1.9.Проработка идеи радиоинтерфейса в прямом и обратном направлениях: пояснение возможной иерархии интерфейса (слот-кадр-мультикадр-суперкадр и т.д.); определение способа размещения ЛКС в радиоинтерфейсе.
В п.1.8.8 было установлено, что каждый пакет физического уровня в прямом и обратном направлениях имеет одну и ту же длительность для всех используемых типов пакетов канального уровня. Время передачи одного пакета физического уровня 3937,5 мкс будем называть кадром. Пакет физического уровня состоит из полей определенной длины. В иерархии радиоинтерфейса нужно выделить единицу, меньшую кадра. Это слот. В данной системе во время одного временного слота будет передаваться 4 бита информации. Соответственно, кадр состоит из 126/4 = 32 слотов (после округления в большую сторону). Получаем, что один слот имеет длительность 123 мкс. Следующей большей единицей иерархии будет мультикадр, структура которого была рассмотрена в п.1.4.2. Исходя из того, что все пакеты имеют одинаковый размер, мультикадр будет состоять из шести кадров и временного отрезка, на котором происходит конкурентная борьба за канал связи. Будем считать этот отрезок еще одним, седьмым кадром, т.е. окно конкурентной борьбы состоит из 32 слотов. Соответственно, таймер случайной задержки во время борьбы может принимать значение от 1 до 32 с длительностью одного отсчета 123 мкс. Мультикадр, таким образом, состоит из 7 кадров и имеет длительность 27562,5 мкс. Все время работы сети от старта до финиша забега – это максимальная единица иерархии радиоинтерфейса, назовем ее суперкадром. Суперкадр не имеет строго фиксированной длительности и зависит от длительности соревнования. Мировой рекорд на данной дистанции составляет 2 часа 3 минуты 38 секунд. Это время соответствует 269134 мультикадрам. Получается, что размер суперкадра будет немного больше, чем 270000 мультикадров. Итак, получили иерархию радиоинтерфейса в прямом и обратном напрвлениях: слот-кадр-мультикадр-суперкадр. Эту иерархию поясним с помощью рис.1 [1]:
Рис.1. Иерархия радиоинтерфейса.
Определим способ размещения ЛКС в радиоинтерфейсе. Для этого изобразим структуру мультикадра в следующем виде (рис.2):
Рис.2. Структура мультикадра с указанием размещения в нем ЛКС.
Рисунок иллюстрирует структуру мультикадра, состоящего из 7 кадров в каждом из которых используется определенный логический канал связи.
2. Техническая часть
2.1.Разработка структурных схем передающего и приемного трактов устройств системы на основе концепции SDR (SoftwareDefinedRadio). Пояснение функционирования схем.
Цифровая технология Software Defined Radio (SDR) позволяет передавать и обрабатывать сигналы с использованием разных частот и стандартов, при этом все параметры устройства определяются программно [2]. Суть концепции SDR заключается в том, что базовые параметры приемопередающего устройства определяются именно программным обеспечением, а не аппаратной конфигурацией, как в классических конструкциях. Классические радиопередающие и принимающие устройства имеют «жесткую» архитектуру, определяемую конкретными электронными компонентами — LRC-контурами, детекторами и т.п. Такие устройства поддерживают один тип сигнала, что позволяет связываться между собой только однотипным устройствам. Это являлось и является сильным ограничением и усложняет организацию связи. В связи с этим ощущалась потребность в «гибкой» архитектуре, которая могла бы задаваться и изменяться программно. Так появилось SDR — «программируемое радио», в котором вид модуляции, частота и другие параметры определяются процессором или микроконтроллером.
По условию ТЗ именно эту технологию и нужно будет использовать при реализации приемопередающих устройств системы.
Типовая архитектура SDR (рис.3) содержит антенну, блоки аналого-цифрового, цифро-аналогового преобразования, блок обработки цифровых сигналов на базе быстродействующего процессора и другие вспомогательные блоки. Одним из самых важных узлов является аналого-цифровой преобразователь, который напрямую подключается к антенне. Очевидно, что его характеристики будут во многом определять и характеристики устройства в целом. Основными параметрами являются разрешающая способность по уровню сигнала, линейность и скоростные характеристики. Именно скоростные характеристики определяют частоту, на которой способно работать программируемое радио.
Рис.3. Упрощенная архитектура типового SDR-устройства.
Другой, не менее важный компонент архитектуры SDR — процессор. Именно он обеспечивает гибкость системы и используется для полной обработки сигналов — детектирования, коррекции, демодуляции, исправления ошибок, шифрования и последующей обработки.
Использование программируемой технологии позволяет также продлить активную фазу жизненного цикла изделия, заменяя программное обеспечение при введении новых стандартов обмена данными — форматов и протоколов. Кроме того, мобильное устройство на базе архитектуры SDR может более эффективно использовать радиочастотный спектр и потребляемую от источника питания энергию.
Пока что недостатками устройства SDR являются слишком высокая стоимость такой системы и достаточно ощутимые ограничения технологии (например, имеющиеся цифровые сигнальные процессоры обладают недостаточным быстродействием для реализации одновременно всех функций радиопередающего и принимающего устройства).
В идеальном случае радиооборудование SDR не должно иметь аналоговых функциональных узлов, за исключением малошумящего усилителя МШУ тракта приема и усилителя мощности УМ тракта передачи [3]. В SDR-приемопередатчиках аналоговый сигнал должен преобразовываться в цифровой на выходе антенно-фидерной системы и проходить далее обработку только в цифровой форме. На современном же этапе развития техники для реализации входной части приемника используются раздельные аппаратные устройства для каждого диапазона, а программно-определяемая обработка сигналов производится только на частотах ПЧ.
Теперь, после разбора концепции SDR, разработаем структурную схему передающего и приемного трактов устройств системы (рис.4):
Рис.4. Структурная схема передающего и приемного трактов.
Фильтр-преселектор служит для выделения требуемого диапазона частот для дальнейшей обработки. Переключатель прием/передача осуществляет выбор режима работы устройства либо на передачу, либо на прием. Также в аналоговую часть устройства входят УМ, необходимый при передаче сигнала, и МШУ, осуществляющий усиление принимаемого сигнала до уровня, требуемого для работы последующих каскадов. Устройствами сопряжения между аналоговой и цифровой частями устройства являются аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи. Синтезатор частоты служит для переноса сигнала в область высокой частоты в смесителе передающего тракта, при приеме, наоборот, в смесителе происходит понижение несущего частоты в область НЧ. Далее следует модем, осуществляющий модуляцию/демодуляцию в зависимости от работающего тракта (приема или передачи). Все остальные операции физического уровня (кодирование, перемежение), а также задачи канального уровня выполняются цифровым сигнальным процессором на программном уровне. Передача данных и управление функциональными блоками осуществляется через последовательный интерфейс SPI, широко используемый при соединении микросхем в устройстве [4].
2.2.Определение требований к параметрам модулей структурных схем, практический выбор компонентов и оценка их стоимости.
Ну и наконец, произведем выбор компонентов для приемопередающих устройств.
1)Фильтр-преселектор.
Выберем полосовой фильтр на ПАВ HDF420M с центральной частотой 420 МГц и шириной полосы по уровню 3 дБ 700 кГц. Он предназначен для входных цепей приемо-передающей аппаратуры широкого применения. Цена 100 руб.
2)АЦП и ЦАП.
Выберем продукты фирмы Analog Devices:
АЦП AD7357 маломощный, 14-разрядный, с максимальной частотой дискретизации 4,25 МГц, цена $ 10,81 [6].
ЦАП AD5453 14-разрядный, с максимальной частотой дискретизации 2,7 МГц, цена $ 4,54 [7].
3)Трансивер.
Эта микросхема должна обеспечивать модуляцию/демодуляцию заданного типа, т.е. BPSK и PSK-16, и желательно иметь в своем составе синтезатор частоты. К сожалению, найти микросхему с поддержкой данных видов модуляции не удалось. По остальным критериям возьмем микросхему фирмы Analog Devices ADF7020-1 [8]. Это высокоэффективный приемопередатчик, работающий в ISM-диапазоне, а именно в диапазоне 80 – 650 МГц. Имеется встроенный синтезатор частоты. Максимальная скорость передачи данных составляет 200 кбит/с, что удовлетворяет нашей системе (требуется 32 кбит/с). Цена данной микросхемы $ 2,23. Но поддерживаемые виды модуляции ASK и FSK. Как известно, на развитие спорта выделяются большие деньги, а данная система связи разрабатывается как раз в интересах спорта. Значит, есть возможность заказать дополнительную партию данных микросхем с поддержкой модуляции MPSK с определенной доплатой.
4)Цифровой сигнальный процессор.
Высокой вычислительной эффективности в нашей системе не требуется, поэтому возьмем маломощный процессор фирмы Analog Devices семейства ADSP-21x– ADSP-2191M [9]. Его функциональная схема представлена на рис.5:
Рис.5. Функциональная схема процессора ADSP-2191M.
Тактовая частота 160 МГц, процессор с фиксированной точкой, 160 кбайт памяти типа RAM, имеется порт SPI. С данными характеристиками процессор сможет эффективно справиться с поставленными задачами. Цена его составляет $ 22,75.
Таким образом, практический выбор основных компонентов радиооборудования и оценка их стоимости произведены. Неучтенными остались лишь такие компоненты, как устройства для измерения пульса, температуры и корпус мобильного терминала. Но они не относятся к решению задач построения сети, и мы их рассматривать не будем.
Заключение
В результате выполнения курсового проекта была разработана система беспроводного сбора данных с подвижных станций, а именно с радиомаяков, закрепленных на поясе участников марафонского забега. В полном объеме построены канальный и физический уровень системы. Все рассчитанные параметры системы удовлетворяют требованиям технического задания. Используются минимально возможная мощность излучения мобильных терминалов и минимальный диапазон используемых частот. Осуществляется одновременное обслуживание нескольких подвижных объектов путем использования множественного доступа к среде по алгоритму CSMA/CA. Проработана иерархия радиоинтерфейса в прямом и обратном направлении. Рассмотрены все возможные режимы работы и сети и сценарии взаимодействия терминалов. Определена информационная подсистема сети. Как итог, разработана структурная схема передающего и приемного трактов устройств системы, и произведен практический выбор ее компонентов.
Использованная литература:
1.Слайды по дисциплине «Системы и сети связи с подвижными объектами».
2.http://www.proceedings.spiiras.nw.ru/data/src/2008/06/00/spyproc-2008-06-00-05.pdf
3.http://www.rfdesign.ru/multi/sdr.htm
4.http://ru.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface
5.http://www.quartz1.ru/fil.htm
6.http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7357.pdf
7.http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD5450_5451_5452_5453.pdf
8.http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADF7020-1.pdf
9.http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADSP-2191M.pdf
10. КП "Система сбора данных с подвижных станций". Часть 1. Доработанная.
11. КП "Система сбора данных с подвижных станций". Часть 2. v.3
12. КП "Система сбора данных с подвижных станций". Часть 3. п.1.7
13. КП "Система сбора данных с подвижных станций". Часть 3. п.1.8