APCO project 25

111111

dsssssssssssssssssssssssss

Какими будут радиостанции и радиотелефоны через несколько лет?

Эволюциясхемотехники передатчиков переносных радиостанций диапазонов UHF и VHF за последние несколько лет

Исторически сложилось так, что при разработке новых радиостанций передающая часть чаще всего строилась по устоявшимся, отработанным схемам, как, например, на рис. 1.

При использовании в выходном каскаде транзисторов типа 2SC1971 и при напряжении питания +12 В достигается типовая выходная мощность 5...6 Вт при приемлемом КПД > 55% (на частотах до 175 МГц). Приведенная схема использовалась с минимальными изменениями всеми ведущими фирмами вплоть до начала 90-х годов, когда она начала терять популярность. Почему же это произошло?

Традиционно развитие переносных станций шло по пути уменьшения размеров, массы, повышения надежности работы и т.д. Так, в начале 90-х, с развитием технологии поверхностного монтажа, появилась возможность выполнить выходной каскад передатчика в виде единого законченного блока (так называемой "таблетки"), существенно сократив количество установочных компонентов и одновременно повысив надежность как самого передатчика, так и станции в целом. Также это привело к заметному ускорению процесса разработки и упрощению настройки как радиостанции в целом, так и передатчика.

Упрощенная внутренняя структура типовой схемы передатчика на базе такой микросборки показана на рис. 2.

Для обеспечения повторяемости и устойчивости работы на входе и выходе установлены цепи согласования, а регулировка выходной мощности осуществляется путем изменения напряжения смещения предвыходного транзистора.

Основные параметры одного из описываемых модулей (S-AV28 фирмы TOSHIBA) приведены в табл. 1.

Предельные эксплуатационные значения
Максимально допустимое напряжение питания, В	17
Регулировочное напряжение, В	6
Входная мощность, мВт	20
Выходная мощность, Вт	12
Потребляемый ток, А	3
Основные технические характеристики
Рабочий диапазон частот, МГц	144...148
Выходная мощность, Вт, не менее	7
Коэффициент усиления по мощности, дБ,	25,4
КПД,%, не менее	50
КСВ по входу, не более	2,5
Примечание. Приведенные значения указаны при следующих условиях: напряжение питания -9,6 В; регулировочное напряжение - 4 В; входная мощность - 20 мВт

Несмотря на указанный в таблице диапазон рабочих частот от 144 до 148 МГц, реально он составляет ±(15...20) МГц от центральной частоты в диапазоне VHF, а для моделей диапазона UHF ±(25...35) МГц. Параметры моделей диапазона UHF отличаются незначительно, в основном меньшим значением КПД.

В настоящее время ведущими производителями подобных изделий являются: фирма MITSUBISHI — модели М67799, M67749(UHF), M67748(VHF); TOSHIBA — S-AV28(VHF), S-AU57(UHF); HITACHI — PF0311, PF0314(VHF). Развитие их шло как по пути уменьшения размера (современные модели меньше первых на 20...30%), так и по пути улучшения эффективности работы, скажем, КПД возрос с 35 до 45... 55%.

В то же время нельзя сказать, что классические схемы, например такие, как схема, приведенная на рис. 1, полностью ушли в историю, даже сейчас некоторые новые радиостанции строятся на ее базе, например "Kenwood ТН234/235".

Дальнейшее развитие технологии, на этот раз в области полупроводников, привело к появлению на рынке так называемых MOSFET-транзисторов, т.е. полевых транзисторов с МОП-структурой затвора, позволяющих отдавать большую мощность при меньших значениях питающего напряжения. Отметим, что большинство современных микросборок построено именно на них.

В то же время, если требовалась работа в нескольких диапазонах, приходилось применять несколько микросборок, что серьезно увеличивало стоимость и размеры станции. Выход из этой ситуации был найден после того, как промышленность начала выпуск новых полевых транзисторов для оконечных каскадов ПРД типа 2SK2975, 2SK3075 и подобных, также выполненных по технологии MOSFET. В настоящее время самым показательным примером их использования является радиостанция "1сом Т-81А", передатчик которой способен работать в диапазонах 50, 144, 440 и 1200 МГц (!!). Упрощенная схема выходного каскада этой радиостанции показана на рис. 4, а заявленные фирмой-изготовителем параметры приведены в табл. 2.

Параметр	Диапазоны, МГц
Параметр	50	144	440	1200
Выходная мощность, Вт	5	5	5	1
Потребляемый ток, А, При Рвыхmах	1,4	1,4	1,4	0,8
Примечание. Работоспособность сохраняется при снижении напряжения питания до 4,5 В.

Как видно из схемы, предвыходной транзистор VT1 согласован по входу и выходу во всем диапазоне рабочих частот; в диапазоне 1200 МГц сигнал с его выхода мощностью 1 Вт поступает через П-контур к антенне, а сигналы других диапазонов поступают для дальнейшего усиления на транзистор VT2, согласование по выходу которого осуществляется простой коммутацией П-контуров соответствующего диапазона при помощи p-i-n диодов.

Многим, думаю, будет интересно ознакомиться с основными техническими характеристиками MOSFET-транзисторов. Параметры одного из них — 2SK3075 приведены в табл. 3.

Предельные эксплуатационные значения
Напряжение сток-исток, В	30
Ток стока, А	5
Рассеиваемая мощность стока, Вт	20
Температура перехода, °С	150

Основные технические характеристики
Выходная мощность, Вт (типовая)	9
КПД,% (типовой)	60
Коэффициент усиления по мощности, дБ, не менее	11,7
Примечание. Приведенные значения указаны при следующих условиях: рабочая частота - 520 МГц; напряжение питания -9,6 В; входная мощность - 500 мВт

Замечено, что за последние два года все больше новых радиостанций (в том числе однодиапазон-ных) строятся с использованием MOSFET-транзисторов в выходных каскадах, например "Kenwood ТК-2107", 'Тсом Т-82А", "Alinco DJ-496", "Yaesu VX-5R" и другие.

Продолжающийся процесс уменьшения массо-габаритных показателей радиостанций и необходимость повышения КПД и выходной мощности при уменьшении напряжения питания вынуждают конструкторов применять все новые решения.

Интересно, какими будут передатчики через несколько лет?

Приемники и передатчики УВЧ-диапазона корпорации Atmel

Беспроводная связь становится необходимостью для современных встраиваемых приложений, например, для связи с датчиком, к которому невозможно протянуть провода. В настоящее время существует множество различных решений для организации беспроводной связи, например, стандарты 802.11b или Bluetooth для высокоскоростного обмена данными. Для систем, не требующих такой сложности и высоких скоростей, используются другие решения. Особенности низкоскоростных приемников и передатчиков корпорации Atmel Corp. для высокочастотного диапазона расматриваются в данной статье.

Приемники и передатчики

Корпорация Atmel предлагает ряд приемников и передатчиков, работающих в паре на частотах 300–928 МГц. Большую часть этой продукции составляют устройства бывшей компании Temic (в названии первая буква «T»). Все приемники и передатчики Atmel используют узкополосную передачу на одном канале, позволяющую снизить влияние паразитных сигналов. Благодаря узкополосному фильтру промежуточной частоты (ПЧ) с крутым срезом и высокостабильному генератору удается достигнуть избирательности 60 дБ по соседнему каналу. Эти приемники и передатчики применяются в приложениях с низкой скоростью передачи данных (до 32 кбод), таких, как измерение температуры, давления, в датчиках движения, телеметрии, разнообразных счетчиках, бесконтактных ключах, системах сигнализации и безопасности, радиомодемах и т. д. Дальность связи — до 100 м. Используются: передача сигнала с амплитудным и частотным манипулированием, с манчестерским и двухфазным кодированием сигнала, ШИМ-протоколы.

Передатчики

Передатчики работают на частотах 300–928 МГц с различной выходной мощностью, со встроенным или внешним микроконтроллером (МК) (см. табл. 1).

Таблица 1. Передатчики фирмы Atmel

Наименование	Встроенный МК	Частота передачи, МГц	Ток потребления/ sleep	Скорость передачи данных, кбод	Напря-жение питания, В	Выходная мощность, дБм	Корпус	Темпера-турный диапазон, °C
U2741B	–	300–450	10 мА/350 нА	20	2,2–5,5	3	SSO16	–20...+70, –40...+85
U2745B	-	310–440	10 мА/2 мкА	20	2–4	3	SSO16	–40...+85
T5750	-	868–928	8,5 мА/350 нА	32	2–4	5,5	SO8	–40...+85
T5753	-	310–330	9 мА/350 нА	32	2–4	8	TSSOP8L	–40...+85/+125
T5754	-	429–439	9 мА/350 нА	32	2–4	7,5	TSSOP8L	–40...+85/+125
AT86RF401	AVR 8-разрядн., 2K Flash, 128 байт EEPROM, 128 байт SRAM, ISP	264–456	23 мА/100 нА	10	2–5	6	TSSOP20	–40…+85
ATAx862-3	MARC 4-разрядн. T44C862, 4K ROM, 128 байт SRAM, I2C, 3-wire	310–330	9,5 мА/1 мкА	32	2–4	10	SSO24	–40…+125
ATAx862-4	MARC 4-разрядн., T44C862, 4K ROM, 128 байт SRAM, I2C, 3-wire	429–439	9,5 мА/1 мкА	32	2–4	10	SSO24	–40…+125
ATAx862-8	MARC 4-разрядн., T44C862, 4K ROM, 128 байт SRAM, I2C, 3-wire	868–928	9,5 мА/1 мкА	32	2–4	10	SSO24	–40…+125

В качестве внешнего МК фирма Atmel предлагает использовать, например, 4-разрядные МК серии MARC, имеющие низкий ток потребления. В передатчик AT86RF401 встроен 8-разрядный МК AVR. Анонсирована также новая серия передатчиков ATAх862 на базе 4-разрядного МК T44C862 семейства MARC.

Передатчик T5750

Для частот 868–870 МГц и 902–928 МГц Atmel предлагает передатчик T5750, работающий в паре с приемниками T5760/61 (рис. 1). Передатчик и приемники содержат генератор, управляемый напряжением (ГУН), и предварительный делитель частоты.

Система беспроводной связи на базе приемника T5760/61 и передатчика T5750

Благодаря узкой полосе частот приемник имеет высокую чувствительность и хорошее соотношение сигнал-шум.

В передатчик T5750 входят блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), усилитель мощности и кварцевый генератор. В режиме передачи ток потребления составляет 8,5 мА. При отсутствии передачи подачей на выводы ENABLE (вход разрешения) и PA_ENABLE (вход разрешения усилителя мощности PA) (см. рис. 2) сигнала низкого уровня осуществляется переключение микросхемы в режим sleep, ток потребления при этом снижается до 0,35 мкА. Таким образом, литиевый элемент, обычно служащий источником питания в автономных системах, может служить много лет и позволяет использовать такие передатчики, например, в шинах автомобилей для мониторинга давления.

Упрощенная схема включения передатчика T5750

Передатчик имеет тактовый выход для синхронизации работы внешнего микроконтроллера, который используется для кодирования сигналов. T5750 поддерживает амплитудное и частотное манипулирование, имеет одиночный вывод с открытым коллектором для подключения внешней петлевой или l/4 антенны.

Амплитудная и частотная манипуляции

Если на вывод ENABLE передатчика подан высокий уровень, выводы PLL (ФАПЧ) и CLK активизируются. Сигнал тактирования с вывода CLK подается на МК. Подачей соответствующего сигнала на вывод PA_ENABLE осуществляется включение и выключение усилителя мощности PA, то есть реализуется амплитудная манипуляция (АМн) на частоте f1 или манипуляции включение-выключение (OOK, On-Off-Keying) (рис. 3). Для стабилизации кварцевому генератору и ФАПЧ требуется обычно около 1 мс после подачи сигнала высокого уровня на вывод ENABLE, поэтому вывод PA_ENABLE следует удерживать на низком уровне более 1 мс после подачи сигнала ENABLE.

Временная диаграмма передатчика T5750 в режиме амплитудной манипуляции

T5750 содержит полностью интегрированную ФАПЧ, из внешних компонентов необходим только внешний резонатор 13,567187 МГц для передачи данных на частоте 868,3 МГц, или 14,296875 МГц — для частоты 915 МГц (см. рис. 3). Конденсатор С3 — разделительный конденсатор по питанию. Постоянное напряжение на выход с открытым коллектором подается через дроссель L1.

Для АМн конденсатор С2 не требуется, для частотной манипуляции (ЧМн) требуются оба конденсатора С1 и С2. После стабилизации кварцевого генератора и ФАПЧ на вывод PA_ENABLE подается высокий уровень для включения усилителя мощности PA (рис. 4).

Временная диаграмма передатчика T5750 в режиме частотной манипуляции

Передатчик готов для частотной манипуляции. Изменение частоты достигается подключением и отключением конденсатора С2 параллельно нагрузочному конденсатору С1 путем подачи на управляющий вывод МК низкого уровня или переключением его в высокоимпедансное состояние, изменяя таким образом частоту на выходе антенны с f1 на f2 и обратно.

Для уменьшения энергопотребления после окончания передачи на вывод PA_ENABLE должен быть подан сигнал низкого уровня.

Сигнал CLK отключается после подачи на вывод ENABLE сигнала низкого уровня.

Усилитель мощности имеет выход с открытым коллектором, обеспечивающий импульсный ток, практически не зависящий от импеданса нагрузки. Таким образом, уровень выходной мощности определяется импедансом подключаемой нагрузки, и для получения максимальной выходной мощности (5,5 дБм) импеданс антенны должен быть согласован с выводом передатчика.

Для приложений с небольшой дальностью связи рекомендуется использовать печатную петлевую антенну. Основное требование, которому должны соответствовать такие антенны, — это способность возбуждать сильные токи для создания электромагнитного поля.

Выходная мощность антенны определяется значением ее сопротивления излучения: Rrad = 31 кОм (A/l2)2, где А — внутренняя площадь петлевой антенны, l — длина волны передаваемого сигнала. Мощность излучения антенны Prad = Rrad х ILoop2.

Расстояние передачи зависит также от корпуса передатчика, ориентации антенны, конфигурации пространства, в котором происходит передача (открытое, замкнутое), а также типа антенны (печатная, проводная). Например, при выходной мощности передатчика около 3 дБм (U2741B) печатной антенне на плате передатчика и проводной антенне на плате приемника передача может осуществляться в открытом пространстве до 100 м. В других условиях может быть удобнее использовать T5743 или T5754, имеющих большую выходную мощность 8,0 и 7,5 дБм, соответственно.

Передатчик AT86RF401

AT86RF401 представляет собой интеллектуальный миниатюрный передатчик с высокой степенью интеграции на базе 8-разрядного RISC-микроконтроллера AVR. Для организации законченной радиосистемы с манипуляцией включение-выключение (OOK) необходим только кварцевый резонатор, литиевый элемент, три конденсатора, дроссель и петлевая антенна (рис. 5).

Блок схема передатчика AT86RF401

AT86RF401 может быть переключен в режим sleep, ток потребления в этом режиме составляет 0,5 мкА.

AT86RF401 имеет программируемый регистр детектора снижения напряжения батареи.

При поступлении сигнала на любую линию ввода-вывода микросхема переходит в режим передачи, при этом происходит активизация цепи генератора синхросигналов для микроконтроллера AVR. Несущая радиосигнала синтезируется с помощью ГУН. Оптимальная настройка ГУН поддерживается с помощью допусков на элементы схемы через использование программно управляемой матрицы на переключаемых конденсаторах.

Внутрисхемно программируемые энергонезависимая память программ (2 кбайт), выполненная по технологии Flash, и память данных (128 байт), выполненная по технологии EEPROM, позволяют осуществлять разработку за короткое время. Имеется также внутреннее статическое ОЗУ объемом 128 байт (SRAM).

Как и во всех микроконтроллерах AVR, короткая команда выполняется за один машинный цикл, который составляет один период тактовой частоты 1,25 МГц. Система команд насчитывает 114 различных инструкций. Для реализации функций передатчика и некоторых дополнительных функций встроенный МК AT86RF401 имеет отличные от стандартных AVR регистры ввода-вывода (таблица 2).

Таблица 2. Регистры ввода-вывода AT86RF401

Адрес (Hex)	Наименование регистра	Функции
$3F	SREG	Status Register
$3E	SPH	Stack Pointer High Register (program to 0.00)
$3D	SPL	Stack Pointer Low Register
$35	BL_CONFIG	Battery Low Configuration Register
$34	B_DET	Button Detect Register
$33	AVR_CONFIG	AVR Configuration Register
$32	IO_DATIN	I/O DATA IN Register
$31	IO_DATOUT	I/O DATA OUT Register
$30	IO_ENAB	I/O Enable Register
$22	WDTCR	Watchdog Timer Control Register
$21	BTCR	Bit Timer Control Register
$20	BTCNT	Bit Timer Count Register
$1E	DEEAR	Data EEPROM Address Register
$1D	DEEDR	Data EEPROM Data Register
$1C	DEECR	Data EEPROM Control Register
$17	LOCKDET2	Lock Detector Configuration Register 2
$16	VCOTUNE	VCO Tuning Register
$14	PWR_ATTEN	Power Attenuation Control Register
$12	TX_CNTL	Transmitter Control Register
$10	LOCKDET1	Lock Detector Configuration Register 1

Встроенный таймер микроконтроллера AVR с работой по прерываниям упрощает применение ШИМ или манчестерского кодирования для модуляции несущей. Радиосигнал передается на настроенную петлевую антенну, которая может быть реализована медным проводником на печатной плате.

Усилитель мощности генерирует дифференциальный сигнал, который передается с выхода ФАПЧ на внешнюю антенну. Выходная мощность передатчика может изменяться программно в пределах 36 дБ с шагом 1 дБ путем конфигурирования усилителя мощности.

Генератор с подкачкой (номинальное значение 1,2 В) обеспечивает работу в широком диапазоне питающих напряжений.

В устройстве имеются встроенные аппаратные функции brown-out protection и контроля уровня напряжения батареи. Цепь brown-out protection определяет, когда напряжение питания опускается ниже минимального значения, обеспечивающего нормальную работу (обычно 1,8 В). При значении напряжения питания ниже указанного происходит аппаратный сброс микроконтроллера. Пороговое напряжение, при котором индицируется разряд батареи, задается программно.

Источником прерывания в AT86RF401 могут быть события «регистр данных пуст» и «передача данных окончена». Таймер также поддерживает режим, при котором вместо прерывания используется опрос, позволяющий получить большую скорость передачи.

Этот таймер также может быть использован для декодирования сигнала, полученного внешним приемником.

AT86RF401 имеет несколько источников сброса: Power-on Reset — по включению питания, внешний сброс, сброс от сторожевого таймера, Brown-out Reset — при снижении напряжения батареи ниже установленного, Button Reset (программный сброс).

Передатчики ATAxR862

Новые передатчики ATAxR862 на базе МК T44C892 семейства MARC4 (рис. 6) подходят для применения как на стороне приемника, так и на стороне передатчика (для декодирования данных). ATAx862 содержит ROM, RAM, 16 линий ввода-вывода, два 8-разрядных многофункциональных таймера-счетчика с функцией модуляции и демодуляции, супервизор напряжения питания, сторожевой таймер и сложный генератор тактовых импульсов с внешним выводом (встроенный RC-генератор, кварцевый генератор 32 кГц и 4 МГц).

Блок-схема передатчика серии T48C862/ATAR862

Программное ПЗУ выполняется по технологии EEPROM (ATAM862 — Flash-версия) или по маске (ATAR862 — ROM-версия). Кроме микропроцессорного и радиочастотного блока, передатчик ATAx862 имеет дополнительный блок последовательной памяти данных емкостью 512 бит, выполненной по технологии EEPROM.

Плата передатчика T5750

Фирма Atmel выпускает отдельно плату передатчика T5750 V1.1 на базе передатчика T5750 и 4-разрядного МК T48C893N семейства MARC (рис. 7), предназначенную для частотной и амплитудной манипуляций.

Плата передатчика T5750 V1.1

Плата питается от одного литиевого элемента 3 В (например, CR2032). Ток потребления покоя составляет менее 1 мкА, ток потребления при передаче данных — около 8,5 мА. Плата может работать на частотах 868,3 МГц и 915 МГц, переход с одной частоты на другую осуществляется сменой резонатора и конденсаторов С5, С6, С7 цепи согласования импеданса печатной антенны.

По умолчанию, плата настроена на частотную манипуляцию со скоростью передачи данных 1 кбод. Для ЧМн девиация частоты составляет около 30 кГц. На плате имеется программный адаптер JP1, через который реализуется внутрисхемное программирование памяти EEPROM микроконтроллера T48C893N. Для разработки программного обеспечения может использоваться стартовый набор разработчика TMEB893 для МК MARC4.

Приемники

Приемники фирмы Atmel поддерживают скорость приема данных в режиме АМн до 10 кбод и в режиме ЧМн до 3,2 кбод, различаются частотой приема данных и шириной полосы промежуточной частоты (ПЧ) (таблица 3).

Таблица 3. Приемники фирмы Atmel

Наименование	Частота передачи, МГц	Полоса ПЧ, кГц	Напряжение питания, В	Ток потребления, мА	Корпус	Температурный диапазон, °C
U3741BM	300–450	300/600	4,5–5,5	7	SO20	–40...+105
U3742BM	300–450	600	4,5–5,5	7	SO20	–40...+105
U3745BM	310–440	600	4,5–5,5	7	SO20	–40...+85
T5743N	300–450	600	4,5–5,5	7,5	SO20	–40...+105
T5760	868–870	950	4,5–5,5	7,4	SO20	–40...+105
T5761	902–928	600	4,5–5,5	7,4	SO20	–40...+105
T5744	300–450	600	4,5–5,5	7,1	SSO20, SO20	–40...+105

Приемники поддерживают протоколы ЧМн, АМн, ШИМ, манчестерское и двухфазное кодирование. Чувствительность приемников в среднем составляет –110, –114 дБм (в режиме АМн, низкая скорость передачи данных) и –106 дБм (для ЧМн). Приемники имеют электростатическую защиту 4 кВ (кроме T5760/61 — 2 кВ) согласно MIL-STD-883. Принцип построения приемников одинаков, рассмотрим его на примере U3741BM.

U3741BM предназначен для работы на частотах 300–450 МГц, в технической документации Atmel приводятся параметры микросхемы и ее «обвязка» только для двух частот: 315 МГц (стандартный диапазон в США) и 433,92 МГц (стандартный диапазон для Европы). Переход с одной частоты на другую осуществляется с помощью смены нескольких внешних компонентов (резонатора и конденсаторов).

Входной каскад РЧ-приемника U3741BM представляет собой супергетеродин с промежуточной частотой 1 МГц и состоит из малошумящего усилителя, гетеродина, смесителя с подавлением зеркального канала до 30 дБ и усилителя РЧ (рис. 8). Сигнал с входного каскада РЧ фильтруется интегрированным фильтром ПЧ 4-го порядка, поступает на RSSI-усилитель, демодулятор и затем на фильтр данных (ФВЧ 1-го порядка и ФНЧ 1-го порядка). Далее сигнал передается в схему обработки данных.

Блок-схема приемника U3741BM

Для повышения избирательности приемника до 40 дБ используют внешний ПАВ-фильтр. Для идентификации и фильтрации «шумов» в приемнике U3741BM может использоваться функция индикации уровня принимаемого сигнала RSSI (Receive Signal Strength Indication), позволяющая игнорировать фронты, которые случаются при отсутствии сильного радиосигнала. Недостатком использования RSSI является изменение условий приема (снижение чувствительности).

Для снижения энергопотребления используется специальный режим опроса — polling. В этом режиме приемник находится попеременно в трех состояниях. В режиме sleep цепь обработки сигнала отключена на время Tsleep, и микросхема потребляет низкий ток. Во время запуска Tstartup цепь обработки сигнала запускается.

Следующий режим — проверка количества битов в соответствии с установленным временным окном (bitcheck). Если полезный сигнал не обнаружен за время Tbitcheck, приемник переходит опять в режим sleep. То есть приемник включается на короткие промежутки времени и проверяет присутствие полезного сигнала на входе. Если сигнал обнаружен, приемник переходит в активный режим и передает данные во внешний МК. Приемник конфигурируется с помощью двух регистров разрядностью 12 бит, определяющих скорость передачи данных, интервалы и параметры различных режимов (Tsleep, Tstartup, Tbitcheck и т. д.).

U3741BM доступен с двумя различными полосами ПЧ. U3741BM-M2 — версия с шириной ПЧ 300 кГц — хорошо подходит для систем с АМн, где используется передатчик с ФАПЧ U2741B. U3741BM-M3 имеет полосу ПЧ 600 кГц. Этот вариант может быть использован совместно с U2741B в режимах ЧМн и АМн.

Использование U3741BM в режиме АМн дает более высокую точность частоты несущей.

Отладочные комплекты

Корпорация Atmel предлагает отладочные комплекты для разработки приемников и передатчиков, позволяющих осуществить разработку беспроводной системы до создания собственной платы. В отладочный комплект входит базовая плата с МК, плата приемника, плата передатчика и программное обеспечение (рис. 9). Отдельно могут поставляться платы приемника или передатчика. Для каждой пары «приемник — передатчик» предлагается свой отладочный комплект (таблица 4).

Отладочный комплект приемника и передатчика УВЧ

Таблица 4. Отладочные комплекты приемников и передатчиков

;

Отладочный комплект	Приемник	Передатчик	Частота, МГц	Ширина полосы пропускания, кГц	Примечание
TMEBx741A	U2741	U3741	433	300
TMEBx741B	U2741	U3741	433	600
TMEBx741C	U2741	U3741	315	300
TMEBx741D	U2741	U3741	315	600
TMEBx745A	U2745	U3745	433	600
TMEBx745B	U2745	U3745	315	600
TMEB57x0	T5750	T5760	868	600
TMEB57x1	T5750	T5761	915	600
	T5753		315		планируется к выпуску в 2003 г.
	T5754		433		планируется к выпуску в 2003 г.
TMEB5744S3		T5744	315	600 (saw)	плата приемника с ПАВ-фильтром
TMEB5744N3		T5744	315	600	плата приемника
TMEB5744S4		T5744	433	600 (saw)	плата приемника с ПАВ-фильтром
TMEB5744N4		T5744	433	600	плата приемника
AT86RF401U-EK1	AT86RF401U		315		плата передатчика
AT86RF401E-EK1	AT86RF401E		433		плата передатчика
ATAK4015744U	AT86RF401U	T5744	315
ATAK4015744E	AT86RF401E	T5744	433
AT86RF211-DK433107	AT86RF211	AT86RF211	433
AT86RF211-DK868107	AT86RF211	AT86RF211	868
AT86RF211-DK915107	AT86RF211	AT86RF211	915

Отладочный комплект TMEB57x0

Рассмотрим некоторые отладочные комплекты, приведенные в таблице 4. Отладочный комплект TMEB57x0 предназначен для ознакомления с приемником T5760 и передатчиком T5750, работающими на частоте 868 МГц. Он состоит из базовой платы на основе 4-разрядного микроконтроллера семейства MARC4, платы приемника и платы передатчика (рис. 10). Приемник и передатчик программируются через внешний компьютер под управлением программного обеспечения передатчика или приемника соответственно, поставляемого вместе с отладочным комплектом.

Отладочный комплект TMEB57x0

Программное обеспечение передатчика позволяет устанавливать скорость передачи данных, тип модуляции, тестовое слово и т. д.

После записи программного кода в передатчик плата передатчика работает независимо и может быть снята с базовой платы. Программное обеспечение приемника имеет средства оценки передачи данных (гистограммы, временные таблицы). Приемник работает только совместно с базовой платой. Соответствующие светодиоды индицируют включение питания, правильность тестового слова, соответствие телеграммы установленному временному окну.

Отладочный комплект ATAK4015744

Отладочный комплект ATAK4015744 включает в себя платы приемника T5744 и передатчика AT86RF401, образцы AT86RF401 и T5744, необходимые программные средства для разработки двунаправленной передачи данных. Программное обеспечение позволяет передавать передатчику уникальный 8-битовый код, соответствующий одной из четырех кнопок платы передатчика. Он содержит идентификационный код кнопки и данные о состоянии батарейного элемента. Приемник T5744 демодулирует радиосигнал в цифровую форму и передает его для обработки в AT86RF401.

Отладочный комплект ATAK401

После обработки сигнала двоичное представление кода нажатой клавиши и статус батарейного элемента отображаются с помощью трех светодиодов. В наборе используется манипуляция включение-выключение (OOK) для модуляции несущей и ШИМ для кодирования цифровой информации.

Плата передатчика имеет в своем составе AT86RF401, кнопки, держатель батареи, печатную антенну, разъем, дискретные компоненты. Внутрисхемное программирование (ISP) возможно через интерфейс SPI с помощью 6-полосного ленточного кабеля, подсоединяемого к COM-порту PC. Плата приемника имеет в своем составе две микросхемы T5744 и AT86RF401, держатель батарейного элемента, печатную антенну, разъем, дискретные компоненты. Сохранена возможность реализации функции RSSI приемника T5744, которая не используется в отладочном комплекте.

Три светодиода подсоединены к AT86RF401 и зажигаются при получении соответствующим образом промодулированного сигнала.

T5744 имеет вывод для антенны с одним вхо-дом. Плата приемника содержит средства для согласования цепи с печатной антенной на плате или простой штыревой антенной l/4. Печатная антенна не согласована с импедансом 50 Ом цепи, она предназначена для демонстрации работы только на коротких расстояниях. Согласовать импеданс (и получить большее расстояние связи) возможно отсоединением печатной антенны и подключением антенны l/4.

В наборе применено ШИМ-кодирование 1/3:2/3, которое может быть изменено программно. 1/3:2/3 означает, что «1» представляется первой 1/3 периода, содержащей радиосигнал, а последние 2/3 периода не содержат сигнала. Для «0», наоборот, первые 2/3 не содержат сигнала, а последняя 1/3 содержит. Сообщение состоит из 2 байт: преамбулы (0xFFFE) и байта данных (старшая половина байта содержит статус батареи, а младшая — идентификационный номер кнопки).

Байт данных повторяется 3 раза. Идентификационные номера кнопок кодируются следующим образом: кнопка 0 — 0001, кнопка 1— 0011, кнопка 2 — 0111, кнопка 3 — 1111. Такие идентификационные номера позволяют однозначно идентифицировать каждую кнопку и при сдвиге одного бита ошибки идентификации не возникает. Бит-таймер выполняет функцию манипуляции передатчика, обеспечивая синхронность модуляции усилителем мощности.

Приемник находится во включенном состоянии постоянно, поэтому он может реагировать на шум. Микроконтроллерная часть AT86RF401 должна проверять каждый фронт с помощью бит-таймера для определения полезного сигнала. При использовании ШИМ-кодирования бит может быть определен как «1» или «0» путем измерения интервала от переднего до заднего фронта (рис. 12).

ШИМ-кодирование данных в отладочном комплекте ATAK4015744

Приемопередатчик

Отдельно в ряду радиочастотной продукции Atmel стоит приемопередатчик AT86RF211 (таблица 5), предназначенный для работы с внешним МК AVR. Это недорогое решение для беспроводных применений (телеметрия, датчики) для скоростей до 64 кбит/с и полудуплексной передачи. Расстояние передачи составляет до 30 метров в закрытом помещении и до 300 метров в открытом пространстве.

Таблица 5. Приемопередатчик фирмы Atmel

Наименование	Частота передачи, МГц	Скорость передачи данных	Выходная мощность, дБм	Ток потребления	Напряжение питания, В	Корпус	Температурный диапазон, °C
AT86RF211	915/868/433	64 кбит/с	10/12/14	0,5 мкА–35 мА	2,4–3,75	TQFP48	–40…+85

Для работы на частотах 433, 868 и 915 МГц используется один приемопередатчик, выбор частоты осуществляется подключением различных внешних элементов. Имеется функция цифровой подстройки частоты несущей с шагом 200 кГц. Из блок-схемы AT86RF211 (рис. 13) видно, что из внешних компонентов необходим только кварцевый резонатор, керамический фильтр, антенно-согласующие компоненты и фильтрующие компоненты питания.

Блок-схема AT86RF211

Все необходимые радиочастотные блоки интегрированы в AT86RF211, что позволяет упростить разработку платы приемопередатчика и позволяет сократить затраты на производство соответствующих компонентов. Конструкция AT86RF211 позволяет избежать типичных проблем, возникающих при моделировании устройств беспроводной связи, например, изменения частоты при электростатическом воздействии от рук пользователя или помещении устройства в корпус.

Структура приемника супергетеродинная, двойного преобразования. AT86RF211 включает в себя переключатель режимов прием/передача (Rx/Tx) со временем переключения менее 200 мкс. Имеются также цифровая функция RSSI и функция контроля значения напряжения батарейного элемента.

AT86RF211 содержит встроенный синтезатор, ФАПЧ, ГУН, имеет 8 цифровых уровней выходной мощности. Он поддерживает ЧМн, манчестерское кодирование сигнала не требуется.

Приемопередатчик может работать в нормальном режиме приема-передачи, в независимом режиме «wakeup» и режиме энергосбережения «power down».

В нормальном режиме микросхема конфигурируется через МК, устанавливаются частота и режим (прием или передача). Далее микросхема действует как конвейер: данные, поступающие на вывод DATAMSG, немедленно передаются в эфир (Tx), либо сигнал, поступающий с антенны, демодулируется и передается побитно в МК по тому же выводу DATAMSG (Rx). Данные в кристалле не хранятся и не обрабатываются.

В режиме «wakeup» кристалл устанавливается в специальный режим передачи, называемый sleep. Кристалл периодически запускается по сигналу от внутреннего таймера (отдельная функция, не зависящая от МК, находящегося в режиме power-down) и ожидает данные в виде специального сообщения, формат которого определяется предварительно. При получении правильного сообщения данные сохраняются в AT86RF211 (до 32 бит), и на выводе WAKEUP генерируется сигнал прерывания. В противном случае процедура продолжается.

AT86RF211 имеет несложный интерфейс подключения к МК, при котором его можно рассматривать как внешний периферийный узел МК. Обмен данными между AVR МК и РЧ-модулем AT86RF211 осуществляется через 3 регистра ввода-вывода общего назначения МК, которые используются для чтения и записи данных в 16 внутренних регистров AT86RF211. 8 регистров AT86RF211 используются для конфигурирования нормального режима обмена данными, 4 регистра для режима «wake-up», 4 регистра для реализации специальных функций, определяемых конечным приложением. Размеры регистров варьируются от 32 бит до 1 бита регистра RESET. Наиболее часто используемые биты расположены в старших разрядах регистров. Режимы чтения и записи позволяют осуществлять доступ к отдельным битам регистра.

Сигналы SLE, SCK и SDATA МК формируют последовательный цифровой интерфейс для управления работой приемопередатчика и могут быть назначены на любые выводы общего назначения AVR. Сигнал SLE (enable/chip select) и SCK (clock) работают на выход, сигнал SDATA является двунаправленным.

Сигнал DATAMSG используется для организации полудуплексной передачи между МК и РЧ модулем (рис. 14).

Последовательное соединение AT86RF211 с МК в режиме передачи

При организации асинхронного интерфейса UART оба вывода RхD и TхD МК соединяются с двунаправленным вводом-выводом DATAMSG AT86RF211. Так как осуществляется полудуплексная передача, при отсутствии передачи данных вывод TхD должен находиться в высокоимпедансном состоянии.

Вывод DATACLK используется для синхронной передачи и поэтому при использовании UART не задействован.

Для организации синхронной передачи данных между AVR и AT86RF211 необходимо использовать либо интерфейс «bit banging», либо узел SPI.

Интерфейс SPI используется для высокоскоростного обмена данными. Вывод DATACLK AT86RF211 подсоединяется к выводу SCK порта SPI МК (рис. 15). При приеме данных порт SPI работает в режиме slave. Вывод SCK работает в режиме входа и управляется выводом DATACLK AT86RF211. Вывод MOSI порта SPI подсоединяется к выводу DATAMSG AT86RF211. Так как обмен данных происходит в полудуплексном режиме, вывод MISO остается свободным. Вывод SS/ следует подсоединить к «земле». В режиме передачи вывод SCK порта SPI остается в неподключенном состоянии, чтобы избежать конфликта с выводом DATACLK AT86RF211.

Обмен данными между AT86RF211 и МК по SPI-интерфейсу

При такой организации обмена данными между AT86RF211 и МК следует учитывать скорость передачи по интерфейсу SPI, зависящую от тактовой частоты МК и предделителя.

Если тактовая частота МК велика, может оказаться, что скорость SPI окажется слишком большой для AT86RF211 в режиме передачи, и AT86RF211 не будет успевать передавать данные в эфир. Скорость порта SPI в режиме приема будет всегда совместима с AT86RF211.

Для получения требуемой скорости передачи данных, не накладывающей ограничения на выбор МК по скорости, возможно использование комбинации аппаратной реализации порта SPI для режима приема, имеющего жесткие требования по синхронизации, и аппаратно управляемых вводов-выводов приемопередатчика от таймера (bit banging) для режима передачи.

Также удобно использовать режим аппаратно управляемых вводов-выводов, если МК не имеет периферийных узлов портов UART или SPI. Для реализации такого обмена вывод DATAMSG подсоединяется к любому выводу МК, вывод DATACLK к любому выводу, выполняющему функцию запроса прерывания из внешнего источника. Функция восстановления синхросигнала после сброса обеспечивает появление фронта тактового сигнала в середине получаемого бита данных, по которому инициализируется прерывание.

Для всех вариантов последовательного подключения выводы SDATA, SCK и SLE AT86RF211 подключаются к вводам-выводам общего назначения МК. Если используется экономичный режим питания (standby), вывод WAKEUP должен быть подсоединен к выводу МК с функцией запроса прерывания из внешнего источника.

Отладочный комплект AT86RF211

Отладочный комплект AT86RF211-DKххх107

Отладочный комплект AT86RF211-DKххх107 (рис. 16) предназначен для быстрой и простой разработки системы на базе AT86RF211 и AVR МК 8-бит AT90LS8535. Отладочный комплект содержит два одинаковых модуля. Каждый модуль состоит из базовой платы, имеющей в своем составе AVR МК, ЖКИ, кнопку, переключатель, датчик освещенности и несколько светодиодов, а также дочерней платы РЧ-модуля, состоящей из AT86RF211, соответствующей обвязки и гибкой штыревой антенны, которая может быть отсоединена для подключения тестового оборудования. МК AT90LS8535 поставляется с запрограммированной демо-версией, которая передает между двумя модулями данные об освещенности, полученные с помощью интегрированного АЦП МК. Исходные коды для этой и других программ на языке С поставляются вместе с комплектом.

Отладочный комплект следует заказывать на конкретную частоту: 915 МГц, 868 МГц или 433 МГц. Базовая плата одинакова для всех комплектов, отличаются только дочерние платы РЧ-модуля.

На РЧ-модуле отладочного комплекта имеется ПАВ-фильтр, фильтр первой ПЧ 10,7 МГц и фильтр второй ПЧ 455 кГц. Конструкция модуля обеспечивает узкополосную передачу, высокую избирательность и большую дальность связи. Из-за полосы фильтра второй ПЧ 455 кГц скорость передачи данных ограничена 20 кбит/с.

Для применений, требующих скорости данных более 64 кбит/с и, соответственно, более широкой полосы, следует заменить на плате фильтр второй ПЧ на конденсатор. Отладочный комплект сопровождается необходимой документацией для разработки различных встроенных приложений.

Дочерняя плата РЧ-модуля AT86RF211 со штыревой антенной

Отдельно поставляются дочерние платы РЧ-модулей для дальней связи со штыревой антенной (рис. 17) и для небольшой дальности связи с печатной антенной (рис. 18).

Дочерняя плата РЧ-модуля AT86RF211 с печатной антенной

Дочерние платы совместимы с отладочным комплектом. Gerber-файлы, список компонентов и принципиальные схемы поставляются вместе с дочерними платами.

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ АНТЕННЫХ СИСТЕМ

При проектировании и установке радиосредств, предусматривающих одновременную работу как на прием, так и на передачу, наиболее важной задачей является выбор правильной конфигурации антенно-фидерной системы, минимизирующей взаимное влияние передатчика и приемника. Один из способов ее решения и тем самым достижения требуемого качества приема – установка двух разнесенных в пространстве антенн.
В предлагаемой вниманию читателей статье рассматривается более надежный и перспективный способ – установка одной антенны с использованием дуплексного фильтра1.

Использование дуплексных фильтров в антенно-фидерных системах ретрансляторов

В большинстве систем радиосвязи в настоящее время используются расположенные на высоких точках местности (высотные здания, вышки, горные вершины) ретрансляторы, приемник и передатчик которых работают на разнесенных частотах.

Применение дуплексных фильтров в составе
ретрансляторов позволяет:

• уменьшить количество используемых антенн, что немаловажно при установке ретранслятора на небольшом пространстве либо при требовании владельцев здания (вышки) отдельной платы за каждую установленную антенну;

• экономить коаксиальный кабель или установить один более дорогой и высококачественный вместо двух обычных (что, в свою очередь, положительно сказывается на работе системы, особенно при значительной длине фидера);

• снизить вероятность появления помех интермодуляционной природы, уровень внеполосных излучений передатчика;

• улучшить подавление помех приему со стороны близко расположенных передатчиков, которые работают на частотах, достаточно далеких от приемной частоты.

... в антенно-фидерных системах дуплексных радиостанций

Антенная вышка

Дуплексные радиостанции с использованием разнесенных частот приема и передачи также нуждаются в антенной системе, обеспечивающей одновременную работу приемника и передатчика без взаимных помех. Если для стационарных дуплексных радиостанций, как правило, сохраняется возможность установить раздельные антенны для приема и передачи, то для возимых (тем более носимых) применение дуплексного фильтра – единственный реальный способ работы в режиме полного дуплекса. Это связано с тем, что при допустимых для подвижного объекта габаритах и соответствующем разносе антенн невозможно обеспечить необходимую для нормальной работы изоляцию приемника и передатчика.

Преимущества использования дуплексных фильтров

Система из двух антенн и двух фидерных линий может использоваться и в работе ретранслятора при том условии, что антенны достаточно разнесены и обеспечивают изоляцию между передатчиком и приемником, достаточную для достижения приемлемого уровня качества приема (отсутствие «забития» приемника мощным сигналом собственного передатчика). Однако вследствие множества причин данная схема может быть применена далеко не всегда.
частот, разноса между приемной и передающей частотой, допустимого уровня «забития» приемника и др. Для широко распространенных систем УКВ-радиосвязи ее наиболее типичное значение в пределах 80–105 дБ.

Кроме того, на значение изоляции очень сильное влияние оказывают тип антенн, расстояние между ними (в вертикальной и горизонтальной плоскостях), их диаграмма направленности в обеих плоскостях и взаимная ориентация. Немаловажным фактором является качество кабеля фидерных линий. Совместная прокладка приемного и передающего фидеров с использованием дешевых кабелей с одинарной экранировкой нередко уже изначально приводит к неработоспособности системы, так как изоляция между фидерами оказывается неприемлемой для антенно-фидерной системы в целом.

Как правило, достижение параметров, обеспечивающих качественную работу системы связи с использованием двух раздельных антенн для ретранслятора, может быть проверено только практическим путем. В подобной ситуации целесообразно предварительно оценить стоимость работ и материалов, необходимых для постановки подобного «эксперимента», сопоставив ее с ценой дуплексного фильтра, гарантирующего достижение требуемых параметров. По опыту, использование именно дуплексного фильтра оказывается экономически оправданным.

При установке системы связи на здании или сооружении, где уже имеются какие-либо передающие системы, необходимо предусматривать меры по защите приемника от повреждения или «забития» мощными сигналами посторонних передатчиков. Грамотно подобранный дуплексный фильтр наряду с выполнением своей основной функции способен решить эту проблему.

Существует еще одна причина, которая может оказаться решающей при выборе между системой из двух антенн и системой с дуплексным фильтром, особенно если владелец системы связи не является собственником здания или сооружения, на котором устанавливаются антенны. Как известно, величина изоляции между двумя разнесенными антеннами может изменяться при появлении или исчезновении каких-либо предметов (например, антенны или проводной линии) в непосредственной близости от антенн и привести к ухудшению функционирования системы связи. Поэтому установка дуплексного фильтра, гарантирующего необходимые для нормального функционирования системы параметры, является дополнительной мерой по защите инвестиций в систему связи.

Существуют ситуации, когда для работы системы требуется совместное использование разнесенных антенн и достаточно сложной фильтровой системы. Обычно это связано с очень малым разносом между приемной и передающей частотой на низкочастотных
диапазонах. Подобные случаи требуют тщательного изучения опытными специалистами.

Основные типы дуплексных фильтров

В настоящее время существует множество типов дуплексных фильтров, отличающихся как по конструктивному исполнению и используемым материалам, так и по типам высокочастотных (ВЧ) фильтров, применяемых для достижения необходимых характтруктивным особенностям выглядит следующим образом.

Фильтры на объемных коаксиальных резонаторах (Cavity filters). Чаще всего используются для базового оборудования всех связных диапазонов частот и возимого оборудования UHF/SHF-диапазона. Обычно крупногабаритны, но обладают неплохим соотношением цена–качество.

Фильтры на спиральных резонаторах (Helical filters). Наиболее распространены в возимом оборудовании и как недорогая альтернатива для базового оборудования при большом разносе между частотами приема и передачи.

Фильтры на полосковых линиях и
керамических резонаторах. Обычно
применяются в носимой или компактной возимой аппаратуре при небольших мощностях передатчиков, а также в особых случаях, когда другие типы фильтров не удовлетворяют разработчика по своим характеристикам (как правило, массогабаритным).

Комбинация ФНЧ и ФВЧ на катушках индуктивности и дискретных конденсаторах. Иногда используется при значительных величинах разноса частот приема и передачи, как правило, при небольших мощностях передатчиков. Рассмотрение этой схемы ввиду специфичности ее применения выходит за рамки данной статьи.

По характеристикам использованных ВЧ-фильтров дуплексные фильтры подразделяются на следующие категории.

Полосовые (BandPass), пропускающие сигналы определенного частотного участка с минимальными потерями и ослабляющие сигналы вне этой полосы частот. Ослабление возрастает по мере удаления от центральной частоты, на которую настроен фильтр. Дуплексные фильтры полосового типа лучше всего подходят для систем со средним и большим разносом между частотами приема и передачи. При использовании на малых разносах частот может потребоваться установка дополнительных режекторных фильтров.

Режекторные, или заградительные (Notch или Band Reject), подавляющие сигналы определенной частоты и пропускающие остальные с минимальными потерями. Ослабление быстро уменьшается по мере удаления от центральной частоты.

Режекторный дуплексный фильтр обеспечивает защиту только собственного приемника от мощного сигнала собственного передатчика и практически не влияет на защиту других близко расположенных приемников от внеполосных излучений передатчика. Кроме того, он не предотвращает попадания на выход передатчика сигналов, наведенных другими близко расположенными передатчиками и обусловливающих появление интермодуляционных помех. В связи с этим при установке ретранслятора с режекторным дуплексером в непосредственной близости от других приемопередающих средств может потребоваться установка
дополнительных полосовых фильтров и (или) ферритового изолятора с гармониковым фильтром на выходе передатчика.

Комбинированные (Band Pass/Band Reject), сочетающие в себе характеристики полосовых и режекторных фильтров. Фильтры данного класса имеют несколько фирменных названий, являющихся торговыми марками конкретных производитеьтров этого типа могут использоваться как комбинации отдельных полосовых и режекторных фильтрующих элементов, так и специальные типы резонаторов, имеющие характерную амплитудно-частотную характеристику с ярко выраженными полосами пропускания и режекции, которые в определенных пределах могут независимо перестраиваться. На рис. 3, 4 приведены типичная амплитудно-частотная характеристика и пример конструкции данного типа резонаторов. Настройка частоты режекции производится перемещением диэлектрического плунжера в конденсаторе, а настройка центральной частоты полосы пропускания – центрального плунжера коаксиального резонатора.

Использование дуплексных фильтров комбинированного типа позволяет улучшить качество изоляции между приемником и передатчиком при неизменном количестве типоразмеров резонаторов, а также повысить уровень подавления нежелательных сигналов. Кроме того, по сравнению с дуплексерами полосового типа данный тип обладает лучшими характеристиками при малых разносах частот приемника и передатчика.

К сожалению, попытки производства данной категории изделий в России пока не привели к впечатляющим результатам как по ассортименту, так и по соотношению цена–качество. Все предложения отечественных изделий имеют тенденцию скатываться до двух «крайностей» – либо очень качественные, но непомерно дорогие заказные, выпускаемые на базе оборонных предприятий, либо мелкосерийные, производимые в полукустарных условиях.

Однокристальная система для мобильных устройств связи (ISD5008)

В данной публикации речь пойдет о ChipCorder фирмы Integrated Storage Devices (ISD) — подразделения Winbond Electronics. Микросхема ISD5008 предназначена для использования в мобильных средствах связи и служит для согласования аналоговых сигналов звукового диапазона. В микросхеме предусмотрена прямая связь с элементами акустического преобразователя и обеспечивается преобразование сигнала при регулировке, мультиплексировании, фильтрации и смешении двух независимых сигналов. Система обеспечивает запись этих обработанных аналоговых сигналов в энергонезависимое флэш-ППЗУ для последующего использования. Управление ISD5008 осуществляется через последовательный интерфейс, который используется для конфигурирования и управления устройством. Как сама система, так и все необходимые ее компоненты реализованы непосредственно на кристалле, включая элементы аналоговой обработки, энергонезависимую память, схемы формирования высокого напряжения и опорный генератор.

В любом мобильном устройстве связи, например в сотовом телефоне (рис. 1), обязательной является возможность обработки двух потоков информации: исходящего (от пользователя к удаленному абоненту) и входящего (от удаленного абонента к пользователю). Помимо этого, в системе мобильной связи желательна реализация таких функций, как полнодуплексная запись и воспроизведение голоса, авто- ответчик и отображение номера абонента. Важнейшим фактором, определяющим качество устройства связи, служит минимальное число внешних элементов и низкое энергопотребление. В данной статье описывается однокристальная система для обработки и хранения речевых сигналов, в которых реализованы все вышеупомянутые функции. Установленная между базовым модулем сотового телефона и акустическим преобразователем (динамик, микрофон), эта микросхема обеспечивает обработку нескольких аналоговых сигналов, значительно улучшая интеграцию на системном уровне.

Рис. 1. Системная конфигурация мобильного устройства связи

Предпосылки разработки

В существующих системах записи и воспроизведения речи [1–3] сигналы записываются с постоянной частотой выборки, что приводит к постоянному времени обработки. Ограниченный набор функций интерфейса, только один входной и один выходной каналы, отсутствие обработки сигнала — таковы возможности этих приборов. В результате для создания интерфейса мобильного устройства связи требуются дополнительные внешние элементы, что в итоге приводит как к увеличению потребляемой мощности, так и к росту стоимости всего устройства. В микросхеме ISD5008 все необходимые внешние элементы интегрированы на кристалле. Таким образом, она отличается от существующих приборов тем, что имеет следующие характеристики:

несколько цепей передачи сигнала от входа к выходу, конфигурируемых пользователем;

схему АРУ сигнала микрофона и усилитель для динамика, что позволяет напрямую подключаться к акустическим элементам;

схемы регулировки громкости и фильтрации;

аналоговый вход с регулируемым коэффициентом передачи;

дополнительные вход и выход, обеспечивающие подключение внешних устройств (например, в автомобиле);

дополнительные возможности конфигурируемого суммирующего усилителя, позволяющие записывать и воспроизводить сигналы обеих сторон при разговоре;

многоуровневую энергонезависимую память с одним миллионом циклов записи/чтения и хранением данных в течение 100 лет;

задаваемую пользователем продолжительность записи. Архитектура системы

Функционально микросхема разделена на три части. Верхняя секция состоит из схемы формирования высокого напряжения, необходимого для программирования флэш-памяти, цифровой логики для интерфейса SPI (последовательный периферийный интерфейс), схемы управления и схемы задающего генератора. Средняя секция содержит матрицу памяти, драйверы столбцов и декодеры строк. В состав драйверов столбцов входят устройства выборки/хранения (УВХ) вместе с аналоговыми компараторами для реализации алгоритма хранения аналоговых сигналов в энергонезависимой памяти. В нижней части находятся аналоговые цепи и соответствующие схемы обработки аналоговых сигналов, а также схемы формирования опорных сигналов. Для снижения уровня помех питание подается по трем отдельным шинам: шине схем формирования высокого напряжения, шине цифровой логики и шине аналоговой секции. ISD5008 работает при напряжении питания 3 В и содержит программируемую схему управления питанием, что позволяет минимизировать потребление во всех режимах. Организация памяти

Базовым элементом матрицы памяти (в дальнейшем — памяти) является элемент размером 0,6 мкм (рис. 2), выполненный по технологии SSI (двойная поликристаллическая инжекция). Флэш-элементы организованы в виде матрицы (рис. 3) линии битов/линии слов и линий общего истока, которые доступны через соответствующие строки. Каждый такой элемент памяти состоит из транзистора выбранного затвора (SG) и транзистора плавающего затвора (FG), соединенных в конфигурацию с разделенными затворами. Таким образом, элемент памяти имеет три вывода: общий исток (CS), доступный со стороны FG-транзистора; сток, доступ к которому возможен через SG-транзистор; выбранный затвор. Сама матрица памяти организована как архитектура ИЛИ-НЕ, где выбранные затворы формируют линии слов, а стоки, связанные первой металлизацией, — линии битов. Линии общих истоков, параллельные линиям слов, связаны вторым слоем металлизации. Напряжение программирования подается на плавающий затвор через диффузию общего истока на перекрытие FG. Горячие носители заряда из тока канала активируют ударную ионизацию на истоке FG-транзистора, обеспечивая тем самым эффективность программирования элемента матрицы.


Рис. 2. Поперечное сечение элемента памяти	Рис. 3. Организация матрицы памяти

Алгоритм и параметры программирования Алгоритм записи

Для записи аналогового сигнала из устройства выборки/хранения в ячейку памяти используется специальный алгоритм записи. Этот алгоритм основан на программе итераций замкнутого цикла и цикле проверки. Вначале выполняется очистка элемента памяти, после чего на общий исток подается последовательность импульсов (рис. 4, а). Столбец выбирается уменьшением соответствующего тока программирования с линии битов (рис. 4, b). После каждого импульса программирования содержимое элементов памяти считывается и сравнивается с соответствующим значением из УВХ. При достижении требуемого значения падение тока линии бита прекращается, исключая тем самым дальнейшее программирование элемента памяти.

Рис. 4. Схема многоуровневого аналогового программирования

Реализация

Специфическая реализация данного алгоритма повторяющихся циклов для SSI флэш-элемента представлена на рис. 5. Для каждого цикла программирования напряжение выбранного затвора (SG) устанавливается на уровне Vsg, ток программирования линии битов задается на уровне Ip источником тока. На линию общего истока (CS) подаются импульсы напряжения программирования Vpg, равного Vcs. Во время каждого импульса программирования время программирования tp управляется ключом заданного истока. Импульсы программирования подаются с нарастанием амплитуды от 6 до 12 В с шагом DVpg. Процесс программирования прекращается при достижении значения Vsf. После каждого импульса программирования происходит считывание значения Vsf в элементе (табл. 1). В табл. 2 приведены параметры для работы с элементами памяти. Во время чтения напряжение Vsf истокового повторителя линии битов определяется как заряд плавающего затвора. Данный метод эффективен при измерении отрицательного напряжения на элементе памяти Vt, то есть Vsf ~ -Vt. На рис. 6 и 7 показана зависимость Vsf от Vsg и Vcs соответственно. Таблица 1. Параметры алгоритма программирования

Наименование параметра	Значение
Напряжение стирания, Verase, В	15
Напряжение программирования (низкий уровень), Vprog_LOW, В	6
Напряжение программирования (высокий уровень), Vprog_HI, В	12
Ток программирования, Iprog, мкА	0,5
Шаг программирования, Vstep, мВ	16
Число импульсов	380

Таблица 2. Параметры режимов работы с памятью

Параметр	Режим работы
Параметр	Стирание	Программирование	Чтение
Ток линии битов, Ip или Id, мкА	-	-1	-1
Напряжение общего истока, Vcs, В	0	6-12	2,2
Напряжение выбранного затвора, Vsg, В	~15	2,3	4,2
Напряжение линии битов, Vsf, мкА	Плавающее	~0,8	Измерение

Рис. 5. Процесс программирования и сравнения при записи сигнала в элемент памяти


Рис. 6. Зависимость напряжения истокового повторителя от напряжения на выбранном затворе	Рис. 7. Зависимость напряжения истокового повторителя от напряжения на общем истоке

Схемы выборки и записи

После того как сигнал был занесен в УВХ, выполняется параллельное занесение выборок в ячейки памяти. Для этого в системе реализовано несколько схем УВХ, в результате чего время выборки становится значительно меньше времени программирования элементов памяти. Выборки будут храниться и использоваться схемой записи. Схема УВХ представлена на рис. 8.

Рис. 8. Схема устройства выборки/хранения Эта схема может быть подключена к операционному усилителю с единичным коэффициентом усиления (OP Amp), который является общим для всех УВХ. Подключение заданного УВХ выполняется по сигналу выбора «select». Когда схема УВХ отключена, выборка аналогового входного сигнала может быть восстановлена из истокового узла «собственного» n–МОП-транзистора. Это напряжение будет затем использовано для программирования элемента памяти. По сигналу «bank select» (выбор банка) производится подключение одного из двух банков схем УВХ: А или В. Во время программирования выборок может выполняться загрузка выборок из одного банка в другой. Таким образом, программирование матрицы памяти представляет собой непрерывный процесс. При программировании выбор узла общего истока и узла вентиля выполняется декодером «Xdecoder». Формирователь «Waveshaper» и высоковольтный драйвер «Driver» формируют сигнал, как показано на рис. 10.

Рис. 10. Архитектура блока хранения данных Этот сигнал подается на выбранный узел общего истока. Во время каждого цикла программирования высоковольтный (HV) импульс поступает на узел общего истока, в то время как ток программирования протекает через выбранную линию битов. Эта линия битов выбирается мультиплексором столбцов (MULTIPLEXER). После подачи высоковольтного импульса напряжение на истоковом повторителе Vsf считывается и сравнивается с напряжением выборки. Если Vsf меньше или равно напряжению выборки, то регистр-защелка будет сброшен. Это приведет к тому, что выбранная линия битов будет привязана к напряжению запрета Vxx, что в свою очередь приведет к остановке процесса программирования. На кристалле создано несколько схем УВХ с компаратором и мультиплексором столбцов, что позволяет программировать несколько элементов параллельно. Формирование и подача высокого напряжения

Для понимания формирования и подачи высокого напряжения рассмотрим упрощенную блок-схему (рис. 11). Импульсы стирания и итерационного программирования генерируются через блок CDAC (см. рис. 4, а) который представляет собой цифро-аналоговый преобразователь. CDAC формирует импульсы от 6 до 12 В с шагом 16 мВ с помощью 10-разрядного счетчика (HVINC). Эти импульсы поступают на общий исток ячейки памяти. Во время чтения и программирования используются два отдельных операционных усилителя. Напряжение, поданное на линию общего истока, нечувствительно к броскам питания, что позволяет устранить «провал» при переключении декодера. Затем импульсы напряжения проходят через предекодер (XRED) и декодер (XDEC), в результате чего поступают на те ячейки памяти, которые должны быть запрограммированы.

Рис. 11. Упрощенная блок-схема формирования и подачи высокого напряжения

Еще...

<< В начало < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 Следующая > В конец >>

Всего 1 - 9 из 51

IP телефония

На сегодняшний день IP телефония является одной из наиболее привлекательных сфер деятельности на рынке телекоммуникаций. Не очень высокая цена оборудования и стоимость построения сети связи (не считая стоимости лицензий) побуждают операторов связи к попыткам начать (или уже вести) бизнес в этой сфере деятельности и на территории Украины.
В то же время, неопределенность законодательства, а именно в каждом конкретном случае предоставление услуг IP телефонии можно трактовать как уже лицензируемый вид связи либо ещё только ожидающий принятия ряда нормативных актов для его лицензирования.
Так в принятом Законе Украины «О телекоммуникациях» в статье 42 п.3 прописано, что лицензируются услуги предоставления фиксированной телефонной связи с правом технического обслуживания и предоставления в эксплуатацию каналов международной, междугородней и городской связи.
Поэтому получается двойственная ситуация, конкретно про IP телефонию в законе не сказано ни слова, но в тоже время IP телефония это как раз и есть международная связь.
Но на желание пролицензировать этот вид связи операторы получают ответ, что нормативная база в настоящее время приводится в соответствие с Законом Украины «О телекоммуникациях», поэтому заявки к рассмотрению не принимаются.
Все попытки операторов начать деятельность в этой сфере деятельности без лицензий сразу же пресекаются контролирующими органами.
Вот и получается ситуация, что пролицензировать такой вид связи как IP телефония еще нельзя так как не приняты необходимые законодательные акты, а начать деятельность без лицензии опять же нельзя так как предоставление услуг телефонии подпадает под вид связи подлежащий лицензированию.
Возникает вопрос, как же и на каком основании работает то огромное количество различных «подпольных» пунктов предоставления услуг IP телефонии. Слово подпольных не случайно написано в кавычках.
Нам с Вами остаётся только надеяться, что когда вопрос с предоставлением услуг IP телефонии решится, то исполнительная власть не начнет подводить под эту же статью и другие интернет услуги. Кто сможет доказать например, что тот же «Чат», рассылки новостей и прочее не подлежат лицензированию владельцами веб сайтов на которых они располагаются.
Но хватит о теории, перейдем к практике.

Краткое техническое описание и принцип работы шлюза IP – телефонии:
Шлюз IP – телефонии представляет собой легко масштабируемое решение для организации связи на основе технологии Voiceover IP. Многие основные платформы, например Cisco, позволяют расширять существующие возможности имеющегося устройства. Причем это сделать не сложнее, чем установить модем.
Принцип работы шлюза основан на применении специальной разновидности RISC процессоров – DigitalSignalingProcessor (DSP). Данный процессор обладает высокой производительностью при обработке аналоговых сигналов, к которым относится голос. Рассмотрим основные принципы работы шлюза IP – телефонии.
Для компрессии голоса используются следующие типы кодеков G.711, G.723, G.729. Процессор шлюза обеспечивает подавление паузы в разговоре (функция VAD), аппаратное эхоподавление, с размером буфера до 120 мс, генерацию комфортного шума. При использовании G.729 количество одновременных разговоров уменьшается вдвое по сравнению с использованием G.723. Например, если шлюз поддерживает два одновременных разговора в кодеке G.723, то при использовании G.729 процессор устройства сможет осуществить компрессию только одного разговора. Однако, количество каналов шлюза не уменьшится – второй разговор будет использовать кодек G.711. При этом на втором канале будет автоматически отключена функция подавления паузы и ограничен буфер эхоподавления. Величина буфера эхоподавления напрямую влияет на качество голоса при увеличенных задержках на медленных Интернет – каналах. Если при использовании буфера целиком разговор может идти при задержке до 500-700 мс, то при уменьшении буфера это становится невозможным.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что оптимальной настройкой будет использование кодека G.723, при полном задействовании буфера эхоподавления.
Также шлюз поддерживает передачу сигналов DTMF по IP – сети, и, на хороших каналах передачу факсов с использованием кодека G.711, при этом определение DTMF сигналов и сигнала факс – аппарата происходит автоматически.

Передача пакетов с голосом происходит по протоколу UDP, этот протокол выбран потому, что он не содержит в заголовке пакета адрес отправителя – это определяет его как пакет с негарантированной доставкой, что не влияет на качество при устойчивом канале и увеличивает количество места в пакете для голоса. Обмен голосовыми пакетами идет с использованием сигнализации H.323, при которой происходит динамическое назначение порта обмена пакетами. Использование динамики увеличивает вероятность прохождения пакетов без потерь, но в то же время вносит свои требование к программному обеспечению, обеспечивающего защиту локальной компьютерной сети, в которую включен шлюз.

Шлюзы также делятся на аналоговые и цифровые. Тип шлюза определяется подключением к телефонии. Цифровое подключение подразумевает под собой применение потока E1 с различными типами сигнализации или линии ISDN. Аналоговое включение использует стандарты “бытовой” телефонии и, следовательно, наиболее распространенно.
Поскольку цифровые шлюзы оправданы только при большом количестве одновременных разговоров (несколько десятков), рассмотрим только требования к подключению аналогового шлюза.
Основные требования, предъявляемые к подключению шлюза IP – телефонии
Основным требованием предъявляемым к выделенному Интернет – каналу является его пропускная способность и устойчивость. Желательно, чтобы ширина канала была не менее 128 кбит/сек. Для IP – телефонии необходимо тестировать адрес 212.53.35.244. Оптимально, когда задержка не превышает 100 мс и потери пакетов отсутствуют или не более 10 %. Оптимально, когда для шлюза используется отдельный внешний IP адрес, на который открыты все протоколы и все порты. Однако, в большинстве случаев, такой возможности нет, и приходится использовать внутренние адреса локальной сети. Это означает, что необходимо использовать программное обеспечение поддерживающее протокол H.323. Также необходим свободный разъем на Hub или Switch.

Подключение к телефонии

В тип разъема FXS возможно включить обычный телефонный аппарат или соединить его с разъемом под городскую линию (CO) на офисной мини-АТС. Тип разъема FXO используется для подключения к внутренним линиям мини-АТС. Как правило, наиболее удобным в использовании является тип разъема FXS.
Таким образом для подключения устройства к мини-АТС необходимо иметь на ней свободные разъемы под городские линии (CO). Количеству свободных разъемов должно соответствовать количество каналов шлюза IP – телефонии. На данный момент наиболее распространенны аналоговые шлюзы на два или четыре одновременных разговора.

Авторизация

Эволюциясхемотехники передатчиков переносных радиостанций диапазонов UHF и VHF за последние несколько лет

IP телефония