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

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

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

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

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

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

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

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

Техническое задание

Разработать радиомодем, привести схемотехнические решения.

Область применения: станция связи «СКК-2/8/34», организация беспроводных промышленных сетей передачи Назначение: беспроводная передача информации (10/100 Мбит/с Ethernet).

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

Состав изделия и требования конструкции: минимальные массогабаритные характеристики.

Условия эксплуатации: умерено-холодный климат.

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

Технические характеристики:

— диапазон частот: 2,4−2,4835 ГГц;

— максимальная дальность: 30 км;

— мощность передатчика: 31,62 мВт;

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

— чувствительность приемника: минус 100дБм;

— внешний блок питания: 5В;

— импеданс антенны: 50 Ом.

1. Анализ станции связи «СКК 2/8/34»

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

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

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

1.1 Назначение и область применения

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

1) построение ведомственной транспортной сети связи;

2) построение сетей связи военного назначения;

3) подключение к сетям общего пользования;

4) создание мультисервисных сетей для предоставления услуг:

— доступ в Интернет;

— видеоконференций;

— доступа к телефонным сетям;

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

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

Режим работы: круглосуточный.

Управление и техническое обслуживание: с локального компьютера.

Типы интерфейсов:

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

— цифровой интерфейс Ethernet 10/100 Мбит/с;

— цифровой интерфейс G.703;

— интерфейс для подключения пульта управления RS-232.

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

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

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

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

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

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

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

— прием от каждого канала очередного байта данных;

— составление из принятых байтов уплотненного кадра

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 1.2- Функциональные узлы секции ОЛТ Данная схема описывает функциональные узлы секции ОЛТ. Секция включает в себя:

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

— преобразователь стыка ПС предназначен для четырех потоков Е1;

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

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

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

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

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

2. Техническое предложение

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

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

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

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

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

2.1 Выбор частотного диапазона

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

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

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

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

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

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

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

3. Можно принимать сигналы с предельно низким уровнем мощности

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

Недостатки:

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

2. Уменьшается дальность связи, так как в диапазоне СВЧ, особенно в его коротковолновой части, существенно возрастает затухание радиоволн из-за дождя, резонансного поглощения в газах атмосферы, гидрометеорах Данный радиомодем использует диапазон 2,4 ГГц. Обусловлено это тем, что во многих странах этот диапазон свободен от лицензирования и инсталляции оборудования, работающего в этом диапазоне, имеют массовый характер. С одной стороны, это дает широкие возможности для тех операторов, кто не специализируется в развертывании радиосетей доступа, с другой не взыскательный характер самого оборудования сказывается на его характеристиках в сторону минимального сервисного набора (например, только передача данных), а также небольшой емкости подобных систем.

2.2 Выбор структуры приемопередающей аппаратуры и вида модуляции

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

Радиосигнал на выходе модулятора можно записать в виде

u (t)=U (t)cos[щ₀t +ц (t)], (2.1)

где U (t) — закон изменения амплитуды,

щ₀ = 2рѓ₀ — несущая частота,

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

Классификация устройств модуляции параметров несущих колебаний приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1- Классификация модуляторов сверхвысоких частот Из теории связи известно, что наивысшей помехоустойчивостью обладает двоичная фазовая модуляция BPSK. Однако в ряде случаев за счет уменьшения помехоустойчивости канала связи можно увеличить его пропускную способность .

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

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

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

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

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

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

— положение спектра QAM модулированного колебания в частотной области определяется номиналом частоты несущего колебания .

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

Рисунок 2.3 — Полярная диаграмма сигнала QAM модуляции Помехоустойчивость алгоритма QAM обратно пропорциональна его спектральной эффективности. Воздействие помех приводит к возникновению неконтролируемых изменений амплитуды и фазы передаваемого по линии сигнала. При увеличении числа кодовых точек на фазовой плоскости расстояние между ними (P) уменьшается и, следовательно, возрастает вероятность ошибок при распознавании вектора Zm* на приемной стороне. Предельный уровень допустимых амплитудных и фазовых искажений

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

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

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

2.3 Обоснование структуры приемной части радиомодема

Рисунок 2.4 — Принципы построения модулятора/демодулятора QAM

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

Рисунок 2.5- Архитектура тракта приема с двойным преобразованием частоты От правильного выбора значения промежуточных частот (ПЧ) зависят получаемые величины селективности и чувствительности приемника. Второе преобразование вниз по частоте в современных трактах приема обычно происходит в квадратурных схемах, чтобы облегчить цифровую обработку синфазных и квадратурного сигналов I и Q. В приемнике с двойным преобразованием частоты существенно снижаются требования к элементам фильтрации. Супергетеродинная архитектура приемного тракта считается наиболее надежной, так как в ней высокие значения селективности и чувствительности могут быть достигнуты надлежащим выбором значений ПЧ и параметров полосовых фильтров (ПФ).

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

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

Таблица 2.1-Архитектура трактов приема

2.4 Выбор фирмы-изготовителя

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

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

3. Описание функциональной схемы радиомодема

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

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

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

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

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

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

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

В оконечном оборудовании на передающем конце формируется высокочастотный широкополосный сигнал.

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

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

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

Рисунок 3.1- Структурная схема системы передачи Помехи, возникающие в самой РСП, называются внутрисистемными. К ним относятся: тепловой шум, возникающий в радиоприемнике, оконечном оборудовании, антенно-фидерном тракте, и переходные помехи, возникающие при многоканальной передаче почти во всех элементах РСП. Кроме внутрисистемных помех на любую РСП оказывают влияние помехи от других стволов в многоствольных системах, от других радиоэлектронных средств (РЭС), радиоизлучения космоса, Земли, атмосферы и т. д. Из-за неидеальности характеристик элементов РСП появляются линейные и нелинейные искажения передаваемых сигналов.

3.1 Передающее каналообразующее оборудование

Для передачи Ethernet использована технологию EoPDHEthernet-over-PDH — это набор стандартов, которые позволяют передавать фреймы Ethernet по существующей инфраструктуре PDH.

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

Инкапсуляция фреймов — это процесс, посредством, которого

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

Рассмотрим протокол физического уровня Ethernet.

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

Рисунок 3.2-Временная диаграмма передачи кадров Ethernet

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

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

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

Рисунок 3.3- Трехуровневый код MLT-3

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

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

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

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

Рисунок 3.4 -Двухуровневый код NRZ

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

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

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

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

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

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

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

При совместном использовании кодирования сигналов MLT-3 и данных 4В5 В 3 бита информации приходится на 1 герц несущей частоты сигнала.

Рисунок 3.5-Максимальная частота несущей в зависимости от метода кодирования

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

Рассмотрим аппаратную реализацию схем кодирования.

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

Рисунок 3.6-Каналообразующее передающее оборудование Тракт преобразования начинается с контроллера — коммутатора PHY-слоя сети Ethernet 10/100 Мбит/сек KS8993 фирмы Micrel

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

Основной функцией прибора является «внутри приборный» контроль интерфейса.

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

Рисунок 3.7 — Последовательность бит в коде MLT3

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

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

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

Рисунок 3.8 — Функциональная структура маппера Устройство состоит из 10/100 Ethernet трансиверов MAC, устройства разрешения конфликтов, контроллера гарантированной скорости передачи, HDLC/X.86(LAPS) маппера, SDRAM интерфейса, портов управления и тестера числа ошибочных бит (BERT).

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

TSER/RSERданные в последовательном коде NRZ,

TSYNC/RSYNC-цикловая частота 8кГц,

TCLKI/RCLKI-тактовая частота 2048 кГц.

Рисунок 3.9 — Реализация IBO интерфейса Соответствует стандарту 10/100 IEEE 802.3 Ethernet MAC (MII и RMII) Режим дуплекс/полудуплекс с поддержкой автоматического контроля потока (flow control).Устройство осуществляет хранение — передачу (store-forward) пакетов, сохраняя при этом полную скорость передачи. Фреймы хранятся во внешней тридцатидвухбитной SDRAM памяти объемом 16 Мбайт. Встроенный контроллер гарантированной скорости передачи (CIR controller) организует частичное перераспределение полосы пропускания.

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

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

Рисунок 3.10 — Структурная схема фреймера

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 3.11 — Функциональная схема ПЛИС

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

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

3.2 Передающее оконечное (радиопередающее) оборудование

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

Рисунок 3.11- Радиопередающее оборудование Предположим, что на вход устройства формирования синфазного и квадратурного потоков (кодер) цифрового передатчика поступают цифровой поток Е3. В результате скорость цифрового потока имеет эффективную скорость передачи 34 Мбит/с.

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

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

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

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

Основной элемент модулятора и демодулятора — перемножитель (смеситель).

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

(3.1)

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

и опорное колебание

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

(3.2)

где A_n(t) пропорционально A₁(t).

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

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

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

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

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

(3.3)

где ,

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

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

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

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

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

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

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

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

[14].

Рисунок 3.13- Схема простого аналогового фильтра выравнивания АЧХ ЦАП и результирующая АЧХ Исключительно низкие фазовые искажения (шумы) MAX 2022 позволяют схеме отвечать требованиям по уровням шумов без дополнительных RF фильтров, что значительно упрощает схему, ее настройку и регулировку.

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

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

3.3 Приемное оконечное оборудование

Упрощенная структурная схема цифрового приемника показана на рисунке 3.14.

Рисунок 3.14 — Структурная схема приемника прямого преобразования В приемнике прямого преобразования происходит перенос спектра принимаемого сигнала непосредственно в область низких частот, где и осуществляется его обработка в процессорном устройстве. Тракт усиления после смесителя должен производить усиление в том числе и постоянной составляющей сигнала, чтобы не потерять важные компоненты принимаемой информации.

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

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

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

Рисунок 3.15-Высокочастотный сигнал гетеродина При этом на выходных портах I/Q формируется суммарная и разностная частоты. Сигнал суммарной частоты существенно ослабляется фильтрами нижних частот, которые пропускают на выход только сигнал разностной частоты (3.3). При работе на нулевой частоте ПЧ сигнал разностной частоты представляет собой комплексную огибающую полезного сигнал.

Рисунок 3.16 -Сигнал на входе приемника В данной архитектуре используется перестраиваемый высокочастотной гетеродин, с помощью которого и производится выбор рабочего канала. Для достижения высоких качественных характеристик РЧ блока в нем необходимо использовать высоколинейный смеситель. Рассматриваемый перемножитель (рисунок 3.17) представляет собой балансное устройство (double balanced Gilbert_cell mixer) на четырех транзисторах с дифференциальными входами (сигнальным и опорного колебания) и дифференциальным выходом.

Рисунок 3.17- Схема балансного смесительного элемента Для входного и выходного сигналов перемножитель представляет собой токовый элемент с низким входным (эмиттерным) и высоким выходным (коллекторным) сопротивлениями. Опорное колебание, с которым перемножается входной сигнал, подается в виде напряжения на базы транзисторов. Перемножитель используется вместе с преобразователем «напряжение-ток», включаемым на его эмиттерном входе.

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 3.18- Явление утечки сигнала гетеродина Подобный эффект наблюдается, если на гетеродинный вход смесителя со входа или выхода МШУ попадает сигнал сильной входной помехи и перемножается сам с собой (рисунок 3.19) Данное явление называют «просачивание сигнала помехи» (Interferer Leakage). Зачастую этим мешающим сигналом может оказаться даже внеполосный сигнал мощных телевизионных передатчиков.

Рисунок 3.19-Просачивание сигнала мощной помехи Утечка сигнала гетеродина через смеситель и МШУ на антенный вход и излучение его оттуда создает в рабочем диапазоне помеху для других приемников. Каждый беспроводной стандарт, международные и национальные нормативные документы налагают ограничения на максимальную величину внутриполосного излучения гетеродина. Важно заметить, что частота гетеродина в приемниках с прямым преобразованием располагается внутри диапазона приема, и фильтры предварительной фильтрации не могут подавить излучения гетеродина. Проблема утечки меньше сказывается в супергетеродинных приемниках и смесителях с подавлением зеркального канала, потому что частоты их гетеродинов обычно находятся вне диапазона приема.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Поэтому очень важен выбор микросхемы.

3.4 Оконечное линейное оборудование

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

4. Выбор и описание элементной базы

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

4.1 Аналогово-цифровой преобразователь

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Основные технические характеристики MAX 12 529:

— непосредственные выборки промежуточной частоты до 350 МГц;

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

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

— экономичная работа при напряжении питания 3,3В:

— полностью дифференциальный или однополярный входной сигнал;

— внешний, внутренний или общий источник опорного напряжения;

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

— указатель выхода данных за пределы диапазона;

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

MAX12529 поставляется в 68-выводном корпусе QFN размером 6×6×0,8 мм с открытым основанием (exposed paddle EP) и работает в расширенном индустриальном температурном диапазоне (от минус 40 °C до плюс 85°C).

Рисунок 4.1-Конвейерная архитектура АЦП

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

Рисунок 4.2 — Внутренняя структура цепи T/H

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

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

4.2 Приемник прямого преобразования MAX2701

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

Рисунок 4.3- Микросхема MAX2701

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

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

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

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

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

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

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

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

MAX 2701 имеет рабочую полосу частот 56 МГц по уровню 3дБ Рассмотрим подробнее принцип работы микросхемы.

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

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

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

5. Расчетная часть

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

5.1 Расчет фильтра низких частот

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

Рисунок 5.1 Схема и АЧХ Г-образного низкочастотного фильтра Расчет такого фильтра производится по следующим формулам:

. (5.1)

R = 50 Ом; f_с = 20 МГц.

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

5.2 Расчет требуемой полосы частот канала

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

(5.2)

где скорость передачи, бит/с;

ширина полосы частот, Гц,

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

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

(5.3)

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

;

Таким образом, требуемая полоса частот составляет 20 МГц.

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

5.3 Расчет дальности действия беспроводных систем передачи данных

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

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

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

Рисунок 5.2 Приближенный график определения максимальной дальности действия по усилению Y-тракта системы при прямой видимости Порядок ориентировочного расчета: вычисляется Y и по графику определяется дальность действия в условиях прямой видимости антенн.

Исходные данные для расчета Y:

— выходные мощности передатчиков G_prd;

— чувствительность приемника G_prm;

— коэффициенты усиления антенн G_ant.

Возьмем для примера направленную параболическую антенну

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

Характеристики антенны:

— высокий коэффициент усиления 24 дБ;

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

— низкий уровень боковых и задних лепестков ДН;

— высокий коэффициент подавления кроссполяризации.

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

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

Технические характеристики антенны:

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

— рабочий диапазон частот: 2400−2500 МГц;

— коэффициент усиления в рабочей полосе: 24 дБ;

— сопротивление: 50 Ом;

— разъем: N типа;

— поляризация: DUAL;

— габариты 80×38 см;

— вес 2,43 кг.

Технические характеристики радиомодема:

— выходная мощность передатчика: 15 дБм;

— чувствительность приемника: минус 100 дБм.

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

(5.4)

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

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

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

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

(5.5)

где r расстояние между антеннами в километрах.

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

Произведем расчет запаса на замирания.

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

(5.6)

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

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

Выбранная антенна имеет коэффициент усиления 24 дБ. Получаем, что

G = 2 24 = 48 дБ;

L₀ затухание на трассе распространения сигнала:

(5.7)

Рассчитаем потери, вносимые антенно-волноводным трактом:

(5.8)

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

? потери в сосредоточенных устройствах тракта;

длина вертикального фидера.

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

Подставляя значения, получим:

Величина запаса достаточна для обеспечения устойчивой связи.

6. Технологическая часть

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

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

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

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

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

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

— ручной;

— полу автоматизированный;

— автоматизированный;

Предпочтительными являются полу автоматизированный, автоматизированный методы.

Предлагается реализовать радиомодем на многослойной печатной плате электролитическим методом.

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

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

Рисунок 6.1- Конструкция многослойной печатной платы Межслойные переходы могут выполняться в виде сквозных отверстий, соединяющих внешние слои между собой и с внутренними слоями, применяются также глухие и скрытые переходы.

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

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

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

Рисунок 6.2 — Многослойная печатная плата Разрабатываемое устройство требует как минимум 4 сигнальных слоя, разделенных между собой слоями земли и питание. Расположение слоев представлено на рисунке 6.3.

Рисунок 6.3 -Расположение слоев печатной платы В связи с этим необходимо учитывать большое соотношение толщины платы к диаметру сквозных отверстий. Например, для МПП с диаметром отверстий 0,4 мм и толщиной 4 мм это соотношение равно 10:1, что является жестким параметром для процесса сквозной металлизации отверстий.

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

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

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

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

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

Технологический процесс изготовления МПП состоит из трех основных этапов:

— подготовки отдельных слоев;

— сборки пакета и прессования;

— получения проводящего рисунка на наружных слоях.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

— двукратная промывка в проточной воде с интенсивным покачиванием плат;

— сушка теплым воздухом;

— гидроабразивная обдувка вторичная;

— промывка в проточной воде;

— промывка с наложением ультразвуковых колебаний.

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

Сборка пакета и прессование всех элементов конструкции производится одновременно.

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

7. Организационно-экономическая часть

Радиомодем предназначен для организации беспроводных сетей связи.

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

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

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

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

— цена устройства ниже в разы по сравнению с конкурентами;

— малые габариты;

— легкий вес;

— простота использования;

— высокие технические характеристики.

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

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

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

7.1 Капитальные затраты

Производство и продажа радиомодема осуществляется при решении следующих задач:

— получение сертификата соответствия;

— закупка необходимого оборудования и комплектующих материалов;

— привлечение людей на работу.

Сертификат соответствия будем получать у ООО «Стандарт тест», расположенный в г. Москва. Стоимость услуги согласно прайс-листу сертификации видов деятельности составит 27 000 руб.

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

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

Т, а б л и ц, а 7.1 — Оборудование и инструмент

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

7.2 Текущие расходы

В разделе рассматриваются ресурсы, затраченные при выпуске продукции.

7.2.1 Трудовые ресурсы

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

Т, а б л и ц, а 7.2 — Затраты на трудовые ресурсы

Фонд заработной платы (Ф_зп) определяется по формуле:

Ф_зп=;(7.1)

Ф_зп = 30 000 + 30 000 + 13 000 + 14 000 = 87 000 руб.

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

Ф_зп.ЕСН= Ф_зп. 26%; (7.2)

Ф_зп.ЕСН=870 001,26 = 109 620 руб.

Годовой фонд заработной платы (Ф_зп.год) составляет:

Ф_зп.год= Ф_зп. 12 месяцев; (7.3)

Ф_зп.год = 109 6200 12=1 315 440 руб.

7.2.2 Оборудование и комплектующие

Производство радиомодемов будет осуществляться в лаборатории НИИ.

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

Т, а б л и ц, а 7.3 -Комплектующие материалы

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

.(7.4)

7.2.3 Затраты на эксплуатацию оборудования

Расчет величины амортизационных отчислений будем производить по формуле

(7.5)

где С_б — балансовая стоимость материальных активов;

t_ам — период начисления амортизации, равен одному месяцу;

Т_ам — срок амортизации.

.(7.6)

7.2.4 Затраты на электроэнергию

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

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

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

.

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

Помесячные отчисления составят

Общие затраты приведены в таблице 7.4.

Т, а б л и ц, а 7.4 -Общие затраты

7.2.6 Себестоимость радиомодема

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

Т, а б л и ц, а 7.5-Текущие затраты

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

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

С учетом всех затрат прибыль за месяц:

.

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

.

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

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

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

8. Безопасность и экологичность проекта

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

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

— выявление всех опасных зон;

— оценка опасных и вредных факторов производства;

— подбор мероприятий и инженерных решений, снижающих или исключающих

воздействие опасных и неблагоприятных факторов на человека;

— расчет одного из проанализированных ОВФП.

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

8.1 Идентификация и анализ опасных и вредных производственных факторов

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

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

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

— электромагнитное излучение, источником которых являются антенны радиостанций.

8.1.1 Расположение рабочего места на значительной высоте относительно земли

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

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

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

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

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

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

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

8.1.2 Повышенное значение напряжения в электрической цепи

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

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

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

— нарушение правил эксплуатации и ремонта электрооборудования;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

8.1.3 Электромагнитное излучение антенны

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

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

Первичным проявлением действия электромагнитной энергии является нагрев, который может привести к изменениям и даже к повреждениям тканей и органов.

Наиболее чувствительными к действию электромагнитных полей являются центральная нервная система (субъективные ощущения при этом — повышенная утомляемость, головные боли) и нейроэндокринная система.

С нарушением нейроэндокринной регуляции связывают эффект со стороны сердечно-сосудистой системы, системы крови, иммунитета, обменных процессов, воспроизводительной функции и др. Возможны также изменение частоты пульса, сосудистых реакций. Описаны изменения кроветворения, нарушения со стороны эндокринной системы, метаболических процессов, заболевания органов зрения.

Поля сверхвысоких частот могут оказывать воздействие на глаза, приводящее к возникновению катаракты (помутнению хрусталика), а умеренных — к изменению сетчатки глаза по типу ангиопатии. В результате длительного пребывания в зоне действия электромагнитных полей наступают преждевременная утомляемость, сонливость или нарушение сна, появляются частые головные боли, наступает расстройство нервной системы и др. Многократные повторные облучения малой интенсивности могут приводить к стойким функциональным расстройствам центральной нервной системы, стойким нервно-психическим заболеваниям, изменению кровяного давления, замедлению пульса, трофическим явлениям (выпадению волос, ломкости ногтей).

Нормирование электромагнитного излучения радиочастотного диапазона в России проводится в соответствии с.

В основу гигиенического нормирования электромагнитного излучения системы радиопередачи положен принцип действующей дозы, учитывающий энергетическую нагрузку. В качестве предельно допустимых уровней (ПДУ) электромагнитного поля (ЭМП) принимаются такие значения, которые при ежедневном облучении в свойственном для данного источника излучения режимах не вызывают у населения (без ограничения поля и возраста) заболеваний. Факты отклонений в состоянии здоровья обнаруживаются современными методами исследования в период облучения или в отдалённые сроки после его прекращения. Основной критерий определения уровня воздействия ЭМП как предельно допустимого — воздействие не должно вызывать у человека даже временного нарушения гомеостаза (включая репродуктивную функцию), а также напряжения защитных и адаптационно-компенсаторных механизмов ни в ближайшем, ни в отдалённом периоде времени. Это означает, что в качестве ПДУ принимается дробная величина от минимального уровня электромагнитного поля, способного вызвать какую-либо реакцию.

К выбору места размещения антенн радиостанций с точки зрения санитарно гигиенического надзора не предъявляется никаких иных требований, кроме соответствия интенсивности электромагнитного излучения значениям предельно допустимых уровней, установленных действующими Санитарными правилами и нормами.

Оценка воздействия на людей ЭМИ осуществляется по следующим параметрам:

— по энергетической экспозиции, которая определяется интенсивностью ЭМИ радиочастотного диапазона и временем его воздействия на человека. Оценка по энергетической экспозиции применяется для лиц, работа или обучение которых связаны с необходимостью пребывания в зонах влияния источников ЭМИ РЧ (кроме лиц, не достигших 18 лет и беременных женщин), при условии прохождения этими лицами, в установленном порядке, предварительных (при поступлении на работу) и периодических медицинских осмотров по данному фактору и получении положительного заключения по результатам медицинского осмотра. Это так называемое профессиональное облучение.

— по значениям интенсивности ЭМИ радиочастотного диапазона. Такая оценка применяется для лиц, работа или обучение которых не связана с необходимостью пребывания в зонах влияния источников ЭМИ, для лиц находящихся в жилых, общественных и служебных зданиях, т. е. для всех людей, не вошедших в первую категорию. Это называется непрофессиональное облучение.

Предельно допустимая плотность потока энергии электромагнитных полей в диапазоне частот 300 МГц -300 ГГц и время пребывания на рабочих местах и в местах возможного нахождения персонала, связанного профессионально с воздействием полей (кроме случаев облучения от вращающихся и сканирующих антенн), взаимосвязаны следующим образом: пребывание в течение рабочего дня — до 0,1 Вт/м²; пребывание не более 2ч- 0,1−1 Вт/м², в остальное рабочее время плотность потока энергии не должна превышать

0,1 Вт/м²; пребывание не более 20 мин — 1−10 Вт/м² при условии пользования защитными очками.

Если облучение людей превышает указанные предельно допустимые уровни, то необходимо применять защитные средства.

8.2 Инженерное обеспечение безопасных условий труда

Подробно опишем мероприятия для защиты сотрудников от опасных и вредных производственных факторов.

8.2.1 Мероприятия по защите при работах на высоте

При ремонте и монтаже технологического оборудования приходится работать на большой высоте, в неудобных положениях (согнувшись, лежа на спине или стоя на коленях), с большой затратой физических сил как на рабочие операции, так и на сохранение равновесия в опасных и стесненных условиях. Для обеспечения безопасности специалиста при работе на высоте проектом предусмотрено:

— обучение в школе по промышленному альпинизму;

— применением средств индивидуальной защиты работников, а также спецодежды, не стесняющей их движений, и обуви;

— установка надежных креплений на крышах;

— установка ограждений и обозначение в установленном порядке границы опасных зон;

— обязательное отключение антенн перед работой;

— на объект будут допускаться только те работники, которые имеют группу по электробезопасности не ниже III и допущенные к верхолазным работам.

8.2.2 Защита от поражения электрическим током

Основные меры защиты:

— обеспечение недоступности токоведущих частей, находящихся под напряжением, при случайном прикосновении;

— устранение опасности поражения при появлении опасного напряжения на корпусах, что достигается заземлением.

— применение специальных защитных средств;

— применение исправных соединительных шнуров, кабелей;

— применение заземления (зануления) корпуса ПК, т.к. допускается возможность проникновения пользователя к токоведущим частям ПК.

К профилактическим мерам можно отнести:

— своевременный инструктаж по технике безопасности;

— постоянный контроль за соблюдением правил техники безопасности, допускают к работе имеющих соответствующий допуск;

— эксплуатация только исправного оборудования, аттестованного к работе;

— проверка защитного заземления;

— применение средств индивидуальной защиты от поражения электрическим током.

Повышение электробезопасности в установках достигаем путем применения систем защитного заземления, зануления, защитного отключения и других средств и методов защиты, в том числе знаков безопасности и предупредительных знаков и плакатов.

Также проект предусматривает наличие надежной двойной изоляции металлических частей оборудования. Наиболее надежную двойную изоляцию обеспечивают корпусы из изолирующего материала. Обычно они несут на себе всю механическую часть.

Важным фактором обеспечения безопасности является знание устройства и правил эксплуатации электроустановок, поддержание в исправном состоянии электрооборудования, исправность сигнализации и блокировок, наличие средств пожаротушения.

8.2.3 Защита от электромагнитного излучения

Защита персонала от воздействия электромагнитных полей радиочастот (ЭМИ РЧ) от радиомодема (частота излучения 2,4 ГГц) осуществляется путем проведения организационных инженерно-технических, лечебно профилактических мероприятий, а также использования средств индивидуальной защиты.

Инженерно-технические мероприятия включают: рациональное размещение оборудования; обозначение и ограждение зон с повышенным уровнем ЭМИ РЧ.

Лечебно-профилактические мероприятия осуществляются в целях предупреждения, ранней диагностики и лечения нарушений в состоянии здоровья работника, связанные с воздействием ЭМИ РЧ, и включают предварительные при поступлении на работу и периодические медицинские осмотры.

К средствам индивидуальной защиты относятся защитные очки, щитки, шлемы, защитная одежда (комбинезоны, халаты и т. д.).

Для защиты от облучения радиомодемом применяются организационные мероприятия: выбор рациональных режимов работы оборудования; ограничение места и времени нахождения персонала в зоне воздействия ЭМИ РЧ (защита расстоянием и временем).

Защита временем предусматривает ограничение времени пребывания человека в электромагнитном поле и применяется, когда нет возможности снизить интенсивность излучения до допустимых значений.

Значения предельно допустимых уровней плотности потока энергии (ППЭ_ПДУ) в зависимости от продолжительности воздействия ЭМИ РЧ приведены в таблице 8.2.

Т, а б л и ц, а 8.2 — Предельно допустимые уровни плотности потока энергии (ППЭ_ПДУ) в диапазоне частот 300 МГц…300 ГГц в зависимости от продолжительности воздействия

При продолжительности воздействия менее 0,2 часа дальнейшее повышение интенсивности воздействия не допускается .

Защита расстоянием применяется в том случае, если невозможно ослабить интенсивность облучения другими мерами, в том числе и защитой временем. В этом случае прибегают к увеличению расстояния между излучателем и обслуживающим персоналом. Защита расстоянием положена в основу нормирования санитарно-защитных зон — необходимого разрыва между источниками поля и жилыми домами, служебными помещениями.

8.3 Расчёт санитарно-защитной зоны для электромагнитных излучений

В диапазоне 300 МГц — 300 ГГц интенсивность ЭМИ радиочастот характеризуется плотностью потока энергии (ППЭ, Вт/мІ, мкВт/смІ), которая для сферических электромагнитных волн зависит от расстояния следующим образом:

(8.1)

где — мощность, подводимая источнику, Вт;

G — коэффициент усиления антенны;

r — расстояние от источника ЭМИ до расчётной точки, м.

По эта величина не должна превышать для населения, проживающего на прилегающей территории, 10 мкВт/смІ, а за рабочий день (рабочую смену) не должно превышать 200 (мкВт/ смІ)ч.

Используя в качестве нормируемого параметра плотность потока энергии, предельно допустимые уровни ЭМП диапазона частот 0,3 — 300ГГц для населения составят 10 мкВт/см² .

Поскольку экранирование данного излучения невозможно, то необходимо проследить, чтобы параметры ЭМИ не выходили за пределы нормы. В противном случае необходимо уменьшить мощность излучения антенн до уровня, при котором плотность потока энергии будет находиться в пределах нормы.

В целях защиты населения от ЭМИ РЧ необходимо произвести расчёт санитарно-защитной зоны (СЗЗ). Данный расчет проводится в соответствии с санитарными правилами и нормами на ЭМИ РЧ [25], а также в соответствии с методическими указаниями.

Покажем, что излучение антенн соответствует нормам.

Для используемой в проекте антенны коэффициент усиления G=24 дБи, что в линейном масштабе составляет:

(8.2)

где G_дБ — коэффициент усиления в дБи, равный 24 дБи.

Отсюда получаем:

раз.

Расчёт будем вести по следующим формулам. Напряжённость электрической составляющей поля станции:

В/м,(8.3)

где Р — мощность на входе антенно-фидерного тракта, Вт, равна 31,62 мВт;

G — коэффициент усиления антенны относительно изотропного излучателя, определяемый в направлении максимального излучения;

— коэффициент потерь в антенно-фидерном тракте, равный 0,16;

R — расстояние от геометрического центра антенны до точки наблюдения (наклонная дальность), м;

— нормированная диаграмма направленности (ДН) в вертикальной плоскости;

— угол, образованный направлением на точку наблюдения и плоскостью горизонта, град.;

— нормированная ДН в горизонтальной плоскости;

— азимут, град.;

— множитель ослабления, примем равным 1,16.

Рисунок 8.1 — Диаграмма направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях Отсюда находится искомое значение R:

м. (8.4)

Значение напряжённости электрической составляющей поля:

(8.5)

В качестве ППЭ используется предельно допустимый уровень плотности потока энергии 10 мкВт/смІ.

Таким образом, определили границы санитарнозащитной зоны для вертикальной и горизонтальной плоскостей ДН антенн. Они приведены в таблицах 8.3 и 8.4. Значения СЗЗ рассчитывались с шагом в 1є ДН антенны в горизонтальной и 1,5є в вертикальной плоскостях.

Т, а б л и ц, а 8.3 Значения СЗЗ для горизонтальной плоскости ДН антенны (ППЭ_ПДУ = 10 мкВт/см² коэффициент усиления антенны G=24 дБ)

Т, а б л и ц, а 8.4 Значения СЗЗ для вертикальной плоскости ДН антенны

Границы санитарно-защитной зоны — для вертикальной и горизонтальной плоскостей ДН антенн определяются на расстоянии 3,66 м от источника ЭМИ (антенны радиомодема). Таким образом, при проектировании радиопередающей системы необходимо учитывать требуемый разрыв 3,66 м между источником электромагнитного излучения и жилыми домами, служебными помещениями.

Антенны передающих радиотехнических объектов (ПРТО) размещаются на отдельно стоящих опорах и мачтах. Допускается размещение передающих антенн на крышах жилых, общественных и других зданий и в иных местах при соблюдении условий предельно допустимым уровням излучения.

В данном разделе дипломного проекта рассмотрено влияние электромагнитного излучения на организм человека, от антенн, используемых совместно с радиомодемом. Дан обзор нормируемых параметров и предельных уровней воздействия ЭМИ РЧ на людей. Рассмотрен круг вопросов, касающихся организационных, инженерно-технических и индивидуальных мероприятий по обеспечению электробезопасности. Рассчитаны уровни ППЭ от антенны. Рассчитанное значение находится в пределах допустимых норм.

Выполнение вышеперечисленных мер по защите от опасных и вредных факторов позволяет сделать эксплуатацию радиомодема безопасной для населения.

Практическая реализация требований изложенных в этой части проекта будет способствовать улучшению условий труда, повышению работоспособности и сохранению здоровья работников эксплуатирующих телекоммуникационную сеть.

Заключение

Данный проект на тему «Разработка радиомодема для передачи данных Ethernet по радиоканалу на основе оборудования СКК 2/8/34» был рассчитан с учетом реально существующей станции военного назначения, с целью усовершенствования ее. Проект предлагает разработку оборудования, позволяющего организовать радиоканал, как резервный путь передачи данных помимо существующей сети, основанной на ВОЛС.

Для реализации проекта было проанализировано исходное оборудование, выбрана структура приемопередающей оборудования и подобраны схемотехнические решения для реализации устройства.

В расчетно-проектной части рассчитаны необходимая рабочая полоса частот, дальность связи и фильтры нижних частот.

В технологической части предложены варианты изготовления устройства, представлена схема расположения элементов, описана технология изготовления многослойной печатной платы.

Приведенные данные в проекте показали, что с производство радиомодемов является экономически эффективным и окупаемость проекта зависит от количества продаж Как показали расчеты все решения, применяемые в данном проекте, не нарушают условий для безопасности населения при эксплуатации радиомодема.

Список использованных источников

1. В. Муравьев, С. А. Кореневский, В. Н. Мищенко. Сверхвысокочастотные технологии в системах телекоммуникаций. Учебно-методическое пособие.- Минск, 2007.-79с.

2. Л. Белов, А. Голубков. Модуляторы сигналов сверхвысоких частот. Основные классы.- Элементная база электроники.2008,№ 3

3. А. Филимонов. Алгоритмы модуляции технологий xDSL, http://www.nag.ru/2006/0304/img/xDSL.pdf

4. К. В. Боровков, И. Малыгин. Перспективные способы модуляции в широкополосных системах передачи данных.- Сетевые решения.2008,№ 10

5. Архитектура тракта приема, http://www.mobicom.narod.ru/SHEM/RX/.htm

6. Павел Катлеров. Технология Ethernet-over-PDH.-Компоненты и технологии.2007.№ 4

7. В. Голуб. Квадратурные модуляторы и демодуляторы в системах радиосвязи.- Элементная база электроники. 2003, № 3.с.15

8. http://www.micrel.com/_PDF/Ethernet/ks8993m_pb.pdf, -официальный сайт фирмы Micrel Semiconductor Inc.

9. http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/DS33Z41.pdf, -официальный сайт фирмы Maxim Integrated Products

10. http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/DS21Q44.pdf,-официальный сайт фирмы Maxim Integrated Products

11. http://www.actel.com/documents/Core8051_AN.pdf,-официальный сайт фирмы Actel Corporation

12. Многодиапазонные и многомодовые РЧ блоки оборудования ССПО, http://www.rfdesign.ru/multi/multi.htm

13. Ньюман Эрик. Многостандартные/многодиапазонные системы на основе приемников прямого преобразования.- Беспроводные технологии.2009,№ 2

14. Бирюков С. А. Применение интегральных микросхем серий ТТЛ. — М.: Патриот, Символ-Р, Радио, 1992.

15. Нефедов А. В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник. М.: КУбК-а, 1996. — 640 с.

16. http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX12529.pdfофициальный сайт фирмы Maxim Integrated Products

17. Н. Ракович. Аналого-цифровые преобразователи Maxim для систем сбора данных.- Компоненты и технологии.2004.№ 5

18. http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX2700-MAX2701.pdf.-официальный сайт фирмы Maxim Integrated Products

19. ГОСТ 53 386–200 922 «Платы печатные. Термины и определения», 2009.

20. Ильин В. А. Технология изготовления печатных плат. — Л.: Машино строение, Ленинградское отделение, 1984. 77 с.

21. Гусаков Б. И. Экономическая эффективность инвестиций собственника. — М.: Финансы, учет, аудит, 1998. — 216 с.

22.ПОТ Р. М012−2000 «Межотраслевые правила по охране труда при работе на высоте», 2000. -106 с.

23. ГОСТ 12.1.038−82. «ССБТ. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов», 2001. — 4 с.

24. СанПиН 2.1.8/2.2.4.1190−03 «Гигиенические требования к размещению и эксплуатации средств сухопутной подвижной радиосвязи», 2003.-7 с.

25. СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383−03 «Санитарные нормы и правила. Гигиенические требования к размещению и эксплуатации передающих радиотехнических объектов», 2003. — 22 с.

26. ГОСТ 12.1.006−84 «Система стандартов безопасности труда. Электромагнитные поля радиочастот. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля», 1999. — 5 с.

27. МУК 4.3.1677−03 «Определение уровней электромагнитного поля, создаваемого излучающими техническими средствами телевидения, ЧМ радиовещания и базовых станций сухопутной подвижной радиосвязи «, 2003. — 24с.