|
|
"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" N 11, 2005 |
оглавление | дискуссия |
|
ЦИФРОВАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННОГО РАДИОКАНАЛА МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА
Борисов В.Б., Федорова Л.В.
Институт радиотехники и электроники РАН
Получена 2 ноября 2005 г.
Цифровая аппаратура для локальной информационной сети миллиметрового диапазона
Испытания цифрового радиоканала с применением комплекса аппаратуры миллиметрового диапазона
Аннотация
Рассматривается цифровая аппаратура для локальной информационной сети миллиметрового диапазона. Разработка включает приемо-передающую аппаратуру диапазона 40 Ггц, согласующие и интерфейсные устройства, средства адаптивной компенсации помех, программное обеспечение для управления функционированием аппаратуры в целом. Приведены результаты испытаний цифрового радиоканала с применением созданной аппаратуры в лабораторных условиях при разных скоростях передачи цифровой информации и разных условиях распространения радиоволн.
Введение
С развитием сотовых систем связи в городах и пригородных зонах, а также локальных информационных сетей (ЛИС), работающих как вне, так и внутри помещений [1-3], возникает необходимость создания широкополосных линий связи, обеспечивающих высокую скорость и надежность передачи цифровой информации.
В стационарных проводных системах необходимую полосу пропускания обеспечивают волоконно-оптические линии связи.
Однако, имеется целый ряд задач, требующих беспроводного дистанционного доступа пользователей в широкой полосе частот, превышающей 1 Ггц. К таким задачам относятся:
1) связь между зданиями, в том числе высотными или разделенными различного рода препятствиями, затрудняющими прокладку волоконно-оптического кабеля [4];
2) связь между движущимися автомобилями, а также между автомобилями и специальными станциями-маяками на магистральных автодорогах [5];
3) связь внутри помещений, в том числе между компьютерами [6].
При проектировании ЛИС миллиметрового диапазона имеется ряд проблем, связанных как с особенностями распространения радиоволн, так и с конструированием и изготовлением приёмо-передающей и связной аппаратуры.
Цифровые системы связи, как правило, работают в условиях действия помех, обусловленных многолучевым распространением радиоволн. В результате многократных переотражений от элементов зданий сигнал от передатчика приходит в точку приема разными путями, и, следовательно, сигналы различных лучей отличаются по амплитуде и по фазе. Многолучевой характер распространения радиоволн, когда в точку приёма приходят волны с разных направлений и с разными временными задержками, порождает явление межсимвольной интерференции при передаче кодовых последовательностей. Искажения сигнала, обусловленные межсимвольной интерференцией могут вызвать серьезное ухудшение качества приёма цифровой информации, если длительность задержки превышает длительность символа [7,8].
Применение в локальных беспроводных информационных сетях миллиметровых волн, для которых характерно большое поглощение в атмосфере [9], позволяет избежать взаимных помех и обеспечить при прочих равных условиях более высокий уровень помехозащищённости сети и конфиденциальности связи, что во многих случаях является решающим фактором.
Цифровая аппаратура для локальной информационной сети миллиметрового диапазона
Статья посвящена разработке и созданию комплекса аппаратуры для локальной цифровой информационной сети миллиметрового диапазона волн.
В состав комплекса входит приёмо-передающая аппаратура (ППА) диапазона 40Ггц, согласующие и интерфейсные устройства, устройства адаптивной компенсации помех и программное обеспечение.
Приёмо-передающая аппаратура имеет мощность передатчика, подводимую к антенне, не менее 45мВт, коэффициент шума приёмника - не более 10 дБ, полосу эффективно принимаемых частот по уровню половинной мощности- 400 Мгц, коэффициент усиления приёмной и передающей антенн- 35дБ. Энергетический потенциал ППА составляет более 70 дБ, что при благоприятных атмосферных условиях обеспечивает связь на расстояния до 5 км.
Согласующие устройства модулятора передатчика и детектора приемника предназначены для согласования уровней импульсных сигналов на входе pin-диодного модулятора ППА и подключенной к сети цифровой аппаратуры, формирующей передаваемый двоичный поток информации, а также для надёжного приёма и усиления импульсов, поступающих с квадратичного детектора ППА.
Главное специальное требование при разработке согласующих устройств состояло в необходимости удержания ими уровня логического нуля или единицы в режиме паузы, длительность которой в процессе функционирования сети может на 4-6 порядков превышать длительность элементарной посылки передаваемого цифрового потока.
Интерфейсные модули позволяют вести обмен информацией между персональными компьютерами. Структура применяемых в сети сигналов следующая. На передающем конце цифровая информация программно разбивается на кадры. Каждый кадр содержит четыре подкадра объемом 64*12 разрядных слов, каждое первое слово подкадра - синхрослово. В качестве синхрослов были выбраны 12-битовые комбинации с наибольшими расстояниями по Хеммингу [7]:
I синхрослово 247hex; II синхрослово 5B8hex; III синхрослово A47hex; IV синхрослово DB8hex. В каждом подкадре может быть закодировано от 1 до 756 бит информации. Сформированная таким образом кодовая последовательность поступает в канал связи в виде двухчастотного кода.
Интерфейсное устройство передающего конца осуществляет преобразование параллельного 12 разрядного слова, поступающего с шины компьютера в последовательный двухчастотный код, а также управляет согласующим модулем модулятора ППА.
Интерфейсное устройство приёмного конца осуществляет прием информации в двухчастотном коде от согласующего модуля приемника; преобразует полученный сигнал в двоичный поток в коде "без возвращения в ноль" (БВН); выделяет и дешифрирует синхрослова; выделяет 12- разрядные слова из непрерывного потока; формирует флаг синхронизации в специально зарезервированном бите; выделяет тактовую частоту из принятой последовательности двоичных символов; вводит принятую последовательность двоичных слов через внешнюю шину в компьютер.
Устройства адаптивной компенсации помех в созданной аппаратуре для локальной цифровой информационной сети миллиметрового диапазона позволяют варьировать скорость передачи цифровой информации и длительность элементарной посылки, а также осуществлять синхронизацию по кадрам с помощью синхрослов. Синхронизация обеспечивает правильную дешифрацию принятой последовательности, потеря синхронизации является наиболее опасным типом ошибки приёма. Захват синхронизации выполняется по двум 12-разрядным синхрословам.
В цифровом радиоканале предусмотрено применение помехоустойчивых кодов [7]. Ограничений на избыточность кодов не существует, так как файл для передачи по каналу подготавливается программными средствами и может быть закодирован в соответствии с ожидаемыми условиями на трассе. При подготовке файлов к передаче по каналу связи необходимо учитывать энергетический потенциал аппаратуры, возможные ошибки приёма, с точки зрения их математического веса, пропускную способность канала, производительность источника и приёмника информации. Подготовка файла к передаче по каналу связи состоит в формировании двоичной последовательности с применением помехоустойчивых кодов и синхронизирующих комбинаций символов- синхрослов. Выбор конкретного типа помехоустойчивых кодов зависит от индивидуальных условий применения системы на практике.
Таким образом, адаптивная компенсация помех в разработанной аппаратуре для локальной цифровой информационной сети миллиметрового диапазона может осуществляться аппаратными и программными средствами. Эти средства предусматривают: применение помехоустойчивых кодов, когда каждый бит может быть закодирован последовательностью любой длины (программно); синхронизацию по кадрам с помощью синхрослов (аппаратно); регулировку усиления по тракту промежуточной частоты (аппаратно, программно); возможность варьировать скорость передачи и длительность элементарной посылки (аппаратно).
Средства адаптивной компенсации помех позволяют обеспечить оптимальные условия передачи цифровой информации при различных состояниях трассы распространения.
Программный блок предназначен кроме того, для эффективного управления всеми устройствами комплекса аппаратуры.
Испытания цифрового радиоканала с применением комплекса аппаратуры миллиметрового диапазона
Для оценки искажений цифровых сигналов миллиметрового диапазона были проведены испытания комплекса аппаратуры в лабораторных условиях. С этой целью создан экспериментальный цифровой радиоканал, соединяющий два компьютера. В процессе испытаний проводилась регистрация ошибочно принятых блоков информации, количественная оценка вероятности ошибочного приема, а также адаптивная компенсация помех в зависимости от изменяющихся условий эксперимента. В качестве величины, характеризующей устойчивость приёма информации был выбран коэффициент ошибки Pош, определяемый как Рош= m/n, где m- количество ошибочно принятых двоичных символов, n- количество переданных символов. Скорости передаваемых по каналу цифровых потоков информации составляли 0,1; 1,0; 8,248; 34,8; 50 Мбит/с; ослабление на трассе распространения варьировалось от 30 до 80 дБ.
Результаты испытаний показали, что изменения достоверности приема в большей степени обусловлены ослаблением сигнала в среде распространения, чем увеличением скорости передачи цифровых потоков. При увеличении ослабления от 40-50 дБ до 75-80 дБ коэффициент ошибок возрастал соответственно от Рош=10-8 до Рош=10-5. Увеличение скорости передачи цифровых сигналов в диапазоне 0,1- 50 Мбит/с практически не оказывало влияния на достоверность приёма.
Заключение
Разработан комплекс аппаратуры для цифровой локальной информационной сети связи в диапазоне 40Ггц, включающий приёмо-передающую аппаратуру, согласующие и интерфейсные устройства, а также аппартно-программные средства адаптивной компенсации помех. На базе этого комплекса смоделирован цифровой радиоканал миллиметрового диапазона, рассмотрены вопросы обмена информацией, структура применяемых сигналов.
С целью оценки искажений принимаемых цифровых сигналов проведены испытания цифрового миллиметрового радиоканала в лабораторных условиях. Максимальная скорость передачи цифровой информации в процессе испытаний составляла 50 Мбит/с и была ограничена имеющейся оконечной аппаратурой.
Характеристики передающей аппаратуры позволяют увеличить скорость передачи информации до 155 Мбит/с.
Литература
1.Gulyaev Y.V. “World Mobile communication”. Financial Times Conference, 1990, 24-25 Sept., London.
2. W.D. Chen, E. К. Yung, Y.O. Yam and al. “8 Mm Duplex Link for Multifunctional Information Transmission”, SPIE Proceedings , v. 2842 Millimeter and Submillimeter waves and Applications-1996- Denver, Co., paper 2842-25
3. D.Falconer, "A Syslem Architecture for BroadBand Millimtre - Wave Access to an AТМ L.AN", IEEE. Personal Commun. Journal, Vol. 3, No. 4, Aug 1996, рр 36-41
4. C. Arnst, N. Gross, A Technology Grows in Brooklin. Buisness Week, April 14, 1997, p. 100
5. T. Rose. Intelligent Vehicle Highway Systems. Microwave Journal, 1993, v. 36, No 5, p. 172
6. T. Ninomiya, T. Saito, Y. Ohashi, H. Yatsuka. 60-GHz Tranceiver for High-Speed Wireless LAN System. 1996 IEEE MTT-Symposium Digest, p. 1171
7. У.Питерсон, Э.Уэлдон “Коды, исправляющие ошибки”. Перевод с англ. п/ред. Р.Л.Добрушина и С.И.Самойленко, Мир, М., 1976.
8. J. Takada, H. Mochida, K. Araki “A BER floor simulation for the indoor multipath environment”, IEEE Proc. of the Intl.Symp. on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, PIMRC’97, Sept. 1-4, 1997, pp.145-148.
9. В.А.Бирюков, Ю.В.Гуляев, А.В. Соколов “Применение миллиметровых радиоволн на сотовых линиях связи небольшой протяженности в городе” Радиотехника -1995- II,-с 3-5.
Cведения об авторах
Борисов Владимир Борисович,
Федорова Людмила Валентиновна;
; Институт радиотехники и электроники РАН.
|
|
оглавление | дискуссия |
|
