Разработка устройства передачи сигналов стандарта DRM

• 1. Введение
• 2. DRM
• 2.1 Основные технические характеристики
• 2.2 Блок-схема передающей части системы DRM
• 3. Цифровая система передачи
• 4. Последовательный интерфейс
• 5. Логические уровни
• 6. Разработка структурной схемы
• 6.1 Общая структурная схема
• 6.2 Микроконтроллер
• 6.3 Программируемая логическая интегральная схема
• 6.3.2 Схема фильтрации и интерполяции сигнала
• 6.4 Цифро-аналоговый преобразователь
• 6.5 Блок формирования опорной частоты
• 6.6 Подробная структурная схема
• 7. Экономическая часть
• 7.1 Затраты на НИОКР
• 8. Безопасность жизнедеятельности
• 8.1 Электромагнитная безопасность
• 8.2 Защита от воздействия электромагнитного поля
• 8.3 ЭМП диапазона частот 30 кГц — 30 МГц
• 8.4 Причины возникновения пожаров
• 8.5 Категория помещения по пожарной безопасности
• 8.6 Профилактика пожара
• 9. Выводы и результаты
• 9.1 Состав испытуемого оборудования
• 9.2 Методика испытаний
• 9.3 Результаты испытаний
• Список литературы
• Приложения

1. Введение

Выбор темы дипломной работы обусловлен актуальностью цифрового радиовещания в современных условиях развития радиосистем. Помимо общеизвестных отличий цифрового радиовещания от аналогового, еще одним выгодным отличием является то, что переход на цифровое радиовещание одобрен правительством РФ.

Радиовещание в КВ диапазоне является одной из важных частей мировой и национальной политики, предоставляя большие возможности для дальних радиопередач. КВ — диапазон радиоволн с частотой от 3 МГц (длина волны 100 м) до 30 МГц (длина волны 10 м). Коротковолновый радиоканал в настоящее время является эффективным средством решения проблем дальней связи. До недавнего времени их не внедряли вследствие их громоздкости, сложности в эксплуатации, низкой пропускной способности и надежности связи. Стремительное развитие вычислительной техники и микроэлектроники стимулировало успехи в развитии технологии коротковолновой связи. КВ диапазон имеет некоторые особенности распространения волн. Они могут отражаться от верхних слоев атмосферы и достигать объектов вне прямой видимости. КВ диапазон, в основном, используется для любительской, персональной и служебной радиосвязи, а также для международного радиовещания. При таком типе распространения сигнал наземной антенны отражается от ионосферы, по направлению к Земле. Отражение сигнала от верхних слоев атмосферы может происходить многократно. Если радиоволна распространяется таким образом, сигнал может быть принят на расстояние тысяч километров от передатчика. Однако коротковолновый радиоканал существенно зависит от состояния ионосферы, которая, как известно, нестабильна. Достаточно низкое качество аналогового АМ вещания, объясняемое большой зависимостью от изменяющихся параметров ионосферного распространения радиоволн, приводит к убыванию возможных радиослушателей. Основной целью цифрового радиовещания DRM является — улучшение качества приема по сравнению с привычным аналоговым радиовещанием в КВ диапазоне, в результате переведя вещательные КВ каналы из разряда информационных в разряд художественно-информационных.

Digital Radio Mondiale (DRM) единственное в своем роде стандартизованное и признанное на мировом уровне решение для цифрового вещания в КВ диапазоне (до 30 МГц). DRM был разработан международным консорциумом. В него входят организаторы радиовещания со всего мира. Стандарт уже находится в постоянном использовании у некоторых радиовещателей Европы. У других же пока проходит этап тестирования. Чаще всего вещание в DRM происходит в Германии, чем в других странах. Германия крупнейшая поставляющая база данного формата. В Германии сильная исследовательская база для развития цифрового радио, которая помогает продолжать развивать DRM.

В России была принята государственная программа по DRM.28 марта 2010 года премьер-министром РФ Владимиром Путиным было подписано распоряжение Правительства РФ № 445-р. В распоряжении говорится о целесообразности внедрения в Российской Федерации европейской системы цифрового радиовещания DRM. Также распоряжение, Минкомсвязи и Минпромторгу России организовать в 2011 году разработку национальных стандартов системы цифрового радиовещания DRM. И Ростехрегулированию обеспечить утверждение в установленном порядке национальных стандартов системы цифрового вещания DRM. К 2015 году планируется развернуть по стране сеть, которая позволит пользоваться всеми преимуществами цифрового радио.

система цифровое радиовещание стандарт

2. DRM

2.1 Основные технические характеристики

Digital Radio Mondiale (DRM — всемирное цифровое радио) — это система цифрового радиовещания (ЦРВ) со множеством функций, которая применяется в диапазонах частот, не более 30 МГц.

Значения ширины полос частот, занимаемых радиосигналами DRM радиовещания: 4,5; 5; 9; 10; 18 и 20 кГц.

DRM может обеспечить прием стереофонических и монофонических программ с качеством звуковоспроизведения, намного более высоким, чем при АМ-радиовещании. Возможна также передача всем или некоторым пользователям речевые сигналы и разнообразная дополнительная информация.

Также DRM предоставляет возможность для совместной передачи в одном канале сигнала цифрового радиовещания и аналогового сигнала с АМ иои ОМ модуляцией.

Технические решения, реализованные в системе DRM, дают высокую устойчивость приема сигналов при воздействии неблагоприятных факторов в каналах передачи (помехи, замирания, многолучевое распространение и т. д.). Это дает возможность осуществлять качественный прием сигналов DRM в стационарных и походных условиях, а также в транспорте или других подвижных объектах.

Система DRM построена таким образом, что обеспечивает выполнение самых разных требований радиовещательных служб во всем мире.

Если необходимо передать одну и ту же программу в нескольких разных радиоканалах, в системе DRM есть функция автоматической настройки приемника на частоту канала, оптимальную с точки зрения качества приема.

2.2 Блок-схема передающей части системы DRM

Рис.1

Как следует из рис. 1, обработка сигналов производится в несколько этапов.

Сначала происходит кодирование (сжатие, компрессия) сигналов. Кодирование необходимо для понижения скорости передачи цифровых потоков, поступающих на вход передающей части DRM. Если пропускная способность канала передачи сигналов ограничена, кодирование увеличивает количество передаваемых программ.

В системе DRM применяются три MPEG4 аудиокодека: MPEG-4 AAC, MPEG-4 CELP и MPEG-4 HVXC. Эти аудиокодеки различаются по области применения и скорости передачи данных.

В передающем тракте системы DRM формируются три системных канала:

· Main Service Channel (MSC — главный канал передачи пользовательской информации);

· Fast Access Channel (FAC — канал быстрого доступа);

· Service Description Channel (SDC — канал описания пользовательской информации).

В канале FAC передается информация о полосах частот, занимаемых радиосигналами DRM, режиме модуляции, количестве и типах цифровых потоков в MSC, идентификации программ и др.

Канал SDC предназначен для передачи информации о конфигурации мультиплексирования MSC, условном доступе, частоте сигнала, районе обслуживания, языке вещания, времени, дате и др.

Мультиплексер объединяет указанные цифровые потоки.

Рандомизация необходима для выравнивания энергетического спектра (во избежание провалов). Происходит дополнение цифровых потоков псевдослучайными последовательностями битов.

Канальный кодер представляет собой сверточный код. Он производит помехоустойчивое кодирование информации, для рассредоточения групповых ошибок и преобразования информации в так называемые «QAM-ячейки».

QAM-ячейки в канале MSC подвергаются перемежению. Перемежение делается для того чтобы разнести ошибки, т. е. для того чтобы увеличить эффективность работы канального декодера на приёмной стороне.

Для того чтобы исключить временные задержки, связанные с процедурой перемежения, и повысить оперативность работы приемника DRM, перемежение QAM-ячеек в каналах FAC и SDC не применяется.

В генераторе пилот-ячеек вычисляются все параметры DRM (количество поднесущих и их расстановка, значения пилотов усиления, временных пилотов, частотных пилотов и т. д.).

OFDM — преобразователь формирует так называемую «частотно-временную сетку».

OFDM — генератор сигналов преобразует в цифровой форме каждый ансамбль ячеек с одинаковыми временными индексами в совокупность модулированных несущих, разнесенных по частоте с определенным интервалом. Затем образуется полный OFDM-символ путем введения защитного интервала, который представляет собой повторение части символа и служит для предотвращения межсимвольной интерференции.

В модуляторе производится преобразование цифрового OFDM-сигнала в аналоговый. Эта операция включает в себя цифро-аналоговое преобразование, частотное преобразование вверх, фильтрацию. Далее сигнал поступает на вход DRM-передатчика и затем передается в виде радиоволн. [1]

3. Цифровая система передачи

Наиболее простым вариантом цифрового передатчика с цифровым выходом можно считать комбинацию из цифрового сигнального процессора (DSP) и прямого цифрового синтезатора частоты (DDS), рис. 2. При этом DDS должен иметь одиночный (не квадратурный) выход. Такой передатчик может формировать сигналы с амплитудно-фазовыми видами модуляции (АМ, ЧМ, SSB, PSK, FSK, QAM) на частотах до десятков МГц.

Рис.2

На схеме представлена реализация цифрового передатчика на основе DSP-процессора. DSP — это специализированный микропроцессор, предназначенный для цифровой обработки сигналов. Процессоры DSP имеют преимущество при выполнении последовательных или насыщенных циклами алгоритмов, а также при реализации сложных алгоритмов, требующих вычислений с плавающей точкой. Также процессоры хорошо подходят для реализации малобюджетных проектов, не требующих большой вычислительной мощности, а также для создания устройств с низким энергопотреблением. Альтернативой DSP, при реализации цифровой обработки сигналов, являются ПЛИС (программируемая логическая интегральная схемы). Основные достоинства ПЛИС это:

— высокое быстродействие;

— возможность реализации сложных параллельных алгоритмов;

— наличие средств САПР, позволяющих проводить полное моделирование систем;

— возможность программирования или изменения конфигурации;

— совместимость при переводе алгоритмов на уровне языков описания аппаратуры (VHDL, AHDL, Verilog и др.);

— совместимость по уровням и возможность реализации стандартного интерфейса;

— наличие библиотек программ, описывающих сложные алгоритмы.

Архитектура ПЛИС как нельзя лучше приспособлена для реализации таких операций, как умножение, свертка и т. п. Быстродействие ПЛИС позволяет реализовывать многие алгоритмы в радиочастотном тракте (в частности алгоритмы фильтрации). В нашем устройстве мы будем использовать в качестве ядра цифрового формирования ВЧ сигналов ПЛИС. Главным образом это обусловлено тем, что ПЛИС позволяют эффективно реализовывать сложные параллельные алгоритмы даже на микросхемах относительно недорогих семейств. Правда в отличие от DSP ПЛИС необходимы некоторые внешние элементы, такие как: память данных и память программ, тактовый генератор, формирователь шины или схемы управления и т. п. Следовательно в нашу схему следует добавить микроконтроллер и тактовый генератор соединенных с ПЛИС. Таким образом схема нашего проектируемого устройства будет выглядеть как на рис. 3.

Рис.3

После цифровой обработки сигнала необходимо получить сигнал в аналоговой форме, поэтому к ПЛИС подключается ЦАП. Цифро-аналоговый преобразователь принимает параллельные цифровые данные и создает аналоговый выходной сигнал, являющийся функцией входного цифрового кода. Основными характеристиками при выборе ЦАП служат:

разрядность N (задаваемую в битах). И 2 в степени N младших значащих бит (МЗБ) определяют максимальный выходной аналоговый сигнал;

интегральная нелинейность (Integral NonLinearity — INL), показывающая, насколько передаточная характеристика ЦАП отличается от идеальной, строго линейной характеристики;

дифференциальная нелинейность (Differenrial NonLinearity — DNL) определяет, насколько приращение аналогового сигнала, полученное при увеличении кода на 1 МЗБ, отличается от идеального значения;

погрешность смещения ЦАП, определяющая отклонение реального выходного сигнала от идеального равна выходному сигналу при отсутствии на входе цифровых данных. Эта погрешность постоянна для всех входных цифровых данных и может быть компенсирована соответствующей калибровкой. Приемлемое значение погрешности обычно меньше ±10 мВ;

погрешность преобразования (разность между значениями максимального напряжения идеального и реального выходного аналогового сигнала после вычета погрешности смещения);

частота дискретизации, т. е. частота, на которой ЦАП способен выдавать на выходе корректный результат. Частота дискретизации должна быть не меньше удвоенной максимальной частоты в спектре сигнала;

SFDR (отношение сигнал/шум+искажения), характеризует в децибелах отношение мощности выходного сигнала к суммарной мощности шума и гармонических искажений.

Выход ЦАП наряду с нужными частотными компонентами содержит и нежелательные высокочастотные компоненты, или зеркальные изображения, центрированные на частотах, кратных частоте дискретизации. В зависимости от приложения высокочастотные компоненты могут вызвать нежелательные побочные эффекты. Во избежание этого на выходе ЦАП ставится аналоговый антиимиджинговый фильтр. Роль данного фильтра заключается в сглаживании шагов выхода ЦАП и устранении таким образом нежелательных высокочастотных компонентов. Фильтр должен обеспечивать достаточное подавление характеристики на частотах превышающих частоту Найквиста.

4. Последовательный интерфейс

Последовательный ввод-вывод используется для обмена данными между микроконтроллером и удаленными периферийными устройствами ввода-вывода. Данные передаются в последовательном коде, т. е. биты передаются во временной последовательности друг за другом по одному каналу связи. Это дает возможность использовать один канал связи вместо нескольких в случае параллельного кода. Однако при этом снижается быстродействие канала связи.

Одним из наиболее широко используемых стандартов при реализации последовательного интерфейса является стандарт RS-232. Стандарт предусматривает двухточечную и многоточечную коммуникацию в полудуплексном и дуплексном режимах на расстоянии до 15 метров. При скорости до 20 Кбод. При передаче используются уровни сигналов — 12 В и +12 В. Микросхемы реализующие интерфейс RS-232: MAX202, MAX232 фирмы MAXIM.

5. Логические уровни

Проектируемое цифровое устройство строится на основе цифровых интегральных микросхем. В настоящее время наиболее широко распространены две технологии изготовления цифровых микросхем — ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) и КМОП (комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник). У ТТЛ уровень нуля равен 0,4 В, уровень единицы 2,4 В. У логики КМОП уровень нуля очень близок к нулю вольт, уровень единицы примерно равен напряжению питания который может быть от 3−15 вольт. В любом случае единица соответствует высокому напряжению, а ноль низкому. Цифровые схемы рекомендуется строить, используя микросхемы только одного типа логики. Это связано именно с различием в логических уровнях цифровых сигналов. Тип логики выбирают исходя из следующих соображений: скорость или рабочая частота, энергопотребление. Но не всегда можно обойтись одним типом. Например, один блок должен иметь низкое энергопотребление, а другой высокую скорость. Воспрепятствовать формированию различных типов логики может несовместимость входных логических уровней, возможности выходного формирователя, напряжения питания. В этом случае требуется использовать преобразователи уровней.

Стандартные ТТЛ и КМОП микросхемы — это микросхемы, питающиеся от источника напряжения +5 В. Но в настоящее время происходит активный переход к микросхемам с пониженным напряжением питания, таким как 3,3 В 2,5 В или 1,8 В. Снижение напряжения питания цифровых микросхем обусловлено двумя причинами. Первая это снижение потребляемой мощности. Снижение напряжения питания с 5 до 3,3 В только по закону Ома приводит к снижению потребляемой мощности в 2,3 раза. Вторая причина — это уменьшение линейных размеров транзисторов. При снижении линейных размеров транзисторов уменьшается их пробивное напряжение. В настоящее время наиболее распространённым напряжением питания цифровых микросхем стало напряжение питания 3,3 В. Современные устройства, достаточно велики и имеет смысл снабдить их несколькими источниками питания. Низкое напряжение, скажем 2.5 В, служит питанием для внутренних узлов микросхемы, ее логического ядра. Большое напряжение, например 3.3 В, используется для питания внешних цепей ввода и вывода, образующих интерфейсный блок, посредством которого осуществляется сопряжение со схемами старшего поколения, примененными в системе.

6. Разработка структурной схемы

6.1 Общая структурная схема

В данном разделе будет представлена структурная схема устройства.

Рис.4

На рис. 4 представлена общая структурная схема разрабатываемого устройства. Устройство состоит из 4-х основных блоков. А именно:

— микроконтроллер (МК), модели ATMEGA128-AU;

— программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), семейства Cyclone III;

— цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), AD9857AST;

— блок формирования опорной частоты.

6.2 Микроконтроллер

Микроконтроллер в нашем устройстве служит для программирования схемы DDS и взаимодействия с ПЛИС. Он управляет сбросом и запуском ПЛИС, в нем задаются параметры DRM сигнала такие, как частота, параметры MDI и т. п. Также микроконтроллер формирует сигналы для управления DDS. У DDS есть программируемый интерфейс, а в микроконтроллере есть программа, которая после запуска передает соответствующие команды DDS. Сначала запускается микроконтроллер, у него есть свой кварцевый резонатор, поэтому ему тактовая частота от блока формирования частоты не нужна. Далее микроконтроллер программирует блок DDS, после того как DDS сформировал опорную частоту, микроконтроллер программирует ПЛИС.

По техническому заданию был выбран микроконтроллер фирмы Atmel, Atmega128-AU.

ATmega128 является маломощным 8-разрядным КМОП микроконтроллером, основанном на расширенной AVR RISC-архитектуре. За счет выполнения большинства инструкций за один машинный цикл ATmega128 достигает производительности 1 млн. операций в секунду/МГц, что позволяет проектировщикам систем оптимизировать соотношение энергопотребления и быстродействия.

Ниже в таблице 1 приведены его технические характеристики.

Табл.1

Принципиальная схема микроконтроллера представлена в Приложении 1 на рис. 13.

6.3 Программируемая логическая интегральная схема

В ПЛИС происходит основная обработка входного сигнала (фильтрация, интерполяция, БПФ и т. д.) и получение выходного. Сигнал DRM имеет максимальную полосу пропускания 20 кГц, частота дискретизации звуковых частот 48 кГц. Следовательно основная обработка в нашем устройстве будет осуществляться на частоте дискретизации 48 кГц.

ПЛИС будет работать на тактовой частоте 98,304 МГц. В продаже удалось найти доступный фильтр только на частоту 98,304 МГц, кратную частоте 48 КГц. Также 98,304 МГц обеспечивает необходимый инженерный запас для сигналов КВ диапазона 1,5 — 30 МГц.

По техническому заданию был выбран ПЛИС компании Altera семейства Сyclone III. ПЛИСы компании Altera обеспечивают надёжность и многообразие функциональных возможностей, а также гарантируют низкое энергопотребление, являясь, таким образом, идеальными для экологичных, высокопродуктивных устройств и систем.

Ниже в таблице 2 представлены технические характеристики ПЛИС Altera Cyclone 3 EP3C25.

Табл.2

Принципиальная схема ПЛИС представлена в Приложении 1 на рис. 14,15,16.

6.3.1 Кодер-модулятор

Основная обработка сигнала на частоте 48 кГц осуществляется в кодер-модуляторе. Схема приведена на рис. 5.

Рис.5

Для формирования сигнала на ПЛИС через RS232 передаются данные по MDI-интерфейсу. Для ПЛИС можно написать программный модуль — драйвер RS232. Входной буфер с выделителем каналов и исходных параметров используется для синхронизации с RS232, где передается MDI поток. В кодерах происходит помехоустойчивое кодирование информации и через символьный перемежитель сигнал поступает на OFDM-преобразователь. Далее формируются поднесущие. Количество поднесущих определяется в зависимости от режима работы (A, B, C, D). После происходит обратное преобразование Фурье и цифровый фильтр интерполятор переводит нас с частоты 48 кГц на частоту дискретизации 768 кГц. Далее осуществляется фильтрация сигнала.

6.3.2 Схема фильтрации и интерполяции сигнала

Процесс фильтрации и интерполяции сигнала осуществляется для подачи сигнала на ЦАП от ПЛИС. Он реализуется программно в среде моделирования Matlab (код программы в Приложении 3), и затем на основе полученной модели в САПР Quartus Altera. Необходимо обеспечить подавление внеполосных гармоник на выходе 80 дБ. Схема фильтрации представлена на рис. 6.

Рис.6

После кодера-модулятора сигнал с частотой дискретизации 768 кГц поступает в канальный фильтр, который обеспечивает основное подавление вне полосы (порядка 35−40 дБ). В следствие этого он большого порядка. Затем происходит интерполяция и сглаживание двумя ФНЧ фильтрами небольшого порядка. Далее сигнал интерполируется в 32 раза и стоит CIC фильтр, дающий подавление еще в примерно 40 дБ. Ввиду сильной неравномерности АЧХ CIC фильтра амплитуды гармоник сигнала довольно сильно искажаются. Для предотвращения искажения амплитуд гармоник после CIC стоит фильтр корректор (ФК). Далее умножением на экспоненту, переносим сигнал на нужную нам несущую частоту. Потом сигнал идет на ЦАП с частотой дискретизации 98,304. CIC фильтр мы используем потому, что в ПЛИС количество умножителей ограничено, и нам доступно только сложение и задержка, что реализуется с помощью элемента памяти и сумматора.

6.4 Цифро-аналоговый преобразователь

Цифро-аналоговый преобразователь получает цифровой сигнал от ПЛИС через параллельные выводы и преобразует его в аналоговую форму. По техническому заданию нам необходимо получить соотношение сигнал/шум 80 дБ. Исходя из этого, мы по следующей формуле посчитаем необходимую нам разрядность ЦАП:

SNR = 6,02•N + 1,76 дБ,

где SNR (сигнал/шум) = 80 дБ (по заданию), N — разрядность. Получаем N =? 13. Если брать с запасом, то необходимая разрядность ЦАП будет равна 14-ти.

Также нам необходимо чтобы спектр вписывался в маску DRM. Как видно из рис. 7 SFDR должно укладываться в 60 дБ.

Рис.7

Был выбран 14-ти разрядный ЦАП фирмы Analog Devices AD9857 т.к. он полностью соответствует нашим требованиям. По рис. 8 можно оценить качество преобразования этого ЦАП для одной несущей на частоте 10 МГц.

Рис.8

На рис. 9 представлен сигнал похожий на DRM 64-QAM. По уровню видно, что мы укладываемся в маску. [5]

Рис.9

Также AD9857 представляет собой комбинацию интегрированных на одном кристалле быстродействующего синтезатора прямого цифрового синтеза (DDS, direct digital synthesizer), схемы умножения частоты тактового сигнала, цифровых фильтров и других функций цифровой обработки сигналов, которая образует полнофункциональный квадратурный цифровой преобразователь с повышением частоты. AD9857 предназначен для использования в качестве универсального квадратурного модулятора с быстрым изменением частоты, однотонального DDS или интерполирующего ЦАП в системах связи, в которых предъявляются повышенные требования к стоимости, габаритам, рассеиваемой мощности и динамическим характеристикам.

В таблице 3 приведены общие характеристики AD9857AST.

Табл.3

Принципиальная схема ЦАП представлена в Приложении 1 на рис. 17.

6.5 Блок формирования опорной частоты

На рис. 10 представлена схема формирования опорной тактовой частоты.

Рис.10

Устройство формирования высокостабильной опорной тактовой частоты выполняется с помощью микросхемы DDS AD9952 и кварцевого генератора компании Raltron серии C043 с частотой 10 МГц. Из 10-ти МГц мы будем получать 98,304 МГц. Требования к генератору были не очень большие т.к. основная стабильность обеспечивается блоком DDS.

AD9952 — это синтезатор прямого цифрового синтеза (DDS, direct digital synthesizer) с 14-разрядным ЦАП, имеющем быстродействие до 400 MSPS. AD9952 использует комбинацию усовершенствованной технологии DDS и интегрированного быстродействующего, высококачественного ЦАП, которая образует полнофункциональный высокочастотный синтезатора с цифровым программированием, способный генерировать выходные аналоговые синусоидальные сигналы на частоте до 200 МГц с возможностью быстрой перестройки частоты. AD9952 поддерживает быструю скачкообразную перестройку частоты и высокое разрешение настройки (разрядность слова настройки частоты — 32 бита). Управляющие слова и данные настройки частоты загружаются в AD9952 через последовательный порт ввода/вывода. AD9952 работает в расширенном промышленном температурном диапазоне от ?40°C до +105°C.

Генератор формирует 10 МГц. DDS, используя входной умножитель на х10, получает 100 МГц, а из 100 МГц получает стабильные 98,304 МГц. Режим работы микросхемы DDS задается с использованием микроконтроллера Atmega128-AU. После DDS стоит высокочастотный балансный трансформатор T1−6T-KK81, служащий для перевода сигнала из дифференциальной формы в обычную относительно земли. Далее, необходимо было поставить фильтр, т.к. на выходе нашего DDS получается так называемая «грязная» частота 98,304. Был выбран ПАВ-фильтр ZQ1−7 c центральной частотой 98,304 МГц обладающий очень хорошей избирательностью. Он очень хорошо вырезает нашу частоту и делает ее «чистой». Т.к. после фильтрации коэффициент усиления становится меньше 1 необходимо усилить сигнал. Ставится операционный усилитель. С усилителя соответственно полученная частота передаётся на ЦАП, на ПЛИС и используется как опорная тактовая частота.

Принципиальная схема DDS и остальных компонентов представлены в Приложении 1 на рис. 18.

6.6 Подробная структурная схема

В этом разделе на рис. 11 представлена подробная структурная схема.

Рис.11

Все наше устройство питается от источника питания в 5 В. Для преобразования логических уровней по напряжению необходимых для каждых отдельных микросхем стоят DC-DC преобразователи.

Для хранения различных настроек пользователя, констант и других данных к ПЛИС подключена внешняя flash-память.

У микроконтроллера имеется ЖК дисплей, а также клавиатура для ввода данных в контроллер.

Таким образом сигнал поступает на ПЛИС через RS232-интерфейс, параметры DRM могут вводится через клавиатуру в микроконтроллер и передаются на ПЛИС. Далее сигнал обрабатывается и в цифровой форме через параллельные выводы поступает на ЦАП. Где происходит его преобразование в аналоговую форму и далее идет на дифференциальные выходы x7 и x8.

7. Экономическая часть

Разрабатывается устройство передачи DRM сигнала. В настоящее время это устройство является лабораторным макетом, и в производство его в таком виде пускать не будут. На основе макета заявления о его экономической эффективности не делается. В настоящем разделе выполним оценку себестоимости нашего устройства т. е. будут рассчитываться затраты лишь на часть НИОКР.

7.1 Затраты на НИОКР

В таблице 4 приведены все этапы работы проектирования устройства.

Табл.4

Затраты на разработку (этапы 1−4):

где С_{З -} основная зарплата специалиста, С_Э — затраты на энергопотребление и амортизацию компьютера

Вычисление заработной платы инженера-конструктора:

· Ставка инженера-конструктора (по контракту) — 25 000 руб. /мес.

· Разработка устройства — 488 часов

(Определяется как сумма часов, затраченных на разработку с 1 по 4 этапы).

· Количество рабочих часов в месяц — 168.

Процент отчислений органам социального обеспечения — 0,3 (30%)

С_{З = (488•25 000) /168 = 72 000} руб.

С учётом социальных отчислений: С_З=72 000*1.3=93 600 руб.

Вычисление амортизации и энергопотребление оборудования (компьютера):

· Стоимость компьютера, на котором проводилась разработка — 15 000 руб.

· В году 52 рабочих недели, с учетом сокращенных дней и праздников — 1968 часов в год.

· Срок службы компьютера — 5 лет.

Амортизация компьютера = (15 000•488) / (5•1968) = 744 руб.

Общая средняя мощность системного блока и монитора составляет 0,65 кВт. Стоимость электроэнергии (для промышленных предприятий) — 2 руб.59 коп. за кВт•час.

Затраты на электроэнергию = 0,65•2,59•488= 822 руб.

Таким образом:

С_раз=93 600+744+822=95 166 руб.

Затраты на изготовление (Этап 5)

где С_{З -} основная зарплата инженера-сборщика, С_{К -} стоимость комплектующих

Вычисление заработной платы специалиста:

· Ставка инженера-сборщика (по контракту) — 15 000 руб. /мес.

· Изготовление устройства — 224 часа).

· Количество рабочих часов в месяц — 168.

руб

С учётом социальных отчислений: С_з=20 000*1.3=26 000

Затраты на основные и вспомогательные материалы рассчитываются по формуле:

где — число видов материалов расходуемых на изготовление устройства, — количество основных и вспомогательных материалов, — коэффициент учета транспортно-заготовительных расходов, — оптовая цена единицы i-го материала, — количество реализуемых отходов, — цена единичных возвратных отходов i-го

материала. Оптовые цены на каждый вид материала принимаются по ценам реализующих предприятий. По нормативам базового предприятия возвратно-реализуемые отходы составляют 2% от затрат, поэтому для расчета принимается:

Результаты расчета стоимости основных и вспомогательных материалов, расходуемых на изготовление спроектированного устройства, сводим в таблицу 5.

Табл.5

Затраты на основные и вспомогательные материалы

Расчет затрат на покупные комплектующие изделия и полуфабрикаты.

Расчет производится по формуле:

где — цена каждого i-го покупного изделия, — количество покупных изделий и полуфабрикатов, — число типов изделий и полуфабрикатов. Результаты расчетов сведем в таблицу 6.

Табл.6

Все оптовые цены приведены по состоянию на 2012 год Итого затраты на изготовление составляют:

Сизг = 26 000 + 76 + 13 982 = 40 058 руб.

В результате проделанной работы была подсчитана сумма общих затрат по 5-ти этапам (см. таблицу 4) и составила: 143 236 руб.

8. Безопасность жизнедеятельности

Разрабатываемый передатчик, работающий в КВ диапазоне до 30 МГц и мощностью десятки мВт, создает ряд вредных воздействий и факторов, к которым можно отнести электромагнитные излучения и возможность возникновения пожара. Ниже рассматриваются эти вопросы и приводятся защитные меры.

8.1 Электромагнитная безопасность

Электромагнитные поля радиочастот большой интенсивности вызывают в организме человека тепловой эффект, который может выразиться в нагреве тела, либо отдельных его тканей или органов. Воздействие электромагнитного поля особенно вредно для органов и тканей, недостаточно хорошо снабженных кровеносными сосудами (глаза, мозг, почки, желудок, мочевой и желчный пузырь). Наиболее чувствительны к воздействию радиоволн центральная нервная и сердечно-сосудистая системы. У человека возникают головная боль, повышенная утомляемость, изменение артериального давления, нервно-психические расстройства, а также могут наблюдаться выпадение волос, ломкость ногтей, снижение веса. Длительное воздействие сильных ЭМП вызывает у человека нарушения эндокринной системы, обменных процессов, функции головного и спинного мозга, повышает склонность к депрессиям и даже самоубийству и увеличивает вероятность развития сердечнососудистых заболеваний и раковых опухолей. Для диапазона частот от нескольких тысяч до 30 МГц характерно быстрое возрастание поглощения энергии, а следовательно, и поглощенной мощности телом с увеличением частоты колебаний. Электромагнитные излучения диапазона частот от 30 кГц до 30МГц влияют на центральную нервную систему, нейроэндокринную систему, аппарат кровообращения и дыхания, системы крови, двигательную активность, ориентационную реакцию, условные и безусловные рефлексы, иммунокомпетентную функцию организма, белковый, углеводный обмен, зрительную систему. Могут стать причиной таких заболеваний: невротические расстройства, повышенная утомляемость, рак крови, слабоумие, опухоли мозга и др.

8.2 Защита от воздействия электромагнитного поля

Защита от излучений и электромагнитных полей в нашей стране регламентируется Законом России «Об охране окружающей среды», а также рядом нормативных документов (ГОСТы, СанПиНы, СН и др.). В целях предупреждения неблагоприятного влияния на состояние здоровья производственного персонала объектов и населения ЭМП в том числе и импульсных используют комплекс мер, включающий в себя проведение организационных, инженерно-технических и лечебно-профилактических мероприятий

Организационные мероприятия включают:

? выделение зон воздействия ЭМП (с уровнем, превышающим ПДУ с ограждением и обозначением соответствующими предупредительными знаками);

? выбор рациональных режимов работы оборудования;

? расположение рабочих мест и маршрутов передвижения обслуживающего персонала на расстояниях от источников ЭМП, обеспечивающих соблюдение ПДУ;

? ремонт оборудования, являющегося источником ЭМП, следует проводить по возможности вне зоны влияния полей от других источников;

? организацией системы оповещения о работе источников ИЭМП;

? разработка инструкции по безопасным условиям труда при работе с источником ИЭМП;

? соблюдение правил безопасной эксплуатации источников ЭМП.

Инженерно-технические мероприятия включают:

? рациональное размещение оборудования;

? организация дистанционного управления аппаратурой;

? заземление всех изолированных от земли крупногабаритных объектов,

включая машины и механизмы, металлические трубы отопления, водоснабжения и т. д., а также вентиляционные устройства;

? использование средств, ограничивающих поступление электромагнитной энергии на рабочие места персонала (поглотители мощности, экранирование отдельных блоков или всей излучающей аппаратуры, рабочего места, использование минимальной необходимой мощности генератора, покрытие стен, пола и потолка помещений радиопоглощающими материалами);

? применение средств коллективной и индивидуальной защиты (защитные очки, щитки, шлемы; защитная одежда — комбинезоны и костюмы с капюшонами, изготовленные из специальной электропроводящей, радиоотражающей или радиопоглощающей ткани; рукавицы или перчатки, обувь). Все части защитной одежды должны иметь между собой электрический контакт.

Лечебно-профилактические мероприятия:

? все лица, профессионально связанные с обслуживанием и эксплуатацией источников ЭМП, в том числе импульсных, должны проходить предварительный при поступлении на работу (отбор для лиц для работы с импульсными источниками) и периодические профилактические медосмотры в соответствии с действующим законодательством;

? лица, не достигшие 18-летнего возраста и беременные женщины допускаются к работе в условиях возникновения ЭМП только в случаях, когда интенсивность ЭМП на рабочих метах не превышает ПДУ, установленный для населения;

? контроль за условиями труда, за соблюдением санитарно-эпидемиологических правил и нормативов на рабочих местах;

? проведение профилактических и лечебных мероприятий, направленных на предотвращение возникновения неблагоприятных изменений состояния здоровья персонала, обострения имеющихся хронических заболеваний, развития профессиональных заболеваний, обусловленных влиянием ИЭМП;

? лица, имеющие медицинские противопоказания, к работе с источниками ИЭМП не допускаются.

8.3 ЭМП диапазона частот 30 кГц — 30 МГц

Оценка и нормирование ЭМП осуществляется по величине энергетической экспозиции (ЭЭ). Энергетическая экспозиция ЭМП определяется как произведение квадрата напряженности электрического или магнитного поля на время воздействия на человека. Предельно допустимые уровни энергетических экспозиций (ЭЭПДУ) на рабочих местах персонала за смену приведены в таблице 7. [ГОСТ 12.1.006−84]

Табл.7

Максимальные допустимые уровни напряженности электрического и магнитного полей, плотности потока энергии ЭМП не должны превышать значений, представленных в таблице 8.

Табл.8

Значения предельно допустимых уровней напряженности электрической (ЕПДУ), магнитной (НПДУ) составляющих и плотности потока энергии (ППЭПДУ) в зависимости от продолжительности воздействия ЭМИ радиочастот приведены в таблице 9.

Табл.9

Само место источника излучения экранировано. Но учитывая, что мощность нашего устройства передачи не превышает десятков мВт, никаких защитных мер на расстоянии более 1−2 метров не предусмотрено.

8.4 Причины возникновения пожаров

Пожар в лаборатории, может привести к очень неблагоприятным последствиям (потеря ценной информации, порча имущества, гибель людей и т. д.), поэтому необходимо: выявить и устранить все причины возникновения пожара; разработать план мер по ликвидации пожара в здании; план эвакуации людей из здания. Причинами возникновения пожара могут быть:

неисправности электропроводки, розеток и выключателей которые могут привести к короткому замыканию или пробою изоляции;

использование поврежденных (неисправных) электроприборов;

использование в помещении электронагревательных приборов с открытыми нагревательными элементами;

возникновение пожара вследствие попадания молнии в здание;

возгорание здания вследствие внешних воздействий;

неаккуратное обращение с огнем и несоблюдение мер пожарной безопасности.

8.5 Категория помещения по пожарной безопасности

Поскольку в лаборатории присутствуют горючие материалы (книги, документы, мебель, оргтехника и т. д.) и трудносгораемые вещества (сейфы, различное оборудование и т. д.), которые при возгорании не создают избыточное давление 5кПа, то наше помещение относится к категории В.

8.6 Профилактика пожара

Пожарная профилактика представляет собой комплекс организационных и технических мероприятий, направленных на обеспечение безопасности людей, на предотвращении пожара, ограничение его распространения, а также создание условий для успешного тушения пожара. Для профилактики пожара чрезвычайно важна правильная оценка пожароопасности здания, определение опасных факторов и обоснование способов и средств пожаропредупреждения и защиты. Одно из условий обеспечения пожаробезопасности — ликвидация возможных источников воспламенения. В лаборатории источниками воспламенения могут быть:

неисправное электрооборудование, неисправности в электропроводке, электрических розетках и выключателях. Для исключения возникновения пожара по этим причинам необходимо вовремя выявлять и устранять неисправности, проводить плановый осмотр и своевременно устранять все неисправности;

неисправные электроприборы. Необходимые меры для исключения пожара включают в себя своевременный ремонт электроприборов, качественное исправление поломок, не использование неисправных электроприборов;

обогревание помещения электронагревательными приборами с открытыми нагревательными элементами. Открытые нагревательные поверхности могут привести к пожару, так как в помещении находятся бумажные документы и справочная литература в виде книг, пособий, а бумага — легковоспламеняющийся предмет. В целях профилактики пожара предлагаю не использовать открытые обогревательные приборы в помещении лаборатории;

короткое замыкание в электропроводке. В целях уменьшения вероятности возникновения пожара вследствие короткого замыкания необходимо, чтобы электропроводка была скрытой.

попадание в здание молнии. В летний период во время грозы возможно попадание молнии вследствие чего возможен пожар. Во избежание этого я рекомендую установить на крыше здания молниеотвод;

несоблюдение мер пожарной безопасности и курение в помещении также может привести к пожару. Для устранения возгорания в результате курения в помещении лаборатории предлагаю категорически запретить курение, а разрешить только в строго отведенном для этого месте.

В целях предотвращения пожара с инженерами, работающими в лаборатории, проводится противопожарный инструктаж, на котором работников ознакамливают с правилами противопожарной безопасности, а также обучают использованию первичных средств пожаротушения, таких как огнетушители. В случае возникновения пожара необходимо отключить электропитание, вызвать по телефону пожарную команду, эвакуировать людей из помещения согласно плану эвакуации и приступить к ликвидации пожара огнетушителями. При наличии небольшого очага пламени можно воспользоваться подручными средствами с целью прекращения доступа воздуха к объекту возгорания [8,9].

Для тушения пожаров на начальных стадиях широко применяются огнетушители. В лаборатории применяются углекислотные огнетушители, достоинством которых является высокая эффективность тушения пожара, сохранность электронного оборудования, диэлектрические свойства углекислого газа, что позволяет использовать эти огнетушители даже в том случае, когда не удается обесточить электроустановку сразу, при этих условия возможный пожар можно отнести к категории Е. В наличие имеются два огнетушителя ОУ-2 ППБ 01−03.

Огнетушители расположены на высоте 1,5 метра от пола. Поверка осуществляется 1 раз в год. На предприятии также установлены комбинированные излучатели, реагирующие на тепло и дым. В качестве средств пожаротушения используются автоматические системы локального пожаротушения, срабатывающие при получении сигнала от пожарного извещателя.

9. Выводы и результаты

В результате данной работы было спроектировано передающее устройство DRM сигнала. Была разработана общая структурная схема, выбраны необходимые микросхемы для его реализации. Разработаны принципиальные схемы, написана программа фильтрации сигнала для ПЛИС (программный код и результаты моделирования для тестового сигнала представлены в Приложении 3). Также на выходе получены необходимые параметры указанные в задании. Для проверки параметров было проведено испытание для нашего устройства.

9.1 Состав испытуемого оборудования

В ходе эксперимента использовался следующий состав оборудования:

Приемник-демонстратор TWS-1002D фирмы «TALES» ,

Генератор MDI сигнала со встроенным кодером AAC производства ОАО «МАРТ» ,

Стандартизированный бытовой приемник Digital Radio Model 27 024 производства Morphy Richards,

Испытуемое устройство формирования DRM.

9.2 Методика испытаний

Модулятор испытывался в многочастотном неиерархическом режиме без предкорректора. При формировании сигнала DRM использовались следующие параметры, описанные в стандарте DRM ETSI ES 201 980 V2.2.1 (2005;10):

режимы помехоустойчивости A, B, C, D, отличающиеся между собой отношением длительности защитного интервала к длительности полезной части OFDM-символа Tg/ Tu;

спектральные диапазоны 0 (4,5 кГц), 1 (5 кГц), 2 (9 кГц), 3 (10 кГц), 4 (18 кГц), 5 (20 кГц);

режимы модуляции 4-, 16-, 64-КАМ по стандарту DRM: для основного канала MSC 16 — и 64-КАМ; для канала описания услуг SDC — 4 — и 16-КАМ; для канала быстрого доступа FAC — только 4-КАМ;

короткое (на 400 мс) и длинное (на 2 с) перемежения;

уровни защиты (protection levels) 0, 1, 2, 3.

В процессе эксперимента MDI поток, сформированный генератором MDI сигнала на базе ЭВМ, поступал на вход испытуемого устройства. Сигнал на выходной частоте с выхода устройства поступал на вход профессионального приемника демонстратора TWS-1002D, обеспечивающего измерение параметров сигнала, и на вход бытового приемника для контроля аудио сигнала. Для всех режимов выходная частота составляла 5005 МГц. Схема испытаний на рис. 12.

Рис. 12. Схема испытаний

9.3 Результаты испытаний

Результаты измерения MER и уровня внеполосных излучений снимались с приемника демонстратора TALES TWS-1002D. Для подтверждения декодирования сигнала бытовым приемником использовался приемник Morphy Richards и наличие аудио сигнала на его громкоговорителе, метки и текстового сообщения на дисплее. Для всех режимов был установлен режим модуляции канала MSC 64-КАМ. Результаты измерений приведены ниже.

1. Режим B0 (4,5 кГц, Tg/Tu=¼), MER = 51 дБ, внеполосные на уровне — 60 дБ.

2. Режим B1 (5 кГц, Tg/Tu=¼), MER = - 50 дБ, внеполосные на уровне — 60 дБ.

3. Режим B2 (9 кГц, Tg/Tu=¼), MER = - 48 дБ, внеполосные на уровне — 60 дБ.

4. Режим B3 (10 кГц, Tg/Tu=¼), MER = - 48 дБ, внеполосные на уровне — 60 дБ.

5. Режим B4 (18 кГц, Tg/Tu=¼), MER = - 44 дБ, внеполосные на уровне — 60 дБ.

6. Режим B5 (20 кГц, Tg/Tu=¼), MER = - 43 дБ, внеполосные на уровне — 60 дБ.

7. Режим A0 (4,5 кГц, Tg/Tu=1/9), MER = - 48 дБ, внеполосные на уровне — 60 дБ.

8. Режим A1 (5 кГц, Tg/Tu=1/9), MER = - 47 дБ, внеполосные на уровне — 60 дБ.

9. Режим A2 (9 кГц, Tg/Tu=1/9), MER = - 43 дБ, внеполосные на уровне — 60 дБ.

10. Режим A3 (10 кГц, Tg/Tu=1/9), MER = - 43 дБ, внеполосные на уровне — 60 дБ.

11. Режим A4 (18 кГц, Tg/Tu=1/9), MER = - 40 дБ, внеполосные на уровне — 60 дБ.

12. Режим A5 (20 кГц, Tg/Tu=1/9), MER = - 40 дБ, внеполосные на уроне — 60 дБ.

13. Режим C3 (10 кГц, Tg/Tu=4/11), MER = - 45 дБ, внеполосные на уровне — 60 дБ.

14. Режим C5 (20 кГц, Tg/Tu=4/11), MER = - 44 дБ, внеполосные на уровне — 60 дБ.

15. Режим D3 (10 кГц, Tg/Tu=11/14), MER = - 50 дБ, внеполосные на уровне — 60 дБ.