведений необходимо было увеличить долю этих затрат. Например, для использования нескольких потоков потребовалось настроить приёмник на каждый отдельный пространственный канал передачи, что вынудило ввести в пакет дополнительные фрагменты длительностью 4 мкс перед передачей данных. Поля пакета, содержащие информацию о длине и кодировании данных текущей посылки, были дополнены кодом циклического контроля вместо простого бита контроля чётности, использовавшегося в стандарте 802.11b/g, что потребовало дополнительные 4 мкс. В то же время для

WWW.ELCOMDESIGN.RU

обеспечения обратной совместимости с устройствами прежних версий стандарта требуется передача и традиционной преамбулы. Всё это привело к увеличению длительности преамбулы кадра до 12 мкс. И, наконец, устройства нового стандарта должны тратить время на получение информации о каналах связи, необходимой для правильного формирования передающего луча. Поскольку пространственное расположение станций и условия распространения могут меняться со временем, такую переконфигурацию приходится выполнять довольно часто, обычно при каждом получении доступа к каналу. ОБЗОР УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЙ МАС-ПРОТОКОЛА

Основным способом усовершенствования MAC-протокола является распределение высоких накладных расходов на осуществление операций доступа к среде среди большего числа кадров данных. Во-первых, в новый стандарт были включены механизмы, впервые введённые в предыдущей его версии 802.11e. Хотя эти механизмы изначально ориентировались на обеспечение различным абонентам MAC-уровня разных классов QoS, они также позволяют несколько снизить избыточность при передаче данных. Для этого была введена концепция Transmit Opportunity (TxOP), суть которой состоит в том, что запрос доступа к среде передачи осуществляется на определённый промежуток времени (в отличие от традиционного запроса доступа для передачи одного кадра). При этом интервал ожидания DIFS и обратный отсчёт временных слотов требуются лишь один раз в течение периода TxOP. Другая схема предусматривает использование т.н. блочного ответа

Рис. 3. Усовершенствования MAC-протокола

(Block Acknowledgement, BA), когда подтверждение принимающей станцией формируется не в ответ на приём отдельного кадра данных, а только после приёма группы из нескольких кадров. Всё это позволяет распределить служебную информацию с одного кадра данных на несколько, что отображено в первых двух строках на рисунке 3. Помимо этого, в стандарт 802.11n были внесены дополнительные усовершенствования протокола, показанные на следующих трёх строках этого рисунка. Первое состоит в уменьшении межкадрового промежутка между несколькими последовательно передающимися кадрами. Короткий межкадровый промежуток SIFS был предназначен для того, чтобы позволить принимающей станции переключиться в режим передачи сигнала подтверждения. Поскольку при использовании блочного подтверждения передающая станция остаётся в режиме передачи в течение всего периода TxOP, межкадровый промежуток между отдельными кадрами может быть существенно сокращён. При этом для обеспечения подготовки приёмника к получению очередного кадра в последовательности используется сокращённая межкадровая пауза (RIFS). Следующим улучшением стало объединение последовательных кадров данных в потоке, что позволяет избавиться от межкадровых пауз и служебной информации физического уровня. Этот процесс называется слиянием или агрегацией кадров (Frame Aggregation) и является основным способом повышения пропускной способности. И, наконец, был исключён специальный кадр запроса подтверждения, ранее передававшийся отдельно от данных. Теперь запрос подтверждения

подразумевается неявно при каждой передаче агрегированного кадра. В следующих трёх разделах мы обсудим эти усовершенствования MAC-протокола более подробно. Слияние (агрегация)

В стандарте 802.11n используются два уровня слияния, предназначенные для увеличения размера кадра данных. На первом из них, находящемся наверху стека протоколов доступа к среде, объединяются служебные кванты данных МАС-протокола (MSDU), формируя т.н. агрегированные MSDU (A-MSDU). На втором, находящемся на дне стека протоколов, объединяются протокольные кванты данных (MPDU), давая на выходе агрегированные MPDU (A-MPDU). На рисунке 4 показано расположение этих этапов среди остальных стадий МАС-протокола. A-MSDU

Рис. 4. Агрегация в стеке MAC-алгоритма

Рис. 5. Агрегация A-MSDU

служебному кванту. Блок управления доступом к среде должен с высокой вероятностью передать этот квант на уровень управления логическим каналом соседнему устройству в пределах данного промежутка времени. Продолжение статьи см. в одном из следующих номеров журнала

53 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Кванты служебных данных МАС-протокола, относящиеся к одной категории и предназначенные одному приёмному устройству, объединяются в агрегированный квант служебных данных (A-MSDU). При этом объёдиняемые MSDU дополняются в начале заголовком подкадра, содержащим адрес приёмника, адрес источника и длину передаваемых данных, причём данные выравниваются по границе 32-битного слова. Затем подкадры объединяются и поступают на следующий уровень стека MACпротокола, как показано на рисунке 5. Процесс слияния ограничен максимальной длиной агрегированного кадра, который может обработать приёмник, и составляющей 3839…7935 байт. Эта характеристика называется информацией о возможностях гипертрассировки (HT capabilities information), которая заявляется каждой работающей станцией сети. Кроме того, ограничивающим фактором служит допустимое время жизни MSDU, присваиваемое каждому

Электронные компоненты №10 2010

Тестирование систем связи на оборудовании JFW Industries АЛЕКСЕЙ ЛЕЗИНОВ, ЮЕ-ИНТЕРНЕЙШНЛ

В статье рассказывается о возможностях приборов для тестирования и отладки систем связи американской компании JFW Industries, благодаря которым производители устройств, операторы беспроводной связи и разработчики соответствующего программного обеспечения могут в лабораторных условиях смоделировать взаимодействие компонентов системы для ее дальнейшей отладки. СИСТЕМЫ ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ HANDOVER И MIMO

Для отладки работы Handover и MIMO необходимо эмулировать работу нескольких антенн базовых станций на несколько подвижных абонентских терминалов, при этом для моделирования реальной ситуации коэффициент передачи канала между каждой антенной и каждым терминалом должен меняться по желанию оператора (см. рис. 1). Технически данная схема реализуется с помощью управляемых аттенюаторов, работающих вместе с делителями частоты. Можно рассмотреть традиционный вид системы для тестирования Handover (см. рис. 2), а также бюджетную версию LT (см. рис. 3). Если необходима система на N входов (антенн) и K выходов (абонентских терминалов), то традиционная схема

Рис. 1. Модель перемещения мобильных терминалов между базовыми станциями

54 Рис. 2. Вид традиционной системы для тестирования Handover

Рис. 3. Бюджетная версия LT

WWW.ELCOMDESIGN.RU

будет состоять из N делителей мощности с 1 на K каналов, N×K аттенюаторов и K делителей/сумматоров мощности с 1 на N каналов. Таким образом, каждый возможный канал «антенна — терминал» имеет свой собственный управляемый аттенюатор. Это хоть и приводит к удорожанию системы, но обеспечивает значительные преимущества для пользователей системы: – сигнал от конкретной антенны может быть ослаблен на разные значения для каждого из абонентских терминалов в один и тот же момент времени; – данная схема позволяет добиться максимальной изоляции между абонентскими терминалами. Бюджетный вариант схемы предусматривает K управляемых аттенюаторов и по одному делителю/сумматору мощности с K на 1 и с N на 1. Как можно заметить, LT-система содержит намного меньше компонентов и, соответственно, дешевле, чем традиционная. Данная схема позволяет получить сигнал от каждой антенны для каждого терминала в один и тот же момент времени. Основные минусы при ее использовании: – сигнал от конкретной антенны будет ослаблен на одно и то же значение для каждого терминала — нет возможности задать разные коэффициенты ослабления для разных терминалов; – изоляция между портами терминалов обычно составляет 20…25 дБ. Если требуется лучшая изоляция, необходимо использовать традиционную схему системы.

Рис. 4. Модель работы «каждый с каждым»

Аттенюаторы в данных системах могут управляться вручную с помощью клавиатуры на передней панели прибора, а также удаленно по интерфейсам Ethernet, RS232, GPIB (опционально). Управление происходит с помощью стандартных команд. Доступные в настоящее время стандартные системы для тестирования Handover (MIMO) представлены в таблице 1. СИСТЕМЫ ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКОВ

JFW Industries производит также линейку оборудования для тестирования и отладки систем связи, работающих без базовых станций по принципу «каждый с каждым» (см. рис. 4). Это оборудование позволяет в условиях лаборато-

рии эмулировать передвижение нескольких абонентских терминалов относительно друг друга, т.е. необходимо управлять коэффициентом ослабления каждым возможным каналом между абонентскими терминалами. Для реализации данной системы на N портов применяют схему из N делителей/сумматоров мощности с 1 на N–1 портов, имеющую управляемый аттенюатор на каждом из возможных каналов между приемопередатчиками (см. рис. 5). Аттенюаторы управляются независимо друг от друга вручную (с помощью клавиатуры на передней панели), а также удаленно по интерфейсам Ethernet, RS232, GPIB (опция). В некоторых случаях требуется смоделировать работу приемопередатчиков в нескольких изолированных друг от друга средах, а также смоделировать перемещение передатчика из одной среды в другую (см. рис. 6). Для этого случая может применяться система JFW Industries, имеющая изолированные друг от друга «радиооблака» (см. рис. 7) В этой схеме в качестве «радиооблаков» применяется резистивный сумматор/делитель, на который подается ослабленный с помощью управляемого аттенюатора сигнал. Управление переходом приемопередатчиков между облаками производится с помощью переключателя мощности, неиспользуемые выходы которого терминируются. Благодаря высокой изоляции выходных портов переключателей, изоляция радио и облаков друг от друга превышает 100 дБ. Доступные на данный момент стандартные системы для тестирования приемопередатчиков представлены в таблице 2.

Рис. 5. Схема системы «каждый с каждым» Таблица 1. Стандартные системы для тестирования Handover (MIMO) Код

50PA-365 50PA-366 50PA-389 50PA-392 50PA-393 50PA-411 50PA-420 50PA-560 50PA-563

Конфигурация (антенны × терминалы) 24×4 12×6 12×4 6×1 6×2 16×3 8×2 4×8

Схема

Ослабление каналов

Диапазон, ГГц

127 дБ через 1 дБ

0,8…3 0,7…3 0,8…3

Традиционная Бюджетная LC Традиционная

0,8…2,2 63 дБ через 1 дБ

Бюджетная LC

127 дБ через 1 дБ

Традиционная

Управление

ручное, Ethernet, RS232

0,8…6 0,8…2,2 0,7…3 0,8…3

Таблица 2. Стандартные системы для тестирования приемопередатчиков Код 50PMA-010 50PMA-011 50PMA-012 50PMA-015 50PMA-019 50PMA-025 50PMA-029 50PMA-030 50PMA-031

Конфигурация 9 портов 17 портов 9 портов 4 портов 11 портов 16 портов с 6 радиооблаками 8 портов с 3 радиооблаками 6 портов с 2 радиооблаками

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Ослабление каналов 127 дБ через 1 дБ 63 дБ через 1дБ 127 дБ через 1 дБ 63 дБ через 1 дБ 127 дБ через 1 дБ 63 дБ через 1 дБ

Диапазон, Ггц 0,03…0,4 0,02…0,5 2…6 1…2 0,8…3 0,03…2 DC – 2 0,2…2,5 0,03…3

Управление ручное, Ethernet ручное, Ethernet, RS232 ручное, Ethernet

ручное, Ethernet, RS232

ПРОГРАММИРУЕМЫЕ МНОГОКАНАЛЬНЫЕ АТТЕНЮАТОРЫ

В том случае если стандартные системы не подходят под требования пользователя, он может сформировать конфигурацию, оптимально подходящую для решения конкретных задач. По принципу работы приборы делятся на две основные группы: – на твердотельных элементах: плюсы: высокая скоростью переключения, высокий ресурс; минусы: относительно низкая мощность входного сигнала, не работают на постоянном токе и низких частотах. – на электромеханических переключателях: плюсы: полоса от постоянного тока до 18 ГГц, входные мощности сигнала выше, чем у твердотельных аттенюаторов; минусы: относительно низкая скорость переключения (мс), конечный ресурс. Стандартные приборы имеют 1—8 каналов и монтируются в корпуса для монтажа в стойку либо для установки на стол. Даже у аттенюаторов, построенных на твердотельных элементах, частотный диапазон достигает 3 ГГц, а в некоторых моделях — 6 ГГц, что позволяет использовать приборы для тестирования всех основных систем связи, используемых в мире. МАТРИЧНЫЕ ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ

Приборы имеют N портов на входе и K на выходе и позволяют переключить сигнал с любого входного порта на любой выходной. Матричные переключатели делятся на два типа: с блокированной матрицей (см. рис. 8) и с неблокированной матрицей (см. рис. 9). В первом случае на каждом из входных и выходных портов имеется переключатель мощности. Благодаря этому каждый входной порт может быть подключен только к одному определенному выходному и одновременно каждый выходной только к одному входному. Плюсы данной схемы: – высокая изоляция портов друг от друга, – минимальные прямые потери сигнала, – двунаправленность переключателя (выход и вход можно менять местами).

Рис. 6. Модель работы абонентских терминалов в изолированных друг от друга средах

Минусы: – применение только переключателей приводит к удорожанию системы, – данная схема не подходит, когда к одному и тому же выходу необходимо подключить сигнал из нескольких входов. Второй вариант матричного переключателя строится на делителях/сумматорах мощности на входных портах и переключателях — на выходных. Использование делителей мощности позволяет снизить стоимость устройства по сравнению с блокированной матрицей. Кроме того, этот прибор более гибок в применении, т.к. при необходимости сигнал с каждого из входных портов может быть подан одновременно на несколько выходных. Плюсы схемы: – более низкая цена; – сигнал с одного входа может быть подан на несколько выходов. Минусы: – более высокие прямые потери за счет использования делителей мощности. Доступные на данный момент стандартные матричные переключатели представлены в таблице 3. КОМАНДЫ УПРАВЛЕНИЯ

Для управления приборами по интерфейсам Ethernet и RS-232 применяется набор команд с простым синтаксисом, легким в освоении и не требующим специальных

57 Рис. 7. Схема системы «каждый с каждым» с двумя изолированными средами Таблица 3. Стандартные матричные переключатели Код 50MS-192 50MS-211 50MS-225 50MS-232 50MS-241 50MS-252 50MS-267

Конфигурация 24×3 4×8 12×10 12×4 4×96 8×8 6×2

Схема неблокированная блокированная неблокированная блокированная

Вх. мощность, Вт 0,1

неблокированная

0,1

блокированная

Диапазон, ГГц 0,8…2,4 DC – 6 0,1…1,5 DC – 4 0,7…3

Управление

ручное, Ethernet, RS232

ручное, Ethernet ручное, Ethernet, RS232 GPIB

Электронные компоненты №10 2010

Рис. 8. Схема матричного переключателя 3×3 с блокированной матрицей

знаний. Каждый прибор может иметь свой набор команд специфичных для него, базовый набор команд представлен ниже: IDN — Идентификация прибора. Пример: IDN<CR> — Идентифицировать прибор. Результат: JFW Industries, Inc., Model 50PA-374, Firmware Rev A<CR><LF> RAx — Чтение состояния аттенюатора №x Пример: RA2<CR> — Прочитать состояние аттенюатора #2 Результат: Atten #2 = 85dB<CR><LF> SAx y — Установка аттенюатора №x на значение y Пример: SA1 127<CR> — Установить ослабление аттенюатора #1 на 127 дБ RSx — Прочитать, к какому № выхода подключен переключатель № x Пример: RS1<CR> — Прочитать состояние переключателя #1. Результат: J8<CR><LF> SSx y — Установка переключателя №x в положение y Пример: SS2 5<CR> — Переключить вход переключателя #2 на выход #5 ROx — Чтение, к какому из входных портов подключен выходной порт №x Пример: RO3<CR> — Прочитать, к какому из входов подключен выход #3. Результат: J1<CR><LF>

SOx y — Переключение выходного порта №x матричного переключателя к входному порту №y. Пример: SO8 4<CR> — Переключить выходной порт #8 ко входному порту #4 RIx — Чтение, к какому из выходных портов подключен входной порт № x Пример: RI3<CR> — Прочитать, к какому из выходов подключен вход #3. Результат: J1<CR><LF> SIx y — Переключение выходного порта № x матричного переключателя к вх. порту № y Пример: SI8 4<CR> — Переключить входной порт #8 к выходному порту #4 FAx y z tM — Плавно изменить состояние аттенюатора № x из состояния y в состояние z с шагом в 1 дБ, задержка перед каждым шагом t мс. Пример: FA1 0 63 300M<CR> Изменить состояние аттенюатора 1 от 0 до 63 дБ с шагом в 1 дБ с задержкой 300 мс перед каждым шагом. VHND Av Aw Vx Vy TzM — Handover. Изменить состояние аттенюатора № v и № w с x до y для v и с y до x для w с шагом в 1 дБ с задержкой между шагами z мс. Пример: VHND A8 A15 V7 V127 T20M<CR> — Изменить состояние аттенюатора #8 с 7 до 127 дБ и аттенюатора #15 со 127 до 7 дБ. Шаг изменения 20 мс. БАЗОВОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Обычно пользователь пишет ПО под свои конкретные нужды с использованием приведенного выше стандартного набора команд. В случае, когда на это нет времени или ресурсов, базовая функциональность прибора может быть использована сразу после поставки при помощи стандартного ПО, которое позволяет визуально управлять тестовой системой и отвечает требованиям на начальном этапе работы прибора. Приложение для работы совместно с программируемыми аттенюаторами, системами для тестирования Handover и приемопередатчиков представлено на рисунке 10. Это

Рис. 9. Схема матричного переключателя 3×3 с неблокированной матрицей

Рис. 10. Стандартное ПО для управления тестовыми системами JFW

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Рис. 11. Графический интерфейс для управления Handover

приложение позволяет использовать базовые команды чтения и установки любого из аттенюаторов, поддерживает плавное изменение состояния аттенюаторов и имеет графический интерфейс, представленный на рисунке 11, для визуального отображения состояния всех аттенюаторов и автоматизации тестирования Handover. Для работы с матричными переключателями поставляется отдельное небольшое приложение, предоставляющее пользователю возможность переключить любой из входных портов прибора на любой из выходных, а также прочитать текущее состояние выбранного выходного порта (см. рис. 12). ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные приборы для тестирования и отладки систем связи являются удобным решением для операторов беспроводной связи, производителей устройств беспроводной связи и разработчиков ПО для работы с системами связи. Они позволяют в лабораторных условиях смоделировать взаимодействие компонентов системы для ее дальнейшей отладки.

ЛИТЕРАТУРА 1. W. Stallings. Wireless Communications and Networking. 2. www.jfwindustries.com. 3. www.yeint.ru.

Рис. 12. ПО для работы с матричными переключателями

НОВОСТИ БЕСПРОВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ | УТВЕРЖДЕНИЕ СТАНДАРТА 4G НЕ ЗА ГОРАМИ | Международный союз электросвязи ITU выбрал в качестве стандартов беспроводной широкополосной связи четвертого поколения (4G) две технологии: LTE-Advanced и Wireless MAN-Advanced (базируется на стандарте WiMAX). Согласно критериям, определенным рабочей группой ITU, стандартом беспроводной связи четвертого поколения могут считаться технологии, обеспечивающие пиковую скорость передачи данных 100 Мбит/с в движении и 1 Гбит/с при стационарном использовании. При этом уже развернутые или готовящиеся к скорому запуску LTE- и WiMAX-сети, которые в маркетинговых целях часто относят к 4G, не соответствуют обнародованным ITU требованиям. Их пропускная способность примерно в три раза хуже. Официально ITU может утвердить технологию LTE-Advanced в качестве стандарта сети 4G на своем собрании в ноябре, а голосование за ратификацию WirelessMAN-Advanced может состояться в следующем году. www.elcomdesign.ru | НОВОЕ РЕШЕНИЕ MOTOROLA ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ | Компания Motorola Solutions представила WiNG5 WLAN — программную архитектуру следующего поколения для точек доступа и контроллеров беспроводных локальных сетей (WLAN) стандарта 802.11n. Решение WiNG5 WLAN обеспечивает сбор информации и другие сетевые сервисы по периметру сети, помогая подразделениям повысить качество беспроводной голосовой связи, получить необходимую гибкость для развития сетевой инфраструктуры, защитить инвестиции, сократить расходы, а также обеспечить оперативную передачу данных, включая возможность видеотрансляции. Архитектура WiNG5 WLAN позволяет направлять трафик по оптимальным маршрутам, чтобы избежать формирования «узких мест». Потенциал и устойчивость сетей 802.11n повышаются также за счет интеллектуального распределения трафика и интерфейса SMART RF, обеспечивающего самостоятельное восстановление системы и повышение надежности сетевых сервисов. Кроме того, решение WiNG5 обеспечивает большую зону покрытия при меньшем количестве беспроводных контроллеров и точек доступа. Сенсоры для защиты от взлома беспроводных сетей гарантируют надежную работу сети. Кроме того, WiNG5 помогает снизить эксплуатационные расходы за счет интегрированных решений AirDefense для управления и обеспечения безопасности. Решение WiNG5 уже доступно на контроллере беспроводных сетей RFS4000 и точках доступа AP 650. В первом квартале 2011 г. WiNG5 начнут устанавливать на контроллеры RFS6000 и RFS7000 и точки доступа AP 6511, AP 7131 и AP 7181. www.elcomdesign.ru | УСТРОЙСТВА С WI-FI DIRECT ПОЯВЯТСЯ В НАЧАЛЕ 2011 г. | Пальма первенства среди беспроводных стандартов связи, бесспорно, принадлежит Wi-Fi. Данный протокол обеспечивает высокую скорость обмена данными при сравнительно невысоком энергопотреблении. Для портативных устройств одним из серьезнейших недостатков Wi-Fi является необходимость использования дополнительного оборудования — маршрутизатора либо точки доступа. В связи с этим для простых приложений, например, передачи файла, удобнее использовать Bluetooth. Организация Wi-Fi Alliance приступила к разработке более простой модификации стандарта Wi-Fi Direct. В настоящее время упрощенный протокол уже прошел процедуру утверждения. Новый протокол обеспечивает прямое соединение устройств для обмена файлами, отправки документов на печать, запуска сетевых игр и выполнения других задач. Первые устройства с Wi-Fi Direct появятся в начале 2011 г. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №10 2010

ВЛИЯНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО И СТАТИЧЕСКОГО ПОДАВЛЕНИЯ СИНФАЗНОЙ ПОМЕХИ НА ЦЕЛОСТНОСТЬ СИГНАЛА Ё СЁК БИН (YEO SIOK BEEN), менеджер по маркетингу, Avago Technologies Оптроны, которые обеспечивают надежную гальваническую развязку, позволяют защитить систему от высоковольтных выбросов напряжения, а также способны подавлять сильные синфазные переходные помехи, которые могут вызывать повышенный уровень шума в выходном сигнале. В статье обсуждаются ключевые факторы, определяющие степень подавления синфазных помех в оптронах. Статья представляет собой перевод [1].

НАЗНАЧЕНИЕ РАЗВЯЗЫВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

Развязывающее устройство используется для соединения двух электрических блоков внутри системы для того, чтобы она могла передавать сигналы без физического соединения с приемным узлом. Наиболее широко в качестве

среды для передачи сигнала в развязывающем устройстве используется свет. В этом случае в качестве устройства развязки применяется оптрон, который обеспечивает не только защиту системы от высоковольтных выбросов напряжения, но и подавление сильных синфазных переходных помех, которые могут вызвать аномальные переходные напряжения или повышенный уровень шума выходного сигнала. Ключевым параметром, который определяет качество подавления синфазных помех в развязывающем устройстве, является синфазный ток во время изменения напряжения в переходном процессе. Синфазный ток определяется из следующего выражения: ICM = C(dV/dt), где C — это паразитная емкость из-за конструктивных особенностей корпуса прибора, например, наличия выводной рамки — и емкость соединения между светодиодом и детектором, а dV/dt — скорость изменения переходного напряжения. В этом уравнении принимается, что внешние факторы, такие как топология печатной платы или размещение компонентов, оптимизированы и не вносят существенную паразитную емкость. Чтобы уменьшить синфазный ток, важно снизить эти паразитные емкости. Значительное расстояние от светодиода до фотодетектора (обычно 0,08…1 мм, как в оптроне ACPL-J313 компании Avago) минимизирует паразитную емкость и, таким образом, обеспечивает малые токи утечки во время синфазных переходных помех. Оптрон ACPL-J313 имеет также встроенный патентованный фарадеевский экран между входным светодиодом и фотодиодом для большего подавления синфазного шума.

Этот внутренний прозрачный проводящий экран обеспечивает оптическую связь с фотодиодом и в то же время отводит электрически связанный ток на общий вывод, уменьшая паразитную емкость, что, в свою очередь, ослабляет синфазные помехи оптрона. Кроме того, этот экран обеспечивает разряд накопленного на чипе детектора заряда из-за высокого синфазного напряжения, приложенного к прибору в течение длительного времени. Оптрон ACPL-J313 способен улучшить степень подавления синфазных помех на 40 кВ/мкс при 1,5-кВ синфазном напряжении. С другой стороны, в системе, где микроконтроллер существенно удален от развязывающего интерфейса и поэтому в ней имеются длинные проводники, могут возникнуть индуктивные помехи и искажения сигнала. В этом случае оптопары с непосредственным управлением, такие как ACPL-M61L, работают в качестве «естественных» фильтров. Для ограничения тока, который управляет светодиодом в оптопаре, требуется включить резистор, последовательно соединенный со входом светодиода (см. рис. 1). Вместе с внутренней входной емкостью светодиода пара «резистор–конденсатор» образует RC-фильтр нижних частот для фильтрации высокочастотных помех. СТАТИЧЕСКОЕ И ДИНАМИЧЕСКОЕ ПОДАВЛЕНИЕ СИНФАЗНЫХ ПОМЕХ

Развязывающее устройство обеспечивает как статическое, так и динамическое подавление синфазных помех. Статическое подавление синфазного сигнала — это способность ослаблять сигнал, когда вход находится в статическом состоянии высокого или низ-

Электронные компоненты №10 2010

61 С В Е ТОТ Е Х Н И К А И О П ТОЭЛ Е К Т РО Н И К А

Шум может иметь разнообразные источники. Он может возникать, например, из-за емкостной связи устройства с расположенным поблизости электростатическим полем, индуктивной связи с магнитным полем или резистивной связи вследствие разницы потенциалов земли. Для борьбы с таким видом шума в устройствах часто используется подавление синфазной помехи для ослабления сигналов, которые являются синфазными относительно входа. Это особенно важно в условиях высокого уровня помех, потому что шум проявляется как смещение на входах. Способность устройства ослаблять шум и передавать сигнал без искажений имеет ключевое значение для сохранения целостности сигнала. Важнейшими факторами, которые определяют способность устройства подавлять синфазный сигнал, являются синфазное напряжение и синфазный переходной шум. Когда напряжение синфазного шума выходит за диапазон входного сигнала интерфейса или за диапазон подавления синфазного напряжения, следует использовать гальваническую развязку. Ток переключения, который вызывает помехи по напряжению, часто генерирует синфазный переходной шум, определяемый напряжением и скоростью изменения. Чтобы входной сигнал не стал искаженным, необходимо отфильтровать как синфазный, так и переходной шум.

тов системы работает, и любой ложный сигнал, который передает система, может вызвать случайное включение или выключение устройства. Такая ситуация может привести к короткому замыканию, перегреву или выходу из строя дорогостоящих устройств, таких как электромоторы и другие агрегаты.

Рис. 1. Токоограничительный резистор R1 и входная паразитная емкость светодиода образуют фильтр низких частот, подавляющий высокочастотные помехи

б)

Рис. 2. Оптроны используют метод кодирования сигнала с запуском как по уровню (a), так и по фронту (б)

Рис. 3. Оптрон ACPL-072L может обеспечить 10-кВ/мкс динамическое подавление синфазной помехи при частоте сигнала 25 Мбит/с. Желтая линия показывает синфазный переходной процесс, а зеленая — выходной сигнал

С В Е ТОТ Е Х Н И К А И О П ТОЭЛ Е К Т РО Н И К А

кого уровня. Такая ситуация обычно происходит, когда система находится в дежурном режиме. В этом состоянии некоторые компоненты системы выключены, чтобы обеспечить снижение энергопотребления, а другие элементы включены, чтобы детектировать входные сигналы. Система должна постоянно находиться в одном и том же состоянии, независимо от наличия статического синфазного шума. Это требование гарантирует, что помехи не вызовут ложный запуск системы. В условиях динамически изменяющихся сигналов система передает сигнал, который переключается из одного логического состояния

WWW.ELCOMDESIGN.RU

в другое. Чтобы синфазный шум не смог вызывать искажений входного сигнала, система должна обеспечить фильтрацию помех с помощью динамического подавления синфазного сигнала. Обычно в системе динамическое подавление синфазных помех или переменного напряжения слабее статического подавления или постоянного напряжения, а степень подавления синфазных помех меньше при более высоких синфазных напряжениях для постоянного напряжения. Динамическое подавление синфазного сигнала обеспечивает отсутствие потерь сигналов в рабочем режиме. В таком режиме большинство компонен-

ПОДАВЛЕНИЕ СИНФАЗНЫХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ

Некоторые оптроны используют метод кодирования сигнала с запуском по уровню. При таком методе светодиод детектирует уровень прямого тока, который задает входной сигнал, и передает выходной сигнал в виде светового импульса на детектор. В отличие от данного метода, метод кодирования с запуском по фронту сигнала, реализованный в других развязывающих устройствах, генерирует небольшие импульсы напряжения во время перехода фронта входного сигнала (см. рис. 2). В схеме кодирования сигнала с запуском по уровню длительность импульсов тока или напряжения равна 100 нс, как, например, в оптроне ACPL-072L от Avago. Поэтому вероятность того, что динамические переходные помехи вызовут искажения в сигнале в такой системе меньше, чем в схеме кодирования с запуском по фронту, где длительность импульсов равна 2…3 нс. Из-за короткого времени нарастания и спада тока светодиода динамические переходные помехи, скорее всего, вызовут незначительное увеличение или уменьшение длительности импульса в схеме кодирования сигнала с запуском по уровню. А в схеме кодирования с запуском по фронту возможен пропуск импульса. Таким образом, оптроны со схемой кодирования сигнала с запуском по уровню имеют лучшее динамическое подавление синфазного сигнала. На рисунке 3 показаны возможности динамического подавления синфазного сигнала оптрона с запуском по уровню — ACPL-072L, который может обеспечить 10-кВ/мкс динамическое подавление синфазной помехи при частоте сигнала 25 Мбит/с, сохраняя при этом целостность сигнала. ЛИТЕРАТУРА 1. Yeo Siok Been. Dynamic and static CMR: impacts to signal integrity//EDN, June, 24, 2010.

ОСВЕТИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ БУДУЩЕГО МАРДЖЕРИ КОННЕР (MARGERY CONNER), технический редактор, EDN

Светодиодное освещение находится еще в младенческом возрасте со всеми присущими этому возрасту болезнями. Особенно это верно в отношении к российскому рынку. Именно поэтому мы публикуем сокращенный перевод [6], в котором анализируются конструкции серийных светодиодных светильников.

высокой яркости HB LED (0,5–1 Вт), применяемых в осветительных системах. Все ряды диодов расположены параллельно выходу источника питания, что не является идеальным вариантом для светодиодной матрицы, поскольку по мере срока службы светодиодов их параметры меняются. В массиве, подобном тому, что изображен на рисунке 5, ряд с наименьшим сопротивлением потребляет наибольший ток. За счет большего нагрева вклад этих компонентов в суммарный световой поток выше. Одной из наиболее важных характеристик источника света является ровное и однородное излучение. Схема соединения светодиодов, показанная на рисунке 5, способствует возникновению ярких пятен на общем фоне излучения. Лучшим выбором в данном случае является схема DC-драйвера для каждого ряда (см. рис. 6). Многие поставщики ИС для управления питанием создали собственные микросхемы светодиодных драйверов. Например, компания Texas Instruments разработала микросхему DSP-драйвера C2000, которая применяется в приложениях с несколькими рядами светодиодов. National Semiconductor, International Rectifier, Marvell, NXP, NEC, On Semiconductor и некоторые дру-

гие компании также предлагают светодиодные драйверы, однако в C2000 используется ядро DSP с несколькими ШИМ-выходами; один кристалл обеспечивает питание постоянным током для семи рядов светодиодов.

Рис. 1. В светодиодной лампе T8 от Alpine Electronics имеется собственный источник питания AC/DC и не используется балласт

Рис. 2. Лампа T8 компании Alpine Electronics состоит из трех рядов светодиодов

63 Рис. 3. Внутренний источник питания занимает около половины длины основания печатной платы со светодиодами. Пять электролитических конденсаторов (справа) представляют потенциальные точки отказа; их номинальные значения следует понизить, если светильник используется при достаточно высоких температурах

Рис. 4. Скрепки и перемычки, соединяющие платы

Электронные компоненты №10 2010

С В Е ТОТ Е Х Н И К А И О П ТОЭЛ Е К Т РО Н И К А

Технология светодиодного освещения еще не стала массовой. Однако первые светильники на основе твердотельных источников света (Solid State Lighting, SSL) уже поступают на магазинные полки. По этим устройствам видно, в каком направлении развивается инженерная мысль. На рисунке 1 показан светодиодный светильник T8 компании Alpine Electronics. Эта компания производит также модифицированные люминесцентные лампы без балласта. Световой поток каждой 18-Вт лампы составляет 820 лм, что соответствует почти 46 лм/Вт, или половине того, что излучает люминесцентная лампа высокого качества. Каждая трубка содержит 96 светодиодов, расположенных в три ряда (см. рис. 2), причем наружные ряды составляют источники света холодного свечения, а центральный ряд — теплого. Алюминиевые стенки имеют небольшую толщину и не обеспечивают достаточного теплоотвода. Печатная плата лишена охладителя и не отводит тепло. На рисунке 3 показан источник питания. В состав этого устройства входит несколько электролитических конденсаторов. Две скрепленные платы имеют длину 4 фута. На рисунке 4 видны скрепки, соединяющие две платы, а также перемычки, которые входят в тракт силовой шины. В спецификации заявлено, что срок службы лампы составляет 50 тыс. ч с учетом используемых электролитических конденсаторов, но эта цифра вызывает сомнения. Компоненты этой лампы обладают превосходным качеством, которое намного лучше, чем у многих других светодиодных и катоднолюминесцентных ламп (КЛЛ). Светодиоды образуют матрицу из 288 источников света, расположенных 18-ю параллельными рядами по 16 шт. в каждом. Падение напряжения на одном светодиоде составляет приблизительно 3,2 В, т.е. около 50 В на массив. В спецификации заявлено, что мощность света равна 18 Вт, поэтому каждый ряд потребляет около 1 Вт. Это значит, что на каждый диод приходится приблизительно 0,0625 Вт. Этот показатель намного меньше, чем у светодиодов

Возможно, некоторые разработчики считают, что 18 рядов компонентов следует обеспечить 18-ю контурами регулирования. Такое требование может оказаться невыполнимым, если имеются определенные ценовые ограничения. Почему бы в таком случае не избавиться от неэффективных 0,0625-Вт светодиодов и не воспользоваться компонентами мощностью в 0,5 Вт? В этом случае понадобятся лишь 36 мощных светодиодов. Однако такое решение имеет некоторые ограничения. Например, 0,5-Вт мощные светодиоды обеспечивают яркое направленное излучение, а многим потребителям не нравится такой свет.

Рис. 5. В многорядном светодиодном массиве с одним источником питания ряд с наименьшим сопротивлением потребляет наибольший ток

Кроме того, у светодиодов такой мощности имеются проблемы с рассеянием тепла. 288 светодиодов мощностью 0,0625 Вт равномернее рассеивают тепло и не требуют применения дорогостоящей платы. В рассматриваемой осветительной системе используются недорогие светодиоды, устройства по управлению питанием и яркие источники света. Однако у нее неравномерное потребление тока, поскольку светодиоды изнашиваются с разной скоростью, что влияет на качество света и надежность решения. Проблема замены люминесцентных ламп стоимостью 2 долл. светодиодными лампами Т8 в том, чтобы этот переход был оправдан с экономической точки зрения и обеспечил требуемое качество света. Несмотря на то, что цены на светодиодные светильники компании Alpine намного превышают цены на люминесцентные лампы, светодиодная продукция находит своего покупателя, в первую очередь, за счет более продолжительного срока службы в тех осветительных системам, доступ к которым затруднен по разным причинам. Трубчатые светодиодные лампы нельзя рассматривать как полноценную замену люминесцентных ламп из-за необходимости модификации прибора. В качестве примера действительной замены 40-Вт лампы накаливания можно привести светодиодную лампу EcoSmart с регулируемой яркостью свечения, недавно появившуюся

С В Е ТОТ Е Х Н И К А И О П ТОЭЛ Е К Т РО Н И К А

Рис. 6. DC-драйвер для каждого ряда светодиодов — лучшая топология для массивов

WWW.ELCOMDESIGN.RU

в американской торговой сети Home Depot [1]. Этот 8,6-Вт источник света с гарантией на 5 лет продается по цене 20 долл. Лампа излучает теплый рассеянный свет, не производит каких-либо заметных звуков при эксплуатации, имеет стеклянный корпус, а ее яркость хорошо регулируется. В состав лампы входят два светодиода, световой поток которых равен 429 лм, а мощность — 8,6 Вт (см. рис. 7). Паяное соединение — ахиллесова пята надежности светодиодных систем освещения [4]. Использование светодиодного драйвера LM3445 с высокой степенью интеграции снижает количество паяных соединений. Металлическая плата светодиодов монтируется непосредственно на ребристый металлический теплоотвод с помощью термопасты (см. рис. 8). Давайте заглянем также внутрь нового светильника от Cree — производителя светодиодных компонентов. Модуль LMR4 можно использовать в качестве стандартного блока светильника [5]. Этот модуль быстро разбирается — достаточно отвернуть несколько винтов (см. рис. 9). Все устройство заключено в большой металлический корпус. Технология смешения цветов TrueWhite компании Cree сочетает дискретные белые и красные светодиоды. Другой метод создания теплого белого светодиодного излучения заключается в сочетании нескольких источников света в одном корпусе или в выборе

Рис. 7. У светодиодной лампы EcoSmart имеется стеклянный корпус, который с трудом отделяется от основания

Рис. 8. Базовая плата светодиодов Citizen монтируется на металлический теплоотвод

самым точным прибором на свете, однако 0,56 значительно отличается от 0,8. Устранение диммера Lutron из схемы позволило увеличить коэффициент мощности до 0,91, и это значит, что тиристорная схема полностью не проводит, даже если индикатор показывает 100%. ЛИТЕРАТУРА 1. EcoSmart LED A19 40 Watt Equivalent Light Bulb, Home Depot//http://bit.ly/a0FoqS. 2. ”CITILED: The Light Engine”, Citizen Electronics//http://bit.ly/csdQhi. 3. “Triac Dimmable Offline LED Driver from the PowerWise Family”, National Semiconductor//http://bit.ly/aHfq8e. 4. Conner Margery, “Burnout: Weak links affect HB-LED lifetime,” EDN, Feb 18, 2010// http://bit.ly/dcPoId.

Рис. 9. Модуль LMR4 компании Cree быстро разбирается на составные части 5. “LM193, LM293, LM293A, LM393, LM393A, LM2903, LM2903V dual differential comparators”, Texas Instruments 2010// http://bit.ly/9MsSYY. 6. www.edn.com/article/510700 -LED_ lighting_teardowns_Five_lighting_designs_ t h a t _ i l l u m i n a t e _ t h e _ f u t u r e _ o f _ l i g h ting.php.

Электронные компоненты №10 2010

С В Е ТОТ Е Х Н И К А И О П ТОЭЛ Е К Т РО Н И К А

соответствующего люминофора. В технологии TrueWhite модуля LMR4 используются пять белых и три красных светодиода. Рядом со светодиодами находится дифференциальный компаратор 9C L2903 компании TI. Эта микросхема сравнивает ток, проходящий через основные светодиоды, и включает вторичные светодиоды для выравнивания цвета, если ток превышает максимальное пороговое значение [4]. Плата источника питания термически и электрически соединяется с подложкой с помощью адгезива. В качестве управляющей ИС выступает LM3445 компании National Semiconductor. В этом блоке также используются электролитические конденсаторы Nichicon со следующими параметрами: 22 мкФ, 200 В, 100°C. Провод питания и земляной провод образуют замкнутый контур, проходящий через большую ферритовую бусину для фильтрации шума. В спецификации Cree указано, что коэффициент мощности модуля LMR4 выше 0,80 для 120 В AC при 60 Гц и более 0,90 для 230 В АС при 50 Гц. Тестирование с помощью 20-долл. измерителя мощности Kill A Watt компании P3 International показало, что этот коэффициент равен 0,56. Разумеется, измеритель Kill A Watt нельзя считать

АРХИТЕКТУРНЫЕ ИННОВАЦИИ В МНОГОЯДЕРНЫХ ИКМ QorIQ ВЛАДИМИР ЕГОРОВ, к.т.н., в.н.с., Институт проблем информатики РАН

Статья знакомит читателей с интересными архитектурными новшествами в последних многоядерных интегрированных коммуникационных микроконтроллерах (ИКМ) семейства QorIQ компании Freescale Semiconductor.

ВВЕДЕНИЕ

Интегрированные коммуникационные микроконтроллеры, давно выпускаемые компанией Motorola и ее преемницей Freescale Semiconductor, по сей день остаются востребованными на рынке телекоммуникационной микроэлектроники и интегрированных приборов для интеллектуальной пакетной коммутации и маршрутизации. Особенно к месту они пришлись производителям оригинального оборудования OEM (Original Equipment Manufacturers). Особенность рынка OEM заключается в том, что специфическое оборудование производится небольшими сериями и обеспечить экономическую эффективность и прибыльность такого производства можно только при использовании готовых решений и устройств, легко адаптируемых под нужды конкретных заказчиков. ИКМ в полной мере отвечают этим требованиям. Удачное сочетание встроенных высокопроизводительных процессоров с гибко адаптируемыми контроллерами ввода-вывода и системными опциями, ориентированными на самый широкий спектр

приложений в области современной телекоммуникации и пакетной коммутации, позволяет создавать оригинальные системы с использованием широко распространенных современных телекоммуникационных стандартов и программировать собственные (proprietary) протоколы. ИКМ компании Freescale прошли долгий путь эволюции. Сегодня выпускаются четыре их семейства от самых первых IMP (Integrated Multi-protocol Processor) и QUICC (Quadruple Integrated Communications Controller) до современного PowerQUICC в четырех поколениях (PowerQUICC I, PowerQUICC II, PowerQUICC II Pro и PowerQUICC III) и, наконец, последнего семейства QorIQ. Любопытно, что абсолютно нигде, ни на сайте компании Freescale, ни в «Википедии», нет расшифровки этой странной аббревиатуры. Можно лишь предполагать, что буквы Q в ней как-то связаны с предтечами этого семейства QUICC и PowerQUICC, а звучание может быть схожим со словом кворум (quorum). Семейство ИКМ QorIQ — совсем молодое. Первые приборы появились на свет в 2008 г., но уже сегодня

компания Freescale предлагает в этом семействе пять базовых платформ, включающих по нескольку моделей. И если две младшие платформы P1 и P2 лишь немногими несущественными признаками отличаются от последнего поколения ИКМ семейства PowerQUICC, то благодаря трем старшим платформам — P3, P4 и P5 — разработчики компании Freescale, безусловно, сделали значительный шаг в архитектуре ИКМ и вновь подтвердили лидерство компании в этой области. Обобщенная структура трех старших платформ ИКМ семейства QorIQ показана на рисунке 1, а в таблице 1 приведены их основные характеристики. Самыми революционными и достойными отдельного рассмотрения являются четыре особенности платформ P3, P4 и P5, определяющие новые подходы компании Freescale к архитектуре современных ИКМ: – новое процессорное ядро; – встроенный гипервизор; – архитектура ускорения в путях данных; – архитектура доверия. НОВОЕ ПРОЦЕССОРНОЕ ЯДРО

МК И DSP

Рис. 1. Обобщенная структура платформ P3, P4 и P5 семейства QorIQ

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Перманентная тенденция повышения производительности процессоров за счет расширения разрядной сетки не обошла стороной ИКМ. Первое поколение ИКМ, IMP, базировалось на 16-разрядном ядре, все последующие с брендами QUICC и PowerQUICC — уже на 32-разрядных процессорных ядрах. Самое мощное из них, ядро e500, реализованное с проектными нормами 90 нм, стало основой семейства третьего поколения ИКМ в линейке PowerQUICC. Платформы ИКМ семейства QorIQ с P1 по P4 тоже имеют 32-разрядные процессорные ядра, причем в платформах P1 и P2 — это все то же ядро e500, разве что выполненное с проектными нормами 45 нм. Для платформ P3 и P4 это ядро было доработано с целью эффективного использования гипервизора в многоядерных ИКМ, вследствие чего получило шифр e500mc (e500 multicore). Однако в самой последней платформе P5

ступенными конвейерами в основном не отличается от ядра e500mc за исключением расширения машинного слова с 32 до 64 разрядов и повышения рабочей частоты с 1,5 до 2,5 ГГц, что дает в сумме более чем трехкратное повышение производительности отдельного ядра. Менее значительные особенности ядра e5500 по сравнению с ядром e500 заключаются в организации блока плавающей запятой, кэша второго уровня и поддержки гипервизора. Естественно, ядро e5500 сохраняет полную программную совместимость с ядром e500 за исключением форматов данных с плавающей запятой. Ядро e5500 поддерживает широко распространенные форматы представления чисел с плавающей запятой, соответствующие стандарту IEEE 754, включая двойную точность. Его блок плавающей запятой обеспечивает по сравнению с аналогичным блоком ядра e500 удвое-

Таблица 1. Характеристики платформ ИКМ семейства QorIQ Характеристика Процессорное ядро Разрядность Число ядер Рабочая частота, ГГц Скорость Ethernet, Гбит/с Архитектура DPAA Архитектура TA

P1 e500 32 1 или 2 до 0,8 до 1 нет нет

P2 e500 32 2 или 4 до 1,2 до 1 нет нет

P3 e500mc 32 4 до 1,5 до 10 есть есть

P4 e500mc 32 4 или 8 до 1,5 до 10 есть есть

P5 e5500 64 1 или 2 до 2,2 до 10 есть есть

ние производительности при одинарной точности и учетверение при двойной на одной и той же рабочей частоте. Новые возможности использовать не обязательно: пользователю предоставлена возможность искусственно установить традиционный 32-разрядный режим для прикладных программ, где разрядность имеет принципиальное значение, но, разумеется, с потерей свойственного новому ядру выигрыша по производительности. По сравнению с ядром e500 изменились также максимальный размер и дисциплина использования кэша второго уровня. Если в предыдущих ядрах такой кэш находился между оперативной памятью и кэшами первого уровня (frontside L2 cache) и по объему не превышал 128 Кбайт, то в ядре e5500 максимально возможный размер кэша L2 вырос до 512 Кбайт, и он был перенесен с шины памяти на отдельную шину (back-side L2 cache). Последнее позволило повысить быстродействие и снизить паразитный трафик в системе, вызванный необходимостью поддерживать когерентность кэша. Кроме того, более гибкая организация кэша L2 предоставила возможность пользователю произвольно его конфигурировать, в частности: – блокировать отдельные линейки кэша для ускорения выполнения некоторых часто повторяющихся программ-

Электронные компоненты №10 2010

67 МК И DSP

наконец появилось новое 64-разрядное ядро e5500, изначально предназначенное для мощных многоядерных ИКМ семейства QorIQ. Новое 64-разрядное ядро и вся платформа P5 ориентированы на вычислительно интенсивные приложения, такие как обработка изображений и видео или статистическая обработка больших массивов данных. И по-прежнему в центре внимания компании Freescale находятся приложения, связанные с телекоммуникацией и пакетной обработкой, где 32-разрядная сетка вносила естественное ограничение на длину адреса и, тем самым, допустимые размеры виртуальной оперативной памяти. Переход на 64-разрядное ядро позволил увеличить сквозной непрерывный объем виртуальной памяти в 16 раз — с 4 до 64 Гбайт. Архитектурно ядро e5500 с суперскалярной организацией и двумя семи-

ных действий, например, обработки прерываний; – организовывать ассоциативный кэш с восемью записями в линейке (eight-way cache); – использовать весь кэш или его части в качестве сверхбыстрой «подручной» (scratch-pad) оперативной памяти с произвольным доступом. ВСТРОЕННЫЙ ГИПЕРВИЗОР

МК И DSP

Существенным отличием ядер e500mc и e5500, безусловно, стал встроенный гипервизор с полноценной аппаратной поддержкой, что обеспечило возможность более эффективного использования многоядерных ИКМ. Многие приложения предполагают организацию на одном ИКМ нескольких относительно независимых и взаимно изолированных вычислительных доменов, в ряде случаев даже с различными операционными средами. Очевидно, что самое простое и эффективное решение в таких случаях — построение системы на основе ИКМ с многоядерным процессором. Но одной многоядерности процессора недостаточно. Между изолированными вычислительными доменами помимо распределения процессорных ядер необходимо надежно разделить массив наличной памяти и встроенный ввод-вывод. При этом механизмы разделения должны не только гарантировать взаимную изоляцию вычислительных доменов, но и обеспечить максимально эффективную работу операционных систем и всех вычислительных процессов внутри каждого отдельного домена. К типичным приложениям из области телекоммуникации, пакетной коммутации и маршрутизации, естественно воспринимающим гетерогенную мультипроцессорность и вследствие этого эффективно реализуемым на многоядерных ИКМ QorIQ, можно отнести: – программные коммутаторы пакетов (soft switches) с явно выраженными раздельными задачами коммутации (data plane) и управления (control plane); – комбинированные системы, использующие наряду с универсальной операционной средой, например Linux, оригинальные операционные системы, в частности, системы реального времени; – сложные программные комплексы, включающие либо специальное особо охраняемое, либо, наоборот, стороннее недостаточно апробированное и достоверное программное обеспечение. В многоядерных ИКМ семейства QorIQ функции разделения наличных ресурсов между вычислительными доменами выполняет встроенный гипервизор — специальная привилеги-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

рованная программа низкого уровня. Находясь «под операционной системой» домена, гипервизор предоставляет ей некую виртуальную машину с набором ресурсов, отнесенных к данному домену. Гипервизор способен параллельно управлять множеством виртуальных машин как на одном процессорном ядре, так и на нескольких ядрах. Механизм управления виртуальными машинами схож с механизмом переключения процессов операционной системой. В результате разделения каждая виртуальная машина работает независимо от других, даже не подозревая об их существовании. Поскольку гипервизор непосредственно взаимодействует с операционными системами вычислительных доменов, следует предположить, что эти операционные системы должны знать о наличии гипервизора и понимать его интерфейс. Это значит, что использование любой операционной системы в многоядерных ИКМ требует внесения в нее определенных корректив, объем и сложность которых зависят, в первую очередь, от качества реализации гипервизора. Следует отметить, что компания Freescale предоставляет версию стандартной системы Linux, работающую над гипервизором. Ряд поставщиков широко используемых операционных сред, в том числе систем реального времени, также дорабатывает свои продукты для совместной работы с гипервизором ИКМ семейства QorIQ. Гипервизор, имеющийся в многоядерных приборах QorIQ, в наибольшей степени затрагивает три архитектурных компонента процессоров ИКМ: – режимы и состояния процессора; – диспетчер памяти; – механизм прерываний. В ядрах e500mc и e5500 для гипервизора введен специальный высокопривилегированный режим и отдельный комплект критических для производительности и реактивности процессорных регистров, причем переключение на эти регистры происходит сугубо аппаратно так, что эта добавка совершенно незаметна операционной системе и прикладному ПО. Специально для гипервизора 64-разрядное ядро e5500 предусматривает, а 32-разрядное ядро e500mc дополнительно вводит пространство виртуальных адресов добавлением отдельного идентификатора логического подразделения. Кроме того, в многоядерные ИКМ семейства QorIQ включен дополнительный блок диспетчера памяти для доступа от периферии PAMU (Peripheral Access Management Unit). Это важный компонент разделения и защиты памяти за счет транс-

ляции виртуальных адресов прямого доступа в физические адреса памяти, выполняемой через программно конфигурируемые таблицы. Любое встроенное в ИКМ устройство ввода-вывода, обладающее способностью прямого доступа в память, может быть сконфигурировано для работы исключительно через PAMU. Механизм прерываний в многоядерных ИКМ семейства QorIQ устроен таким образом, что гипервизор может либо «замкнуть» некоторое прерывание на себя, либо «переключить» его на тот или другой вычислительный домен. В первом случае он оставляет контроль над данным прерыванием за собой, во втором — отдает его операционной системе домена, причем без какихлибо задержек и накладных расходов. Примером таких «переключаемых» прерываний могут быть критические, с точки зрения реактивности, системы прерывания от приданных домену сетевых интерфейсов, обрабатываемые операционной системой реального времени данного домена. Гипервизор поддерживает два механизма обслуживания программ в отдельных доменах: явный и прозрачный. Явный механизм базируется на специальных программных запросах гипервизору для выполнения определенных специфических действий. Прозрачный механизм работает так, что операционная система или прикладная программа вообще не замечают посредничества гипервизора. Например, выполнение операционной системой некоторой привилегированной инструкции вызывает прерывание процесса и переключение на гипервизор, который после соответствующего контроля может заблокировать выполнение данной инструкции или выполнить ее «от своего имени» и вернуть, если требуется, результат операционной системе. Равноправные изолированные между собой домены, тем не менее, имеют возможность обмена информацией через гипервизор. Другая интересная особенность гипервизора — возможность создавать неравноправные домены. Например, один домен может быть назначен управляющим, а другой — управляемым. При этом управляющий домен имеет возможность запускать в работу управляемый домен, останавливать его, получать доступ к его данным и реагировать на соотнесенные с ним прерывания. В результате гипервизор в ИКМ семейства QorIQ обеспечивает в комплексе: – организацию множества вычислительных доменов и разделение между ними имеющихся в ИКМ процессорных ядер и встроенных контрол-

АРХИТЕКТУРА УСКОРЕНИЯ В ПУТЯХ ДАННЫХ

Поскольку ИКМ семейства QorIQ ориентированы, в частности, на интеллектуальную высокоскоростную обработку телекоммуникационных данных, программную коммутацию (soft switching) и маршрутизацию (routing) в современных пакетных сетях, для них компания Freescale разработала специализированную фирменную архитектуру ускорения путей данных DPAA (Data Path Acceleration Architecture). При обработке пакетов DPAA затрагивает все основные компоненты ИКМ: – процессорные ядра; – интеллектуальные контроллеры ввода-вывода и сетевые интерфейсы; – аппаратные ускорители обработки пакетов; – инфраструктуру диспетчеризации внутреннего трафика, обеспечивающую эффективное движение пакетов между всеми названными выше компонентами архитектуры. В отношении процессорных ядер DPAA весьма толерантна и может быть использована как в одноядерных, так и в многоядерных ИКМ со встроенными кэшами двух уровней. Однако в последнем случае архитектура предоставляет дополнительные уникальные возможности, не типичные для универсальных многоядерных процессоров. Интеллектуальный ввод-вывод как средство выхода в пакетные сети помимо привычных в ИКМ Freescale универсальных MAC-контроллеров, поддерживающих в семействе QorIQ скорости передачи данных до 10 Гбит/с, включает такой принципиально новый компонент как диспетчер кадров FM (Frame Manager). В число «штатных» для DPAA аппаратных блоков ускорения обработки пакетов входят криптографический ускоритель SE (Secure Engine) и ускоритель распознавания образов PME (Pattern Matching Engine), в основе своей заимствованные из предыдущего семейства коммуникационных микроконтроллеров PowerQUICC. Для инфраструктуры DPAA обязательны диспетчеры буферов

BM (Buffer Manager) и очередей QM (Queue Manager) . Общее представление о взаимоотношении и взаимодействии компонентов архитектуры DPAA дает рисунок 2, на котором цветом выделены основные группы компонентов архитектуры. Несколько особняком стоит неокрашенная коммутационная структура высокоскоростного обмена данными и когерентности CoreNet. Она, строго говоря, не является компонентом DPAA, т.к. помимо ИКМ используется в большинстве многоядерных процессоров компании Freescale для обеспечения обмена данными между процессорными ядрами, оперативной памятью и периферией систем на кристалле с требуемой пропускной способностью при поддержке когерентности кэшей всех уровней. Однако без нее архитектура DPAA не только выглядела бы бессмысленной, но и оказалась просто неработоспособной. Механизм диспетчеризации пакетов в DPAA существенно отличается от такого же механизма в предыдущих семействах ИКМ. Если раньше для каждого контроллера ввода-вывода, в том числе контроллеров сетевых интерфейсов, пользователь создавал две линейные очереди, по одной на ввод и вывод, и каждая очередь контролировалась простой цепочкой описателей буферов, то в DPAA диспетчеризация пакетов более диверсифицирована и гибка. В DPAA для каждого контроллера сетевых интерфейсов может быть организовано множество приоритетных очередей на прием и передачу, причем управление очередями и буферами разделено и выполняется разными аппаратными блоками, соответственно QM и BM. Очереди не привязаны к процессорным ядрам: одно ядро может обрабатывать несколько очередей, и одна очередь может обрабатываться несколькими ядрами. Для ускорения обработки критических трафиков возможно

буферирование данных непосредственно в кэше L2. Главная отличительная черта DPAA — конвейерная обработка пакетов, причем в конвейер могут быть включены процессорное ядро или даже несколько ядер, а также аппаратные ускорители в разнообразных сочетаниях. После организации конвейера продвижение пакетов по нему выполняется аппаратурой QM и не требует оперативного вмешательства программ.

69 МК И DSP

леров ввода-вывода, а также наличной внешней памяти системы; – надежную изоляцию доменов друг от друга; – выделение двум или нескольким доменам общих разделенных ресурсов, в частности общих массивов памяти; – небольшие накладные расходы на свою работу и в пределе полное исключение потерь производительности и реактивности для критических процессов реального времени; – минимум изменений в устанавливаемых «поверх него» операционных системах.

Рис. 2. Компоненты DPAA и их взаимодействие

Электронные компоненты №10 2010

Рис. 3. Организация QM

Рис. 4. Организация FM

МК И DSP

Упрощенно организация аппаратного ускорителя QM показана на рисунке 3. Ускоритель оперирует с описателями кадров FD (Frame Descriptors). Каждый FD описывает некий блок данных, кадр или пакет, хранящийся в памяти в одном или нескольких буферах. В последнем случае к описателю привязана таблица сборки/разборки кадра. Основная структура нижнего уровня, поддерживаемая QM, это очередь кадров FQ (Frame Queue). Все кадры в одной очереди FQ обрабатываются одинаковым образом. Структура более высокого уровня — рабочая очередь WQ (Work Queue), которая образуется из очередей кадров. Все кадры в одной WQ имеют одинаковый приоритет. До восьми рабочих очередей разных приоритетов могут образовать канал, обеспечивающий определенный класс диспетчеризации и привязанный к тому или иному порталу. Порталы делятся на аппаратные, связанные с FM, SE или PME, и программные, соотнесенные с процессорными ядрами. Через свой портал соотнесенный с ним аппаратный ресурс может поставлять в QM кадры для постановки их на очередь и получать следующие, находящиеся во главе соответствующей очереди, кадры. Требования качества обслуживания поддерживаются в QM приоритетами рабочих очередей и использованием в управлении ими алгоритма взве-

Рис. 5. Процесс двухэтапной загрузки рабочего кода

WWW.ELCOMDESIGN.RU

шенного случайного раннего обнаружения WRED (Weighted Random Early Detection). Ускоритель BM работает параллельно с QM и имеет аналогичные порталы. Он поддерживает до 64 пулов буферов, причем в каждом пуле должны быть собраны буферы с идентичными характеристиками. BM аппаратно назначает и освобождает буферы и следит за заполнением пулов с динамическим порогом, имеющим гистерезис. Конвейер обработки пакетов начинается еще внутри сетевых интерфейсов, где входящие кадры и пакеты после буферирования подвергаются предварительной обработке в FM. Обработка включает разбор и анализ заголовка кадра с поддержкой сетевых протоколов L2, L3 и L4. Стандартный набор протоколов включает стек TCP/UDP/IP, но также возможно добавление пользовательских протоколов. Организация FM показана на рисунке 4. Суммарная пропускная способность FM составляет 12 Гбит/с в обоих направлениях. Основные возможности буферирования и разбора в FM: – различные методы буферирования с выбором буферов оптимального размера; – двухскоростной трехцветный полисинг с маркировкой (two-rate three-color policing and marking); – принудительное ограничение выходных потоков на сетевом интерфейсе; – метки времени по стандарту IEEE 1588; – сбор статистики RMON. Ускоритель шифрования SE имеет помимо выхода в структуру CoreNet прямые интерфейсы на QM и BM, что позволяет включать SE в аппаратный конвейер прохождения кадров и пакетов по DPAA и выполнять шиф-

рование и дешифрование пакетов «на лету», не отвлекая процессорные ядра. Ускоритель поддерживает практически все широко применяемые в телекоммуникации криптографические алгоритмы, а также выполняет ряд вспомогательных функций, таких как подсчет кодов CRC (Checksum Redundancy Code), генерацию случайных чисел и аппаратное формирование/контроль заголовков и хвостовиков пакетов широко применяемых протоколов безопасности (IPSec, 802.1ae, SSL/TLS, SRTP, 802.11i, 802.16e). Укрупненный перечень поддерживаемых в SE алгоритмов шифрования: – алгоритмы с публичным ключом (RSA, Диффи-Хеллман, эллиптические); – стандартные DESA и AESA (с ключом до 256 бит); – SHA-xx (до 512 бит); – MD5 (128 бит), HMAC; – RC4/ARC4; – Kasumi-F8/F9, A5/3, GEA-3; – SNOW 3G. Ускоритель распознавания образов PME выполняет типичные функции распознавания регулярных выражений RegEx (Regular Expressions) при суммарной пропускной способности 9,6 Гбит/с. Подобно SE, он способен встраиваться в конвейер DPAA и обрабатывать пакеты «на лету». В PME могут одновременно распознаваться до 32 K образцов длиной до 128 бит каждый. Образцы могут быть иерархически организованы в 256 наборов с 16 поднаборами в каждом. Основные особенности PME: – быстрая компиляция и наращивание базы данных; – использование ограниченных объемов системной памяти; – блокировка «взрывного» размножения образцов. В целом благодаря разумно организованному аппаратному конвейеру DPAA радикально сокращаются программные накладные расходы на обработку отдельного пакета и, соответственно, затрачиваемое на нее время. По оценкам компании Freescale, типовая обработка пакета в процессорном ядре может потребовать не более сотни инструкций. Таким образом, при рабочей частоте в 1 ГГц одно ядро способно в пределе обрабатывать до десяти миллионов пакетов в секунду. В многоядерных ИКМ эта величина кратно возрастает. АРХИТЕКТУРА ДОВЕРИЯ

В ИКМ семейства QorIQ реализована так называемая архитектура доверия TA (Trust Architecture). Она включает уникальные средства, аппаратные и программные, обеспечения информационно безопасного функционирования систем на основе

(Security Fuse Processor), который решает в ИКМ три основные задачи: – физически однократно пережигает определенные перемычки внутри кристалла ИКМ; – предоставляет прожженные данные для их использования во время процедуры начальной загрузки; – гарантированно безопасным образом доставляет установленные ключи и иную секретную информацию другим аппаратным блокам, когда система находится в рабочем режиме обеспечения безопасности. Пользователь, желающий применить TA, обязан соответствующим образом пережечь перемычки SFP. Для этого необходимо подать напряжение 1,5 В на определенный вывод ИКМ и сообщить SFP информацию прожига, записав требуемые параметры безопасности в его адресуемые регистры. Эти параметры могут в типичном случае включать единожды программируемый главный ключ OTPMK (One-time Programmable Master Key), хешированный публичный сверхкорневой ключ (Public Super Root Key) и пароль для диалога со средствами отладки. Записанные в SFP секретные данные уже не могут быть считаны или изменены. В процессе работы ИКМ встроенный в него монитор безопасности (security monitor) контролирует корректность использования при шифровании ключа OTPMK и инициализируемого случайным образом ключа ключевого шифрования KEK (Key Encryption Key). Ключи OTPMK и KEK доступны исключительно в специальном режиме безопасности, который может быть включен только после правильно выполненных этапов начальной загрузки ISBC и ESBC. Для отладки пользовательских программ, предназначенных для работы в режиме безопасности, предусмотрен специальный режим аппаратной подмены OTPMK и KEK тестовыми ключами с фиксированными значениями. В качестве компонента архитектуры безопасности может рассматриваться также встроенный в SE контролёр целостности в процессе работы RTIC (Run-time Integrity Checker), который периодически отслеживает возможные нарушения выделенной для SE системной памяти. Контроль осуществляется хешированием этой памяти на нескольких уровнях, максимально четырех, по алгоритму SHA 256. Хеш-код вырабатывается в процессе загрузки памяти. Контролёр RTIC запускается как фоновая программа специальным таймером и периодически производит проверку памяти. В последние ИКМ семейства QorIQ помимо OTPMK был введен дополнительный обнуляемый секретный ключ

ZSK (Zeroizable Secret Key) с батарейным питанием. В отличие от OTPMK, который блокируется при любых нарушениях безопасности, но вновь становится доступным после успешной начальной загрузки ESBC и при переходе системы в рабочий безопасный режим, ключ ZSK исчезает и больше никогда не восстанавливается, делая тем самым невозможным дальнейшее функционирование системы. Отдельное батарейное питание позволяет обнаруживать вторичные попытки внешнего вмешательства даже при выключенном основном питании ИКМ. В целом TA позволяет предотвратить любые попытки несанкционированного изменения сертифицированного безопасного ПО на всех уровнях и надежно защитить от похищения пользовательские данные, файлы, пароли, ключи шифрования и другую конфиденциальную и секретную информацию. Кратковременная защита текущей информации, например IP-пакетов по протоколу IPSec, может осуществляться с использованием ключей KEK, при этом ключи генерируются и сохраняются в пределах SE внутри ИКМ и никоим образом не могут быть извлечены оттуда и похищены. Для защиты долговременно хранимой информации предусмотрен ключ OTPMK, однократно устанавливаемый первичным пользователем путем прожига перемычек в SFP, т.е. также внутри ИКМ и, следовательно, тоже не доступный извне. Особо секретная информация может быть защищена ключом ZSK. Весьма существенно, что TA делает первичного пользователя более независимым, с одной стороны, от изготовителя ИКМ, т.е. компании Freescale, а, с другой стороны, от вторичных пользователей систем OEM, построенных на основе ИКМ семейства QorIQ. Автором уже не раз отмечались преимущества использования ИКМ в отечественных разработках аппаратуры пакетной коммутации и маршрутизации. И появление ИКМ семейства QorIQ, несомненно, дает дополнительный толчок к их использованию в России. ЛИТЕРАТУРА 1. В. Егоров. Интегрированные коммуникационные процессоры компании Freescale Semiconductor//Электронные компоненты. №8. 2007. 2. В. Егоров. Интегрированные коммуникационные микроконтроллеры Freescale Semiconductor: из прошлого в будущее//Электронные компоненты. №7. 2008. 3. В. Егоров. Многоядерные интегрированные сетевые процессоры высокой пропускной способности//Электронные компоненты. №7. 2009.

Электронные компоненты №10 2010

72 МК И DSP

таких ИКМ. Безопасное функционирование подразумевает защиту системы от различных угроз, поддержание ее целостности, конфиденциальность пользовательских данных и аутентификацию системных средств, таких как конфигурационные данные или криптографические ключи, а также защиту системного и прикладного ПО. TA способна решать следующие задачи обеспечения безопасности в системе: – обнаружение неавторизованных изменений ПО или системной конфигурации и аппаратный запрет использования неавторизованно измененных компонентов; – защиту от похищения конфиденциальных программ, установленных частных или сессионных ключей, равно как и прочих секретных данных; – взаимную изоляцию вычислительных доменов друг от друга; – запрет исполнения программ из областей данных. Все средства TA по умолчанию не активированы, и приложение, не требующее специальных мер обеспечения безопасности, может их просто игнорировать, хотя даже полномасштабное задействование таких средств в очень небольшой степени влияет на время разработки и создания информационно безопасных систем. В ИКМ семейства QorIQ предусмотрена внутренняя, недоступная извне постоянная память, в которой хранится безопасный начальный загрузчик ISBC (Internal Secure Boot Code). Этот загрузчик предельно прост, и его основная функция заключается в удостоверении возможности следующего этапа загрузки проверкой сигнатуры внешнего пользовательского безопасного загрузчика ESBC (External Secure Boot Code). Корректность загружаемого кода удостоверяется специальной «подписью» первичного разработчика ПО с использованием алгоритма хеширования SHA 256. На рисунке 5 проиллюстрирован процесс двухэтапной загрузки рабочего кода для последующей работы в режиме безопасности. В типичном случае в качестве первичного разработчика ПО выступает изготовитель оборудования OEM. В удостоверяемый его «подписью» загрузчик ESBC входят как собственно выполняемые программы, так и различного рода информация о конфигурации аппаратуры и ПО. «Подпись» первичного разработчика исключает возможность несанкционированной подмены внешнего загрузчика, например, заменой микросхемы полупостоянной памяти в устройстве вне ИКМ. Внутренняя недоступная извне постоянная память обслуживается процессором прожига безопасности SFP

ИС ИНТЕРФЕЙСНЫХ ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКОВ С УСТОЙЧИВОСТЬЮ К СТАТИЧЕСКОМУ ЭЛЕКТРИЧЕСТВУ НА УРОВНЕ 15 кВ ВЛАДИМИР ТРАСКОВСКИЙ, вед. конструктор отдела филиала, НТЦ «Белмикросистемы», ОАО «Интеграл» ОЛЕГ РУКАЛЬ, инженер-разработчик, филиал НТЦ «Белмикросистемы», ОАО«Интеграл»

В статье рассказывается о назначении, основных параметрах и особенностях применения интегральных микросхем (ИС) интерфейсных приемопередатчиков ILX3085E (стандарты RS-485 и RS-422), ILX3232E и ILX3221E (стандарт RS-232) с устойчивостью к статическому электричеству на уровне 15 кВ. ILX3221, а также в новой разработке — микросхеме ILX3085E. И на этих трех микросхемах также была достигнута устойчивость к статическому электричеству 15 кВ. В соответствии с общепринятой мировой классификацией, на уровень устойчивости к статистическому заряду 15 кВ указывает индекс «Е» в маркировке микросхем: ILX3085E, ILX3232E и ILX3221E. Испытания на уровень устойчивости к статическому электричеству проводились по модели человеческого тела для выводов стандартов RS-485, RS-422 и RS-232 относительно вывода источника напряжения питания и относительно общего вывода. Схема стенда для испытаний приведена на рисунке 1, где UЭСР — напряжение электростатического разряда. ИС ILX3085E является интерфейсным приемопередатчиком стандартов RS-485, RS-422. Эта микросхема предназначена для применения в телекоммуникационных системах, трансляторах уровня, приемопередающих устройствах с жесткими требованиями к уровню шума, системах управления промышленными объектами. Микросхема обеспечивают надежную передачу данных на фоне высокого уровня помех при работе с линией на основе витой пары, длина которой может достигать 1200 м.

ИС ILX3085E состоит из 1 передатчика и 1 приемника. Входы приемника электрически соединены с выходами передатчика, что обеспечивает полудуплексный режим передачи информации, а также уменьшает количество выводов корпуса. Входное сопротивление приемника составляет не менее 96 кОм, что позволяет работать с 256 абонентами на линии. Максимальная скорость передачи данных составляет не менее 500 Кбит/с. Блок-схема ИС ILX3085E приведена на рисунке 2. Назначение выводов указано в таблице 1.

Рис. 1. Схема стенда для испытаний ИС на устойчивость к статическому электричеству на уровне до 15 кВ

Таблица 1. Назначения выводов микросхемы ILX3085Е Номер вывода 01 02 03 04 05 06 07 08

Наименование вывода Выход приемника Вход разрешения (низкий уровень) выхода приемника Вход разрешения выхода передатчика Вход передатчика Общий вывод Неинверсный вход (выход) приемника (передатчика) Инверсный вход (выход) приемника (передатчика) Вывод питания от источника напряжения

Обозначение RO RE DE DI GND А В UCC

73 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

Получение данных от множества удаленных друг от друга источников и их дальнейшая обработка управляющим центром — актуальная потребность для многих специалистов. Средой для передачи цифровой информации служит двунаправленный интерфейс, обеспечивающий высокую скорость передачи данных на значительном удалении модулей друг от друга. Широкое распространение получили последовательные интерфейсы стандартов RS-485, RS-422 и RS-232. Особым требованием к микросхемам приемопередатчиков данных стандартов является уровень устойчивости к статическому электричеству. В ОАО «Интеграл» были разработаны и освоены ИС интерфейсных приемопередатчиков ILX3085E (стандарты RS-485 и RS-422), ILX3232E и ILX3221E (стандарт RS-232) с устойчивостью к статическому электричеству на уровне 15 кВ. Но прежде на предприятии были сконструированы устойчивые к такому же уровню статического электричества входные/ выходные порты интерфейсных ИС стандартов RS-485, RS-422 и RS-232, а затем и разработана технология их изготовления. После положительных результатов испытаний конструкции данных входных/выходных портов были использованы в серийно освоенных в 2008 г. микросхемах ILX3232 и

Рис. 2. Блок-схема ИС ILX3085Е

Электронные компоненты №10 2010

Рис. 3. Блок-схема ИС ILX3232Е Таблица 2. Назначение выводов ИС ILX3232Е Номер вывода 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

Наименование вывода Вывод внешней емкости блока умножения положительного напряжения Выход положительного напряжения блока умножения Вывод внешней емкости блока умножения положительного напряжения Вывод внешней емкости блока умножения отрицательного напряжения Вывод внешней емкости блока умножения отрицательного напряжения Выход отрицательного напряжения блока умножения Выход данных передатчика (уровни RS-232) Вход данных приемника (уровни RS-232) Выход данных приемника (уровни ТТЛ/КМОП) Вход данных передатчика (уровни ТТЛ/КМОП) Вход данных передатчика (уровни ТТЛ/КМОП) Выход данных приемника (уровни ТТЛ/КМОП) Вход данных приемника (уровни RS-232) Выход данных передатчика (уровни RS-232) Общий вывод Вывод питания от источника напряжения

Передатчик ИС ILX3085Е содержит встроенные блоки формирования выходных фронтов с определенной длительностью, что позволяет снизить уровень помех, излучаемых приемопередающим устройством, амплитуду отраженного сигнала от оконечной нагрузки линии, обеспечивая высокую степень безошибочной работы в режиме передачи информации. Микросхема ILX3085Е имеет несколько уровней защиты от перегрузки мощного выходного каскада в случае появления сильной помехи в линии. При увеличении напряжения в линии нагрузочная способность выходного каскада снижается, уменьшая мощность, рассеиваемую микросхемой. В случае действия более сильной помехи в диапазоне: –7…12 В срабатывает блок защиты кристалла от перегрева на основе встроенного температурного датчика, переключающий выхо-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Обозначение C1+ V+ C1C2+ C2VT2OUT R2IN R2OUT T2IN T1IN R1OUT R1IN T1OUT GND UCC

ды передатчика в высокоимпедансное третье состояние с минимальной рассеиваемой мощностью. По окончании действия помехи температура микросхемы снижается, и она автоматически переходит в нормальный режим работы. Конструкция микросхемы ILX3085Е обеспечивает уровень логической «1» на выходе приемника, если состояние линии не определено, при этом входы приемника находятся в режиме холостого хода. Нормальная работа микросхемы в случае приема сигналов с пологими фронтами обеспечивается введением асимметрии в дифференциальный усилитель с гистерезисом 25 мВ. В микросхеме ILX3085Е предусмотрена возможность переключения в режим с пониженным энергопотреблением, ток потребления в котором не превышает 10 мкА. Режим перевода

ИС в состояние с пониженным энергопотреблением реализуется только при одновременном переключении приемника и передатчика в третье состояние (на входе разрешения выхода приемника RE — высокий уровень; на входе разрешения выхода передатчика DE — низкий уровень сигнала) через определенное время удержания, оговоренное спецификацией. Задержка включения режима пониженного энергопотребления связана с необходимостью увеличения динамической помехоустойчивости микросхем в случаях, когда или выход приемника, или выход передатчика находятся в третьем состоянии. Если входы RE и DE находятся в состоянии запрещения выходов менее 50 нс, то переключения в режим пониженного энергопотребления не происходит. Если входы RE и DE находятся в состоянии запрещения выходов в диапазоне 50…600 нс, ИС переключается в режим пониженного энергопотребления. При нормальной работе микросхемы во всех режимах, предусмотренных спецификацией, в случае подачи внешнего напряжения на выходы передатчика выше напряжения питания или ниже уровня потенциала общей шины включатся специальные блоки управления. На входы (выходы) приемника (передатчика) допускается подача напряжения смещения в диапазоне –7…12 В в предельно-допустимом режиме и –13…13 В — в предельном режиме. На этих уровнях синфазной помехи приемник микросхемы надежно детектирует дифференциальный сигнал с минимальной разностью потенциалов –200 мВ (для логического «0» на выходе) и –50 мВ (для логической «1» на выходе). Конструктивно микросхема LX3085Е выполнена в 8-выводном DIP-корпусе MS-001BA. Микросхемы ILX3232Е и ILX3221Е являются интерфейсными приемопередатчиками стандарта RS-232. Они предназначены для применения в современных высокопроизводительных вычислительных системах, быстродействующих электронных устройствах с высокой надежностью обмена информацией между удаленными объектами. Сигналы с уровнями ТТЛ/КМОП поступают на вход передатчика, преобразуются внутри микросхем в уровни RS-232 (минимум –5…5 В) и поступают в длинную однопроводную линию. На входе приемника сигналы стандарта RS-232 детектируются, а затем происходит обратное преобразование в уровни ТТЛ/КМОП. Высокие уровни напряжения, соответствующие стандарту RS-232, формируются в блоке умножения напряжения. Для умножения напряжения используются четы-

Рис. 4. Блок-схема ИС ILX3221Е Таблица 3. Назначение выводов ИС ILX3221Е Номер вывода 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Наименование вывода Вход разрешения выхода приемника Вывод внешней емкости блока умножения положительного напряжения Выход положительного напряжения блока умножения Вывод внешней емкости блока умножения положительного напряжения Вывод внешней емкости блока умножения отрицательного напряжения Вывод внешней емкости блока умножения отрицательного напряжения Выход отрицательного напряжения блока умножения Вход данных приемника (уровни RS-232) Выход данных приемника (уровни ТТЛ/КМОП) Выход детектора активного уровня входа приемника Вход данных передатчика (уровни ТТЛ/КМОП) Вход управления режимом AutoShutdown (разрешает работу ИС) Выход данных передатчика (уровни RS-232) Общий вывод Вывод питания от источника напряжения Вход управления режимом AutoShutdown (переводит ИС в режим пониженного энергопотребления – Shutdown)

энергопотребления. Если на входах 12 и 16 подан высокий уровень сигнала, микросхема находится в режиме без функции пониженного энергопотребления; если на входе 16 — низкий уровень, независимо от состояния на остальных входах, микросхема выключается (принудительный режим пониженного энергопотребления). Если на входе 12 — низкий уровень, на входе 16 — высокий, а сигнал на входе приемника находится в диапазо-

Обозначение EN C1+ V+ C1C2+ C2VRIN ROUT INVALID TIN FORCEON TOUT GND UCC FORCEOFF

не –0,3…0,3 В, то в таком случае через 30 мкс после переключения сигнала в эту область микросхема автоматически переходит в режим пониженного энергопотребления. Ток потребления при этом уменьшается до 10 мкА. Конструктивно микросхемы ILX3232Е и ILX3221Е выполнены в 16-выводном DIP-корпусе MS–001BB, и в процессе работы они требуют подключения четырех внешних конденсаторов емкостью 0,1 мкФ.

Электронные компоненты №10 2010

75 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

ре внешних конденсатора емкостью 0,1 мкФ. Микросхема ILX3232Е состоит из двух передатчиков и двух приемников последовательных данных стандарта RS-232. Блок-схема ИС приведена на рисунке 3. Назначение выводов микросхемы ILX3232Е приведено в таблице 2. Микросхема ILX3221Е состоит из одного передатчика и одного приемника последовательных данных стандарта RS-232. Блок-схема ИС приведена на рисунке 4. Назначение выводов микросхемы ILX3221Е приведено в таблице 3. Входы передатчиков и приемников ИС ILX3232Е и ILX3221Е содержат схему триггера Шмитта для обеспечения необходимой помехозащищенности. Выходные цепи передатчика построены по схеме превышения по выходу. Благодаря этому в предельном режиме к выходу передатчика может прикладываться внешнее напряжение 13,2 В. Выходные уровни напряжения передатчиков ИС ILX3232Е и ILX3221Е формируются внутренним блоком умножения, к выводам которого подключены четыре навесные емкости номиналом 0,1 мкФ. Схема блока умножения напряжения содержит генератор парафазных импульсов, формирующий сигналы управления с частотой 450 кГц, которые поступают на вход транслятора уровня для преобразования в сигналы управления мощными выходными транзисторами заряда внешних емкостей. За два такта сигнала генератора происходит заряд внешних емкостей и умножение напряжения. Для быстрого заряда больших по номиналу внешних емкостей после включения источника напряжения питания, а также для обеспечения требуемой нагрузочной способности выходов передатчиков в случае их одновременной работы в блоке умножения используются мощные выходные транзисторы. Важным функциональным блоком микросхем ILX3232Е и ILX3221Е является блок отключения схемы умножения напряжения. При достижении напряжения на выводе V+ значений в диапазоне 5,1…5,3 В и при достижении напряжения на выводе V– значений в диапазоне –5,3…–5,1 В блок умножения напряжения выключается. Благодаря этому ток потребления микросхем уменьшается с 7…8 мА до 200…250 мкА. В микросхеме ILX3221Е предусмотрен перевод в режим пониженного

Аудио DSP своими руками ГАРРИ БАГГЕН (HARRY BAGGEN), инженер, Elektor

В статье описаны цифровые модули компании miniDSP для аудиоприложений.

На рынке представлено не так много систем, позволяющих радиолюбителям, не имеющим большого опыта работы с цифровой электроникой, создавать цифровые звуковые устройства. Небольшая компания miniDSP предлагает гибкие и доступные цифровые звуковые устройства для профессионалов и любителей. Цель производителя — максимально облегчить программирование сигнального процессора, и ему это удалось — достаточно выбрать нужные функции и свойства из списка и ввести требуемые параметры. Основа аудиосистемы — плата miniDSP, содержащая сигнальный процессор и набор разъемов для подключения внешних устройств и ПК. Плата miniDIGI предназначена для работы с цифровыми сигналами ввода-вывода и содержит порты для цифровых входных и выходных сигналов. Последняя плата серии — miniAMP, на которой расположено четыре цифровых силовых каскада. Все платы имеют одинаковый размер 7,5×7,5 см и такое расположение портов, чтобы их было удобно соединять друг с другом. Пример плат показан на рисунке 1. Функционал сигнального процессора определяется набором плагинов. В настоящее время имеются плагины для двух- и четырехполосных разделитель-

П О С Л Е РА Б О Т Ы

Рис. 1. Внешний вид платы miniDSP

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ных фильтров с эквалайзером, а также для смесителя с графическим эквалайзером. Плагины запускаются через программу Adobe Air. ОПИСАНИЕ

Центральный элемент платы miniDSP — звуковой процессор ADAU1701 компании Analog Devices. Большая часть вычислений проводится с двойной точностью в 56-разрядном режиме. Данная ИС также содержит 24-разрядные сигмадельта АЦП и ЦАП, имеющие широкий динамический диапазон. При желании можно подключить внешние преобразователи через интерфейс I2S. Для минимального воздействия на аналоговый сигнал в схеме используются электролитические конденсаторы производства Nichicon, предназначенные для профессионального звукового оборудования. На плате имеется модуль EEPROM для хранения программного кода и микроконтроллер РIC18F14K50, отвечающий за обмен между ПК и сигнальным процессором. Подключение к miniDSP внешних аудиоустройств осуществляется через разъемы RCA. Кроме того, на каждой стороне паты имеются разъемы для выведения сигналов на другие платы. Для регулировки громкости предусмотрена возможность подключения потенциометра. Вторая плата, miniDIGI, используется при работе с цифровыми сигналами, например при подаче на miniDSP цифрового выходного сигнала CD-плеера для дальнейшей обработки. На miniDIGI имеются коаксиальные и цифровые разъемы. Плата выпускается в двух вариантах: с гальванической развязкой коаксиальных контактов и без нее. Главный элемент на этой плате — преобразователь частоты дискретизации SRC43821 производства Texas Instruments. Он преобразует частоту дискретизации, достигающую 216 кГц, в 48 кГц — рабочую частоту сигнального процессора на miniDSP. Разъемы для входного и выходного сигнала выбираются с помощью перемычек. Плата может использоваться для снижения

уровня шумов во входном сигнале S/PDIF. Плата miniAMP содержит 4 цифровых усилителя, которые можно подключить по мостовой схеме для получения стереозвука с более высокой выходной мощностью. На плате установлен усилитель мощности TAS5704 (Texas Instruments), обеспечивающий мощность 4×10 Вт при нагрузке 4 Ом или 2×20 Вт при нагрузке 8 Ом. Усилитель относится к классу D, поэтому обладает высокой эффективностью (90%) и для его охлаждения достаточно использовать небольшой теплоотвод. Электролитические конденсаторы также могут быть подключены с помощью перемычек. Выходной аудиосигнал УМ имеет цифровую форму, поэтому отсутствует необходимость использовать ЦАП. Подача питания на плату miniDSP осуществляется с помощью разъема USB. Платы miniDIGI и miniAMP содержат стандартные разъемы для подключения адаптера сетевого питания. Для плат miniDSP и miniDIGI требуется напряжение питания 4,5…24 В, а miniAMP требует 12…24 В. ПОДКЛЮЧЕНИЕ И ТЕСТИРОВАНИЕ

В качестве примера работы с платами рассмотрим создание двухполосового разделительного фильтра со встроенными параметрическими эквалайзерами. Для этого проекта потребуются все три платы. Выберем диапазон входных сигналов miniDSP 2 В, чтобы выходной сигнал CD-плеера можно было подключать напрямую. Необходимо подать питание и установить перемычки в нужных местах на всех платах. Для справки можно воспользоваться материалами сайта производителя, где помимо технической документации можно найти примеры устройств. Подключим питание 24 В через адаптер от сети. Для проверки воздействия сигнального процессора на аналоговый сигнал отключим все фильтры. Искажения сигнала оказались очень малыми, порядка 0,005% на 1 кГц. АЦП также практически не вносят помех. Отношение сигнал/шум превышает 90 дБ, что соответствует заявлен-

ПРОГРАММНЫЙ КОД

Для работы с платами необходимо установить на ПК находящуюся в свободном доступе программу Adobe Air и загрузить плагин разделительного фильтра с сайта компании miniDSP. При запуске программы в диалоговом окне на вкладке Audio Settings («Настройка звука») показана блоксхема программной части устройства. На вкладке System Settings («Настройка системы») содержатся общие настройки, такие как тип входных сигналов (аналоговый или цифровой), активация внешней регулировки громкости, сохранение и загрузка конфигураций в формате .xml. При проектировании раздели-

тельного фильтра в первом разделе задается затухание входного сигнала. То же самое делается для параметрического эквалайзера для каждого канала. Всего может быть до 6 настроек. Далее для каждого канала задается частота разделения, тип фильтра и наклон АЧХ. В настоящее время в библиотеке содержатся фильтр Бесселя, фазовый фильтр ЛинквитцаРэйли с бесконечной импульсной характеристикой (12, 24 и 48 дБ/октава) и Баттерворда (6…48 дБ/октава). Каждый фильтр можно сделать полосовым, например чтобы защитить небольшой вуфер от компонент со слишком низкими частотами или использовать двухполосовую систему с готовым активным сабвуфером. В этом разделе также можно задать параметры эквалайзера для каждого канала. В последнем разделе устанавливается коэффициент ослабления и временная задержка для каждого канала. Последняя особенно важна для фильтра Линквитца-Рэйли, поскольку акустические центры динамиков для нижних и верхних частот должны находиться строго друг над другом. После установки всех настроек необходимо нажать на кнопку синхронизации, чтобы передать их на плату miniDSP по USB-интерфейсу.

Программное обеспечение для сигнального процессора при этом обновляется автоматически. После синхронизации работы все изменения сразу пересылаются на плату. Такое «живое» соединение очень удобно для экспериментов или наладки. Так, можно регулировать параметры эквалайзера прямо во время звучания музыки и т.д. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для работы с платами не требуется навыков работы с сигнальными процессорами. Удобно и быстро менять параметры звучания «на лету», без специальных программаторов и ПО. Заметим, что стоимость платы miniDSP составляет всего 99 долл., а плагина — 10 долл. Таким образом, это простое и недорогое решение для радиолюбителя. По вопросам приобретения образцов или сотрудничества с Elektor обращайтесь к Антону Денисову: anton@elcp.ru, тел.: (495) 741-77-01. Оформить бесплатную еженедельную подписку на новостную рассылку от издания Elektor можно на сайте www.elektor.com.

Электронные компоненты №10 2010

77 П О С Л Е РА Б О Т Ы

ным техническим характеристикам ADAU1701. Рабочая частота усилителя класса D на плате miniAMP составляет примерно 400 кГц. Гармонические искажения в несимметричной схеме составляют примерно 0,07% на 100 Гц и 1 кГц/1 Вт/ 8 Ом. Выходная мощность при суммарном коэффициенте нелинейных искажений 1% и напряжении питания 24 В составляет 14,5 Вт при нагрузке 4 Ом или 8 Вт при нагрузке 8 Ом. Это очень близко к спецификации Texas Instruments.

Новые компоненты на российском рынке ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ Компьютер от Avalue в корпусе из нержавеющей стали с защитой по IP-65

Компания Avalue предлагает специализированный панельный компьютер с 15-дюймовым экраном и корпусом из нержавеющей стали с защитой по IP-65. Компьютер предназначен для применения в условиях воздействия агрессивных сред, например, в химической и пищевой промышленности.

Создание данного компьютера стало возможным благодаря использованию собственных разработок компании Avalue на основе требований заказчиков. Этот компьютер представляет собой абсолютно новую модель с корпусом, полностью выполненным из нержавеющей стали и алюминия. Класс защиты IP-65 означает полную защиту от проникновения пыли внутрь корпуса и защиту от сильных струй воды с расстояния нескольких метров. Этому классу защиты соответствуют и все разъемы внешних интерфейсов компьютера, в том числе USB, COM, Ethernet и шина питания. Основные характеристики панельного компьютера. – Процессор Intel Atom Dual Core 1,6 ГГц со встроенной памятью 1 Гб DDR2: безвентиляторное решение. – Специальное стекло с защитой от механических повреждений. – Защищенное исполнение: устойчивость к вибрации, ударам, пыли, кислотным и щелочным средам. – Возможность автоматического включения (функция доступна путем настройки BIOS). Аvalue www.avalue.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

Новые панельные компьютеры серии FPC от Avalue

Новые модели панельных компьютеров серии FPC компании Avalue отличаются увеличенными размерами диагонали экрана (18 и 21 дюйм), а также более компактным корпусом. Как и все модели серии, новые компьютеры будут базироваться на 945/965 чипсетах и процессорах из перспективного семейства компании Intel. Это мощные процессоры, рассчитанные на работу под управлением таких ресурсоемких операционных систем как Windows XP, Windows 7, с приложениями, подобными системе Master-SCADA или другим ресурсоемким SCADAсистемам. Компания «Элтех» рекомендует пользователям такую систему, как OpenSCADA, работающую под управлением

Linux. В этом случае существенно снижаются затраты на программное обеспечение и систему в целом. Подробную информацию по установке OpenSCADA на компьютеры Avalue можно найти в альманахе «Мир электронных компонентов» 3/2010 компании «Элтех». В ближайшее время на складе компании «Элтех» появятся следующие модели компьютеров. FPC-17: – Размер экрана 17” 4:3, разрешение экрана 1366×768, яркость 350 кд/м2, контрастность 1000:1. – HDD, RAM до 4 Гбайт, 3COM, 5 USB, VGA, DVI, 2×1 Гбит Ethernet. – Процессор Celeron, Core Duo, Core 2 Duo. FPC-18: – Размер экрана 18,5” 16:9, разрешение экрана 1366×768, яркость 300 кд/м2, контрастность 1000:1. – HDD, RAM до 4 Гбайт, 3COM, 5 USB, VGA, DVI, 2×1 Гбит Ethernet. – Процессор Celeron, Core Duo, Core 2 Duo. FPC-21: – Размер экрана 21” 16:9, разрешение экрана FULL HD 1920×1080, яркость 350 кд/м2, контрастность 1000:1. – HDD, RAM до 4 Гбайт, 3COM, 5 USB, VGA, DVI, 2×1 Гбит Ethernet. – Процессор Celeron, Core Duo, Core 2 Duo. Аvalue www.avalue.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Модули электропитания серии МДМЕП с приемкой «5» от «Александер Электрик ИЭП»

ООО «Александер Электрик Источники Электропитания» под контролем военного представительства начало производство опытных образцов модулей электропитания серии МДМ-ЕП с приемкой «5». Главной особенностью модулей серии МДМ-ЕП является расширенный диапазон входных напряжений: 9…42 В и 18…72 В. Рабочая температура корпуса находится в интервале –60…115°С. В настоящее время серия МДМ-ЕП включает в себя модули мощностью 5, 10 и 20 Вт с выходными напряжениями в интервале от 3 до 80 В. Модули электропитания мощностью 10 и 20 Вт производятся в одно- и двухканальном исполнении. Обладая высокой надежностью, модули серии МДМ-ЕП снабжены защитой от перегрузки и перенапряжения, тепловой защитой, возможностью дистанционного включения и подстройкой выходного напряжения. ООО «Александер Электрик ИЭП» www.aeip.ru

Дополнительная информация: см. «Александер Электрик Источники Электропитания», ООО

КВАРЦЕВЫЕ ПРИБОРЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ Новый прецизионный малошумящий кварцевый генератор от ОАО «Морион»

ОАО «Морион» (Санкт-Петербург) представляет прецизионный малошумящий экономичный по потреблению кварцевый генератор ГК54М-ТС.

Электронные компоненты №10 2010

ГК54М-ТС представляет собой прибор, который является существенно модернизированной версией генератора ГК54-ТС, широко известного и хорошо себя зарекомендовавшего в широком спектре специальных применений, в том числе космических. ГК54М-ТС по всем характеристикам полностью заменяет ГК54-ТС, обладая при этом целым рядом существенных преимуществ. Так, ГК54М-ТС доступен к поставке в малошумящем исполнении (опция «МШ»): гарантированный уровень фазовых шумов для 5 МГц составляет не более 110 дБ/Гц для отстройки 1 Гц и не более 147 дБ/Гц для отстройки 100 Гц. Прибор обладает сокращенным временем установления частоты (с точностью ±1∙10 –7) — до 2 мин при температуре окружающей среды 25°С (для сравнения: у 54-ТС время установления частоты составляет 5 мин) и до 4 мин при –60°С (ГК54-ТС — 7 мин). Благодаря применению в генераторе ГК54М-ТС кварцевого резонатора SC среза возможен вариант исполнения с ужесточенными требованиями к кратковременной нестабильности частоты до 1∙10 –12/с. Расширены интервалы рабочих температур при заданной температурной стабильности ±5∙10 –9 и ±1∙10 –8. Кроме того, планируется расширение верхнего предела интервала рабочих температур с 70°С до 80…85°С. Указанные параметры в сочетании с высокой стойкостью к жестким ВВФ и низким потреблением (менее 0,6 Вт) делают данный прибор эффективным решением для применения в мобильной и бортовой специальной аппаратуре. ГК54М-ТС выпускается по действующей документации в категории качества «ВП». Прибор будет включен в «Перечень электрорадиоизделий, разрешенных к применению…» (МОП44). Дополнительная информация о ГК54М-ТС, а также других приборах, доступна на сайте ОАО «Морион». Дополнительная информация: см. «Морион», ОАО

МК И DSP

Новые PIC-микроконтроллеры Microchip для устройств контроля ресурсов и параметров электроэнергии

Компания Microchip анонсирует семейство 8-разрядных микроконтроллеров PIC18F87J72, оптимизированных для однофазных многофункциональных электросчетчиков, приборов контроля качества электроэнергии, а также приборов учета ресурсов. Микроконтроллеры содержат высокопроизводительный 2-канальный 16-/24-разрядный дельта-сигма АЦП с программируемым усилителем. Новые микроконтроллеры обеспечивают точность, надежность, простоту использования и низкую стоимость готового решения для разработки счетчиков класса не ниже 0,5. Микроконтроллеры содержат 64- или 128-Кбайт флэшпамять программ и 4-Кбайт ОЗУ, а также различную периферию, включая драйвер LCD-индикатора, аппаратные часы реального времени с календарем и модуль измерения заряда и времени для реализации сенсорных клавиатур и измерения температуры. Доступны для изучения программа реализации многофункционального счетчика электроэнергии, отладочная плата и оценочный дизайн, а также готовое решение, что позволяет снизить стоимость и ускорить разработку конечного продукта. Оценочный проект однофазного электросчетчика на базе микроконтроллера PIC18F87J72 (номер для заказа ARD00280) доступен для заказа и исследования. Шунтовой однофазный электросчетчик с готовым программным обеспечением для измерения активной, реактивной и полной мощности, а также среднеквадратичных значений тока и

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Microchip Technology www.microchip.com

Дополнительная информация: см. Microchip Technology

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ Микросхема защиты для интерфейса Ethernet от Semtech

Компания Semtech представляет новую микросхему защиты от превышения напряжения для интерфейса Ethernet 10/100 — TClamp 2502N. Схема подключения микросхемы представлена на рисунке.

Особенности микросхемы защиты. – рабочее напряжение 2,5 В; – защита двух линий; – корпус размером 2,6×2,6×0,6 мм. Кроме того, данная микросхема может быть использована для защиты интерфейса в системах видеонаблюдения и в дифференциальных линиях связи. Получить более полную информацию о микросхеме можно на сайте компании Semtech — www.semtech.com.

ОАО «Морион» www.morion.com.ru

напряжения поддерживается программой для ПК, позволяющей проводить калибровку счетчика. Для того чтобы ускорить разработку проекта и быстрее выйти на рынок с готовым решением, специалисты могут модифицировать предлагаемый код для реализации дополнительных функций, которые требуются для конкретного приложения. Микроконтроллеры PIC18F86J72 с 64-Кбайт флэш-памятью программ и PIC18F87J72 с 128-Kбайт флэш-памятью доступны в 80-выводных корпусах TQFP (12x12x1 мм).

Semtech www.semtech.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

Microchip Technology Тел.: (812) 325-5115 sale@gamma.spb.ru www.microchip.com «Александер Электрик Источники Электропитания», ООО 129226, Москва, пр-т Мира, д.125 Тел.: +7 (499) 181-26-04 , +7 (499) 181-19-20, +7 (903) 156-54-97 Факс: +7 (499) 181-05-22, +7 (916) 950-87-53 alecsan@aeip.ru www.aeip.ru «Морион», ОАО 199155, С.-Петербург, пр. Кима, д. 13а Тел.: (812) 350-75-72, (812) 350-9243 Факс: (812) 350-72-90, (812) 350-1559 sale@morion.com.ru www.morion.com.ru «Элтех», ООО 198035, С.- Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6А Тел.: +7 (812) 635-50-60 Факс: +7 (812) 635-50-70 info@eltech.spb.ru www.eltech.spb.ru