CC BY
37
УДК 621.396.6
А. Г. Панюков
ПОДБОР ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ УСТРОЙСТВА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ OFDM-СИГНАЛОВ
Для обеспечения качественного радиосвязи в диапазоне частот 2,4 ГГц с применением OFDM-сигналов была разработана схема устройства предварительного обработки сигналов. Для построения схемы устройства был проведен подбор электронных компонентов, отвечаюгцга требовангтм, сформулг1рованным в статье.
Цель данной статьи - описать процесс подбора электронных компонентов для устройства предварительной обработки OFDM-сигналов. Основная задача данного устройства - максимально очистить полезный сигнал от помех, внеся при этом минимальное количество собственных шумов и искажений. Это позволит увеличить дальность и качество связи при сохранении исходной мощности сигнала на входе устройства.
От существующих приемных устройств такого рода, например, от WiMAX-модемов, [1, 2] описываемое устройство отличается более мощным и гибким каналом предварительной обработки сигналов, что позволит добиться лучших характеристик по дальности и качеству связи.
Рассматриваемое устройство выполняет следующие функции:
- прием и разделение OFDM-радиосигналов на каналы;
- подготовку радиосигналов к выделению полезной информации;
- детектирование наличия радиосигнала определенной модуляции (манипуляции) в определенной полосе частот.
Основные характеристики устройства: центральная частота принимаемого сигнала - 2,4 -2,5 ГГц; ширина полосы частот принимаемого сигнала - 20 МГц; увеличенная дальность и надежность радиосвязи; гибкая настройка устройства для взаимодействия с различными радиосигналами и оконечными устройствами.
Для построения схемы и реализации устройства предварительной обработки OFDM-сигналов необходимы следующие электронные компоненты:
устройство понижения частоты входного сигнала (гетеродин, квадратурный демодулятор). Основные требования к нему: минимальная фазовая ошибка при преобразовании, разделение сигнала на квадратуры при преобразовании, минимальный дисбаланс значений амплитуды квадратур, низкое энергопотребление, простота использования, малые габариты;
синтезаторы частот для формирования тактового сигнала. Основные требования к ним: минимальная вносимая нестабильность генерируемого тактового сигнала, возможность переключения (подстройки) тактовой частоты «на горячую» и изменения мощности генерируемого сигнала «на горячую»;
аналого-цифровой преобразователь. Основные требования к нему: высокая частота дискретизации (не менее 120 МГц), разрядность выходного сигнала не менее 12 бит, два независимых канала аналого-цифрового преобразования, дифференциальный интерфейс выходного сигнала, низкий уровень собственных шумов;
программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС). Основные требования к ней: высокое быстродействие, поддержка большого числа стандартных интерфейсов, максимальная емкость при возможности вести разработку в свободно распространяемых версиях программного обеспечения (например, ISF WebPack);
микроконтроллер для взаимодействия с пользователем. Основные требования к нему: поддержка SPI, US ART, I2C и других внешних интерфейсов, высокая производительность, большое число линий ввода-вывода
Функциональная схема устройства, представляющая его основные компоненты, изображена на рисунке.
Первым этапом выбора составляющих устройства был выбор аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Следует отметить, что многие АЦП от крупных производителей могут удовлетворить требованиям системы. Примером качественного АЦП с хорошими характеристиками является преобразователь фирмы Texas Instruments ADS62P45. Основные характеристики данного устройства [3]: частота дискретизации - 125 МГц; разрядность - 14 бит; два независимых канала преобразования; ослабление соседнего канала - 95 дБ; CMOS/LVDS-выходы; встроенные блоки цифровой обработки сигналов (отдельно на каждый канал); поддержка синусоидального, LVPECL, LVDS и LVCMOS тактовых сигналов амплитудой до 0,4 В минимум; стабилизатор тактового сигнала; встроенный генератор опорного напряжения поддерживает внешнее опорное напряжение; потребление - 799 мВт; питание - 3,3 В.
2,4 ГГц 125 МГц 400 МГц
Функциональная схема устройства предварительной обработки OFDM-сигналов
Встроенные блоки цифровой обработки сигналов позволяют производить коррекцию сдвига АЦП, точную коррекцию усиления каналов с шагом 0,05 дБ, децимацию на 2/4/8, встраивать в обработку цифровые фильтры порядка 24 (ФНЧ, ФВЧ либо полосовой).
Для подготовки сигнала к выделению полезной информации предлагается использовать программируемую логическую интегральную схему, что позволит обеспечить значительный объем вычислительной нагрузки по выделению полезного сигнала из шумов, хорошее быстродействие при работе как с АЦП, так и с оконечными устройствами, гибкость в коммуникационных интерфейсах. Предлагается использовать ПЛИС фирмы Xilinx серии Virtex II -XC2V250 в корпусе FG256. Основные характеристики данного устройства [4]:
производительность: логическая емкость - 250 тыс. системных вентилей на кристалле, внутренняя тактовая частота - до 420 МГц, скорость обмена данными более - 840 Мбит/с по одному контакту ввода-вывода;
иерархическая система элементов памяти: 48 кбит распределенной памяти на кристалл, конфигурируемых либо как 16 битовое ОЗУ, либо как 16 битовое двухпортовое ОЗУ, либо как 16 битовый сдвиговый регистр, 432 кбит встроенной памяти на кристалл, реализуемой на блоках двухпортовой ОЗУ по 18 кбит;
специализированные встроенные модули для реализации арифметических функций: 24 блока умножителей 18 х 18 бит, встроенная логика ускоренного переноса для реализации высокоскоростных арифметических операций, гибкая архитектура с балансом быстродействия и плотности упаковки логики, 3072 регистров (защелок) с разрешением тактирования и синхронным/асинхронным сбросом и установкой, 3072 четырехвходовых функциональных генератора (4-LUT), каскадируемые цепочки для функций с большим количеством входов, внутренние шины с тремя состояниями;
быстродействующие встроенные цифровые модули управления синхронизацией (DCM): 8 модулей, точная подстройка фронтов тактирующих сигналов, умножение, деление частоты, сдвиг фазы с высоким разрешением, защита от электромагнитных помех, 16 мультиплексоров глобальных тактовых сигналов,
программируемые блоки ввода-вывода, поддерживающие большинство цифровых сигнальных стандартов: 172 программируемых пользователем блока ввода-вывода, 19 однополюсных и 6 дифференциальных стандартов ввода-вывода, программируемая нагрузочная способность по току (от 2 до 24 мА) на каждый вывод, программируемый импеданс для однополюсных стандартов в каждом блоке ввода-вывода;
дифференциальная передача сигналов: поддержка передачи сигналов со скоростью 840 Мбит/с по стандарту LVDS (Low-Voltage Differential Signaling), поддержка стандартов BLVDS (Bus LVDS), LDT (Lightning Data Transport), LVPFCL (Low-Voltage Positive EmitterCoupled Logic), встроенные входные и выходные регистры с удвоенной скоростью передачи данных;
конфигурация кристалла хранится во внешнем ПЗУ и загружается в кристалл после включения питания автоматически или принудительно: неограниченное число циклов загрузки, 5 режимов загрузки, шифрование конфигурационной последовательности по стандарту TRIPLF DFS, поддержка конфигурирования по стандарту ШГГ1532, возможность частичного реконфигурирования;
проектирование осуществляется пакетами программного обеспечения ISE Foundation и ISE Alliance, работающими на персональном компьютере или рабочей станции. Микросхемы емкостью до 300 тыс. вентилей поддерживаются бесплатным пакетом ISE WebPack;
напряжение питания ядра кристалла - 1,5 В, блоков ввода (вывода) от 1,5 до 3,3 В - в зависимости от запрограммированного сигнального стандарта; 100%-ное фабричное тестирование.
Следующий и не менее важный элемент устройства предварительной обработки OFDM-сигналов - квадратурный демодулятор, который служит для понижения несущей частоты входного радиосигнала. Такие устройства от ведущих производителей имеют примерно одинаковые характеристики. Предлагаемый к использованию демодулятор AD8347 представля-
Информационные технологии, автоматика, связь, телекоммуникации
ет собой прямой широкополосный квадратурный демодулятор с автоматическим регулированием усиления. У данного устройства можно отметить следующие преимущества: встроенный алгоритм автоматического регулирования усиления в широком диапазоне (69,5 дБ), фазовая ошибка - около 1°, дисбаланс амплитуд максимум 0,3 дБ, выходы напрямую совместимы с входами АЦП, широкий диапазон напряжений питания - 2,7 - 5,5 В.
Четвертая группа элементов схемы - синтезаторы частот.
Генерируют тактовые сигналы в схеме три устройства: квадратурный демодулятор, АЦП и ПЛИС.
Для переноса частоты радиосигнала необходим высокостабильный источник синусоидального колебания. В качестве такого источника может выступать синтезатор частот в паре с термокомпенсированным кварцевым генератором.
Использование интегрированного синтезатора частоты ADF4360-0 позволяет получить высокостабильное колебание с программно изменяемой частотой и мощностью тактового сигнала.
Для аналого-цифрового преобразования и обеспечения работы схемы необходим также высокостабильный источник тактового сигнала. С этой целью можно использовать интегрированный синтезатор частоты ADF 4360-8.
Отметим преимущества синтезаторов тактового сигнала семейства ADF 4360: программируемые мощность и частота выходного сигнала, размах выходного сигнала - от 0,4 до (VDD - 0,4) В, фазовая ошибка, - 0,09 - 1,4° (вносимый джиггер не более 2 пс).
Для обеспечения работы схемы в целом, конфигурирования отдельных узлов, взаимодействия с пользователем предлагается применять микроконтроллер фирмы STMicroe-lectronics - STM32F103C6 в корпусе LQFP100. Данный контроллер сочетает в себе производительное ядро, поддержку множества интерфейсов и невысокую стоимость. Гго основные характеристики: ядро ARM 32-bit Cortex™-M3, тактовая частота - до 72 МГц, производительность - 1,25 DMIPS/МГц, нулевые задержки доступа к памяти, возможность производить операции умножения (деления) за 1 такт, 32 кб Flash-памяти, 10 кб оперативной памяти SRAM, питание и активный уровень портов ввода/вывода - от 2 до 3,6 В, ФАПЧ для тактирования ядра, два 12-битных АЦП, контроллер прямого доступа к памяти, 51 линия ввода-вывода, 6 таймеров, поддержка 5 коммуникационных интерфейсов: I2C, US ART, SPI, CAN, USB.
Набор основных компонентов, приведенный в данной статье, позволит создать устройство с хорошим быстродействием, гибкое по отношению к используемым сигналам и оконечным устройствам.
Характеристики синтезаторов частот и АЦП должны обеспечить систему качественным цифровым сигналом на входах ПЛИС.
Стабильная частота тактирования ПЛИС вкупе с ее хорошим быстродействием обеспечат выполнение сложных алгоритмов очистки сигнала от мешающих воздействий.
Мощный контроллер с множеством поддерживаемых интерфейсов и тактовой частотой 72 МГц обеспечит высокую гибкость системы в настройке всех ее модулей.
Список литературы
1. Васин, В. А. Радиосистемы передачи информации [Текст] / В. А. Васин, В. В. Калмыков, Ю. Н. Себекин. - М.: Горячая линия-Телеком, 2005. - 472 с.
2. Шахнович, И. В. Современные технологии беспроводной связи [Текст] / И. В. Шахно-вич,- М.: Техносфера, 2006. - 288 с.
3. Черемисов, П. Быстродействие. Экономичность. Высокое разрешение [Текст]/ П. Черемисов // Новости Электроники. 2010. - № 11.-С.6-9.
4. Селезенкин, А. Обзор кристаллов ПЛИС компании Xilinx [Текст] / А. Селезенкин // Современная электроника. 2008. - № 3. - С. 16-18.
88 ИЗВЕСТИЯ Транссиба^^И №3(7)
