Р 061-2017 Применение современных видов модуляции и организация обмена информацией в радиоканальных системах передачи извещений. Методические рекомендации

1 Термины и сокращения

2 Введение

3 Алгоритмы и методы модуляции, применяемые в РСПИ

4 Много-позиционные и комбинированные методы модуляции

5 Современные методы организации радиосвязи

6 Сравнительный анализ различных методов

7 Обзор и анализ элементной базы для реализации современных методов модуляции в РСПИ на отечественном и зарубежном рынке

8 Заключение. Критерии оценки и выбор оптимального метода модуляции

9 Список использованной литературы




KTSO-DOC.RU - Документация на технические средства охраны



7 Обзор и анализ элементной базы для реализации современных методов модуляции в РСПИ на отечественном и зарубежном рынке

Отечественная электронная промышленность выпускает в основном радиомодемы, выполненные в виде отдельного законченного конструктива. Микросхемы трансиверов и синтезаторов для систем узкополосной радиосвязи выпускают лишь несколько предприятий, занимающихся производством микроэлектроники. Наиболее известна и востребована продукция АО НПЦ «ЭЛВИС» и АО «ПКК Миландр».

АО НПЦ «ЭЛВИС» г. Зеленоград выпускает микросхемы прямого цифрового двухканального синтезатора частоты (DDS) 1508ПЛ8Т, предназначенную для синтеза прямоугольных и гармонических не-модулированных и модулированных сигналов в полосе частот до 350 МГц (квадратурных сигналов в полосе частот до 700 МГц), используемых в системах связи и радиолокации. Изделие 1508ПЛ8Т входит в состав серии высокочастотных микросхем «Флекс Радио», разрабатываемых АО НПЦ «ЭЛВИС» на базе стандартной коммерческой КМОП технологии с проектными нормами 0,18-мкм.

По совокупности реализованных функций синтеза и разнообразию интерфейсов управления и передачи данных данный синтезатор превосходит свои аналоги фирмы Analog Devices (AD9952, AD9858, AD9854, AD9852, AD9850, AD9830), а по параметрам встроенных ЦАП не уступает AD9858 и другим подобным изделиям. Энергопотребление микросхем 1508ПЛ8Т существенно меньше, чем у аналогичных по классу устройств.

В микросхеме реализованы следующие типы модуляции: линейно-частотная (ЛЧМ), частотная (ЧМ), фазовая (ФМ), амплитудная (AM), квадратурная, а также их комбинации, включая QAM-64.

В состав микросхемы входит быстродействующий компаратор и встроенный 10-разрядный ЦАП 800 МГц (до 1 ГГц). Предусмотрена возможность работы микросхем совместно с внешними схемами ФАПЧ и ГУН для синтеза ЛЧМ-сигналов в диапазоне до нескольких гигагерц с сохранением высокой точности и скорости перестройки частоты. Интерфейс синхронизации нескольких микросхем обеспечивает возможность применения ЦВС в системах с ФАР и ААР.

Кроме того, предприятием производится четырехканальный цифровой SDR-приемник (DDC, Digital Down Converter) - микросхема 1288ХК1Т. Микросхема 1288ХК1Т предназначена для построения приемных трактов систем радиосвязи и радиолокации. В 1288ХК1Т реализованы функции преобразование входного сигнала с промежуточной частоты на низкую частоту с последующей фильтрацией и децимацией сигнала. Применение цифровой обработки сигнала на промежуточной частоте позволяет снизить требования к аналоговому тракту и упростить реализацию и/или улучшить производительность системы в целом. Производительность микросхемы достаточна для обработки четырех каналов узкополосной связи или одного канала широкополосной связи. На базе микросхемы 1288ХК1Т можно реализовать программно-перенастраиваемые фазированные и адаптивные антенные решетки, включая технологии «Smart Antenna» и MIMO.

Цифровой приемник 1288ХК1Т содержит четыре идентичных канала, реализующих функции гетеродинирования, децимации и канальной фильтрации входного сигнала.

Каждый из четырех каналов цифровой обработки включает цифровой гетеродин (NCO, X), два каскада фильтров-дециматоров с постоянными коэффициентами (CIC2, CICN), два каскада программируемых КИХ-фильтров-дециматоров 64-го порядка (DFIR64) и комплексный умножитель выходного сигнала (FGAIN).

Цифровой квадратурный гетеродин обеспечивает перенос спектра входного действительного сигнала с промежуточной частоты на низкую частоту, умножая отсчеты входного сигнала на отсчеты опорного сигнала. В гетеродине реализовано управление частотой и фазой опорного сигнала. Фильтры-дециматоры с фиксированными коэффициентами предназначены для предварительной децимации сигнала. Фильтры построены как фильтры с единичными коэффициентами (CIC — cascaded integrator comb). Применение этих фильтров эффективно при больших значениях коэффициента децимации. При необходимости, эти фильтры могут быть выключены.

В 1288ХК1Т предусмотрена синхронизация работы нескольких микросхем, включая синхронный пуск, останов, очистку блоков обработки, установку параметров гетеродина и комплексного выходного умножителя. Синхронизация нескольких микросхем позволяет использовать MF01 в системах ФАР и ААР. Кроме этого, реализована функция параллельной конфигурации нескольких микросхем.

Вывод обработанного сигнала осуществляется через 16 или 32 бит параллельный порт или 4 или 8 бит линк-порт, управление осуществляется с помощью последовательного или параллельного порта. Разнообразие интерфейсов и режимов их работы, а также наличие встроенного буфера на 512 выходных отсчетов позволяют подключать MF01 к различным микропроцессорам и микроконтроллерам без использования дополнительной логики.

Таблица 3 - Сравнение 1288ХК1Т с зарубежными микросхемами
  1288XK1T  AD6620 AD6634 GC4016
Количество каналов обработки 4 1 4 4
Количество независимых 16-битных входов 4 1 2 3
SFDR гетеродина, ДБ >100 >100 >100 >100
Каскады CIC децимации CIC2+CIC4-6 CIC2+CIC5 CIC2+CIC5 CIC4
КИХ-фильтр-корректор 64 порядка нет нет  


Фирмой АО «ПКК Миландр» г. Зеленоград производится многокристальная сборка для цифрового DRM-приемника «Дуэт». Микросборка представляет собой платформу для построения стационарных и мобильных радиоприемных устройств AM- и DRM-диапазонов, может применяться в перспективных радиоприемных устройствах, обеспечивающих качественный прием удаленных широковещательных радиостанций. Формат DRM позволяет принимать потоки аудиоинформации, текстовых сообщений, графической информации. Микросборка имеет низкое потребление, обеспечивающее продолжительную автономную работу.

В состав многокристальной сборки входят:
Аналого-цифровой преобразователь 5101НВ015;
Цифровой процессор обработки сигналов с СФ-блоками 1967ВН034;
Преобразователи постоянного напряжения 1310ПН1У - 3 шт.;
Flash-память 1636РР1У;
Генератор опорной частоты;
Пассивные компоненты.

Краткие характеристики:
Диапазон рабочих частот: 520 кГц - 1,6 МГц AM; 100 кГц -30 МГц DRM;
Режимы устойчивости: А, В, С, D;
Ширина полосы сигнала DRM: 4.5, 5, 9, 10, 18, 20 кГц;
Поддержка каналов передачи данных: FAC, SDC, MSC;
Способ модуляции DRM: ODFM (64-QAM hierarchical, non hierarchical, 16-QAM non hierarchical, 4-QAM);
Методы защиты от ошибок: сверточное кодирование, перемежение битов;
Прием текстовых сообщений: предусмотрен;
Выходные каналы приемника: UART, SPI, SSI, LCD-контроллер;
Потребляемая мощность: не более 1 Вт;
Потребляемая мощность в режиме ожидания: не более 0.2 Вт;
Рабочее напряжение: 5 ±10% В;
Диапазон рабочих температур: минус 60...+85 °С;
Тип корпуса: BGA, 234 вывода;
Габаритные размеры: 62x62 мм.

Также на АО «ПКК Миландр» г. Зеленоград разработано устрой¬ство формирователя модулирующего сигнала и освоен его серийный выпуск. Микросхема 1321 ХД2У (К1321 ХД2У, К1321 ХД2УК). 1321ХД2У является комбинацией целого набора аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей в составе системы цифрового радио и осуществляет критические цифровые обработки сигналов. Микросхема идеально подходит для построения узкополосной системы связи основанной на фазовой манипуляции. Гибкость в архитектуре микросхемы позволяет использовать ее и в системах связи ориентированных на модуляции, отличные от фазовой манипуляции. ЦАП, формирующий модулирующий сигнал, включает все функции для преобразования символов цифровых данных в аналоговые I и Q сигналы для внешнего переносчика частоты на несущую частоту. Максимальный битовый поток составляет 72 кбит/с, используя фазовую 4-х позиционную манипуляцию 4-DQPSK, или 108 кбит/с, используя 8-ми позиционную фазовую манипуляцию 8-D8PSK. Микросхема также включает в себя АЦП коррекции мощности для оцифровки I и Q каналов с частотой выборки до 36 кГц.

Предприятие также выпускает радиоприемник 1321ХД1, позволяющий принимать и обрабатывать радиосигнал на частотах в диапазоне 10 - 300 МГц. Для усиления принятого сигнала и переноса его на промежуточную частоту используются встроенные малошумящий усилитель, смеситель и система ФАПЧ с дробным коэффициентом деления. В микросхеме реализована система АРУ с диапазоном 24 дБ, а также возможность ручной регулировки усиления МШУ в диапазоне до 15 дБ. Тактирование АЦП и блока цифровых фильтров осуществляется от внутренней ФАПЧ со встроенной активной частью ГУН. Микросхема позволяет обрабатывать сигнал с минимальным коэффициентом шума (КШ) в полосе до 25 кГц и в полосе до 200 кГц с некоторым ухудшением КШ.

Однако основная доля оборудования для организации радиоканальной связи в УКВ диапазонах 134-174 и 380 - 486 МГц приходиться на радиомодемы, выпускаемые в виде законченного конструктива.

Основные типы указанных радиомодемов отечественного производства, с их характеристиками приведены в таблице 4.

Прочерки в таблице говорят об отсутствии данных или данная возможность не реализована в устройстве.

Из таблицы видно, что радиомодемы обладают следующими характеристиками:

- рабочий диапазон частот приемопередатчиков большинства радиомодемов: 146 - 174 МГц, 440 - 470 МГц;

- мощность передатчика варьируется от 10 мВт до 10 Вт;

- виды модуляции: FSK, MSK, GMSK;

- скорости передачи данных изменяется от 1200 бит/с до 19200 бит/с.

В ряде модемов используется контроль четности и помехоустойчивые коды, исправляющие одну и или две ошибки.

Некоторые модемы имеют несколько модификаций в зависимости от места и способа их использования. По конструктивному исполнению радиомодемы выпускаются:
- в виде законченных блоков, включающих собственно модем и приемопередатчик;
- в раздельном оформлении передающей и приемной частей радиомодема;
- в виде приставки к радиостанции, подключаемой к микрофонному и телефонному входам радиостанции;
- в виде модуля, выполненного на отдельной плате, которая включается между компьютером и радиостанцией.

Таблица 4


Зарубежный рынок микросхем радиомодемов более разнообразен как по типам используемой в них модуляции, так и по количеству производителей. Среди них можно выделить такие известные фирмы как CML Microcircuits, Analog Devices, Atmel, Texas Instruments и др.

CML Microcircuits ведущий разработчик и поставщик маломощных полупроводниковых решений для глобальных беспроводных и телекоммуникационных сетей. Среди многообразия изделий фирмы можно выделить микросхему CMX7163, которая обеспечивает функции 4/16/64-QAM на одном чипе, что позволяет исключить необходимость в DSP микроконтроллере и в микросхемах кодеков. Кроме того, вышеупомянутое решение включает в себя возможность обработки аналогового сигнала в широком динамическом диапазоне, цифровые полосовые фильтры, дополнительные кодеки, генератор тактовых импульсов, и все функции ввода/вывода, позволяющие уменьшить число компонентов и снизить стоимость финального решения. Высокий уровень интеграции решения снижает технические риски и минимизирует время выхода на рынок.

CMX7163 - это высокопроизводительное решение с высокой спектральной эффективностью QAM для узкополосых приложений. К ним относятся системы М2М с работой по выделенному каналу, цифровое Software Defined Radio (SDR), высокоскоростные беспроводные системы передачи данных и системы SCADA. Полудуплексное устройство, работающее с полосами пропускания 6.25kHz, 12.5 кГц и 25 кГц, работает со скоростью передачи данных до 96 Кбит/с с функциями оценки и выравнивания канала. Устройство обладает возможностью сопряжения с супергетеродинным приемником (например, СМХ992) или с приемником прямого преобразования (например, СМХ994), обеспечивающими соответствие таким строгим стандартам как EN 301 166, EN 300 113 и EN 302 561. Интерфейс передатчика совместим с проверенной технологией декартовой петли компании CML (СМХ998).

Устройство использует собственную технологию компании CML - Firm ASIC. Подсистемы чипа конфигурируются специальным файлом функционального образа, который загружается при инициализации устройства и определяет набор функций, которые устройство будет выполнять. Функции устройства могут быть расширены путем обновления файла функционального образа.

Логический интерфейс СМХ7163 обеспечивает адресуемые параметры конфигурации для упрощения разработки драйверов. Возможен выбор модуляции, скорости передачи и функции коррекции ошибок для различных применений без изменения аппаратной части.

Важными особенностями являются прямые аналоговые входы/выходы, автоматическая компенсация смещения, фильтрация формы импульса, возможность RAMDAC для контроля нарастания РА, последовательный интерфейс C-BUS (совместим с SPI) для работы с микроконтроллером. Четыре АПЦ и ЦАП, 2 программируемых выхода тактовых импульсов, 4 GPIO и отдельный интерфейс C-BUS (SPI) для реализации функции автоматического управления радио частью. Другими особенностями являются обнаружение несущей, автоматический контроль приемника AGC (при использовании СМХ992 или СМХ994).

Из продукции такого известного производителя радиоэлектроники, как Analog Devices, стоит выделить микросхему ADF7021-V. Высококачественный узкополосный ВЧ приемопередатчик с низким энергопотреблением, который построен на базе ADF7021-N. Архитектуры приемопередатчиков ADF7021-N и ADF7021-V похожи и отличаются только тем, что для достижения улучшенных показателей фазового шума в ADF7021-V интегрированный ВЧ синтезатор работает с внешним ГУН.

ADF7021-V предназначен для работы в не требующих лицензии диапазонах ISM и требующих лицензирования диапазонах на частотах от 80 МГц до 960 МГц.

Для минимизации сквозного прохождения ВЧ сигнала и уровня побочных излучений внешний ГУН работает на частоте в два или четыре раза выше желаемой частоты ВЧ сигнала. Максимальная поддерживаемая частота работы ГУН составляет 1920 МГц. Режим работы ГУН на учетверенной частоте программируется активацией дополнительного интегрированного делителя частоты на два, который не входит в состав контура ВЧ синтезатора и обеспечивает улучшенные показатели фазового шума.

Аналогично приемнику ADF7021-N приемный тракт ADF7021-V поддерживает работу с шириной полосы фильтра ПЧ 9 кГц, 13.5 кГц и 18.5 кГц, благодаря чему приемопередатчик идеально подходит для узкополосных систем передачи телеметрии в международных частотных диапазонах.

Для повышения эффективности использования спектра в узкополосных системах компонент имеет функции сглаживания передаваемых импульсов данных при помощи фильтра с гауссовской характеристикой или характеристикой приподнятого косинуса. Приемопередатчик может применяться в системах, работающих в соответствии со следующими стандартами:
- Европейский стандарт ETSI EN 300 220;
- Североамериканские стандарты FCC Part 15, Part 90 и Part 95;
- Японский стандарт ARIB STD-T67;
- Корейские регламенты для устройств с малой дальностью действия;
- Китайские регламенты для устройств с малой дальностью действия.

Для построения на базе ADF7021-V полнофункционального приемопередатчика достаточно небольшого количества внешних дискретных компонентов, что делает его привлекательным для задач, где особенно важны малые габариты и высокие технические показатели.

Технические характеристики микросхемы приведены ниже:
- диапазоны рабочих частот при использовании внешнего ГУН: от 80 МГц до 960 МГц;
- улучшенные по сравнению с ADF7021-N показатели проникновения мощности в соседний канал (АСР) и избирательности по соседнему каналу (ACR);
- программируемая ширина полосы фильтра ПЧ: 9 кГц, 13.5 кГц и 18.5 кГц;
- алгоритмы модуляции: 2FSK, 3 FSK, 4FSK, MSK;
- сглаживание формы импульса: гауссовский фильтр и фильтр с характеристикой приподнятого косинуса;
- скорости передачи данных: от 0.05 кбит/с до 24 кбит/с;
- напряжение питания: от 2.3 В до 3.6 В.

Компания AXSEM, мировой лидер в разработке и производстве микросхем смешанных сигналов, производит один из лучших в индустрии интегральный приемопередатчик субгигагерцового диапазона AX5043 с чувствительностью - 126 дБм на 1200 бод и 45 дБ подавления соседнего канала, потребляющий 9,5 мА в приеме.

Технические характеристики AX5043:
- ток в режиме приема 9,5 мА;
- чувствительность 126 дБм, подавление соседнего канала 45 дБ при скорости 1200 бод, канале 6,25 КГц на 868 МГц, FSK;
- низкое потребление без влияния на бюджет связи и избирательность;
- диапазон несущих частот 70..1050 МГц;
- стабильная выходная мощность (+-0,5 дБ) во всем диапазоне питающих напряжений (1,8..3,6 В) и рабочих температур (-40..+85С);
- автономный режим пробуждения по радио (wake-on-radio) -500 нА;
- мощный полностью настраиваемый обработчик пакетов;
- поддержка протоколов обмена, в т.ч. HDLC и Wireless M-Bus (S, R, T).

Трансивер AX5043 является идеальным решением для узкополосных многоканальных радиосистем для работы на различных частотах, как открытых, так и лицензируемых. Микросхема имеет уникальную комбинацию параметров: высокая чувствительность, сверхнизкое энергопотребление, высокая избирательность. Бюджет связи в 143 дБм доступен без применения специальных методов кодирования данных, а включение аппаратной коррекции ошибок расширяет его до 146 дБм. Для работы в узкополосном режиме требуется термокомпенсированный тактовый генератор (16 МГц для большинства диапазонов), но приемопередатчик может работать и с обычным кварцем, если он обеспечивает требования по стабильности частот, рассчитан на работу от батарейного питания.

AX5043 поддерживает следующие алгоритмы модуляции: FSK, MSK, 4-FSK, GFSK, GMSK, AFSK и ASK. Максимальная выходная мощность - 16 дБм на 868 МГц и 20 дБм на 70 МГц.

Отличительные особенности:
- режим приёма и передачи без микроконтроллера;
- встроенная функция произвольного кадрирования обеспечивает поддержку большинства стандартов ISM и определяемых пользователем протоколов.

Из продукции фирмы Microchip можно выделить трансивер MRF49XA. Микросхема MRF49XA представляет собой Sub-GHz трансивер. Синтезатор частоты тактируется внешним кристаллом 10МГц и генерирует радиочастоты 433, 868 и 915МГц. Передатчик с прямым архитектурным преобразованием имеет типичную выходную мощность+7дБм. Аппарат работает в низковольтном диапазоне 2.2V ~ 3.8V, а в спящем режиме он потребляет очень низкой ток состояние, как правило, 0.3 мкА.

Технические характеристики трансивера:
- частота 433MHz, 868MHz, 915МГц;
- скорость передачи данных (макс.) 256kbps;
- протокол модуляции FHSS, FSK;
- мощность выходная 7dbm;
- чувствительность -110dBm;
- напряжение питания 2.2В ~ 3.8В;
- ток приема 11мА;
- ток передачи 15мА;
- интерфейс данных PCB, поверхностный монтаж;
- вход для антенны PCB, поверхностный монтаж;
- температурный диапазон -40°С ~ +85°С.

К положительным свойствам можно следующие особенности микросхемы:
- наличие и поддержка собственных беспроводных протоколов Sub-GHz;
- наличие встроенного 10 МГц генератора;
- встроенный датчик низкого заряда аккумулятора;
- 4-х проводной последовательный периферийный интерфейс (SPI) совместимый интерфейс для связи с управляющим микроконтроллером;
- CMOS / TTL-совместимые входы / выходы.

Компания Nordic VLSIASA одной из первой применила технологию 18 мкм для построения однокристальных трансиверов в диапазоне СВЧ. Они единственные, кто разместил помимо трансивера еще и микроконтроллер 8051 и АЦП на том же кристалле. Простота конфигурации (всего по трем проводам), минимум внешних элементов, широкий диапазон питающих напряжений, индустриальный диапазон температур, низкое потребление и низкая цена делают компоненты Nordic идеальными для решения многих задач, где необходима беспроводная передача данных.

Семейство микросхем nRF9x5, выпускаемых фирмой, представляет собой универсальные однокристальные приемопередатчики, работающие на частотах 433, 868, 915 МГц. Частота функционирования для данной группы продуктов частота функционирования задается внешними пассивными компонентами.

В данных устройствах используется GFSK модуляция и манчестерский код для передачи и кодирования данных.

Максимальная скорость передачи данных составляет до 100 Кбит/с. Ширина полосы пропускания радиоканала составляет 100 кГц для частоты 433 МГц и 200 кГц для частот 868 и 915 МГц. Благодаря наличию встроенной схемы управления напряжением питания данная ИМС функционирует в широком диапазоне напряжений: от 1.9 до 3.6 В. Использование запатентованной технологии Shock Burst TM позволяет повысить соотношение сигнал/шум и уменьшить нагрузку на внешний управляющий процессор. Суть данной технологии заключается в том, что вместе с основными данными передается автоматически сформированная приемопередатчиком CRC сумма, позволяющая при помощи циклического избыточного кода контролировать целостность принятой информации и формировать сигнал готовности для внешнего процессора. Также, благодаря технологии Shockk Burst ТМ в приемопередатчиках данной серии используется радиоканал с шириной полосы пропускания, значительно превышающей действительную скорость передачи данных, благодаря чему обеспечивается высокая помехоустойчивость радиоканала. Управление приемопередатчиком осуществляется по SPI интерфейсу. Не требуются внешние ПАВ фильтры. Приемопередатчики серии nRF905 имеют два активных режима работы: Shock Burst ТМ RX и ТХ прием и передача данных соответственно, и два режима экономии энергии: Power Down и Standby Mode. В режиме Power Down радиочастотная часть и кварцевый генератор выключены и производится только обмен данными по SPI интерфейсу, в результате чего ток потребления снижается до 2 мкА. В режиме Standby Mode радиочастотная часть также выключена, но кварцевый генератор продолжает функционировать. При этом значительно ускоряется переход из экономичного режима в один из активных режимов. Также можно оптимизировать энергопотребление приемопередатчика благодаря возможности управления чувствительностью приемника и мощностью излучения передатчика.

Фирма Texas Instruments также известна своими решениями в области радиосвязи. Среди изделий фирмы, наиболее подходящих для организации радиообмена в РСПИ можно выделить радиотрансивер CC1120RHBR, предназначенный для работы в диапазонах 164 МГц - 190 МГц, 410 МГц - 475 МГц, 820 МГц - 950 МГц.

СС1120 и СС1121 - представители нового «Performance Line» семейства беспроводных трансиверов диапазона до 1ГГц с уникальными характеристикам. Новинка позволяет получить дальность передачи данных на открытом пространстве более 10 км.

Основные отличительные особенности микросхемы:
- использование только цифровых фильтров;
- чувствительность приемника до -123 дБм (СС1120);
- размер буферов ТХ и RX FIFO с 64 (CC1101) - 128 байт;
- минимальное частотное разделение каналов 12,5кГц (СС1120);
- режим просыпания по радиосигналу «Sniff Mode», позволяющий снизить энергопотребление, просыпание всего по 4 битам преамбулы;
- аппаратная пакетная обработка данных, CRC16, аппаратное кодирование (увеличивает чувствительность на 3-6 дБ);
- поддержка работы с термокомпенсированным генератором (TCXO) - автоматическое отключение ТСХО в режиме «power down».

Трансивер обеспечивает следующие методы модуляции несущей: 2-FSK, 2-GFSK, 4-FSK, 4-GFSK, ASK, MSK, OOK-их с максимальной скоростью передачи 200 кбит/с.




Далее >>>