Komunikačné zariadenia s rozprestretým spektrom

V súčasnej dobe sme svedkami rýchleho vývoja rádiokomunikačných systémov, ktorých hlavnou úlohou je poskytovať slu


V súčasnej dobe sme svedkami rýchleho vývoja rádiokomunikačných systémov,
ktorých hlavnou úlohou je poskytovať služby neustále rastúcemu počtu
zákazníkov. Medzi digitálnymi metódami prístupu k rádiovému kanálu je
najperspektívnejšou z híadiska kapacity metóda DS/CDMA (Direct Sequence Code
Division Multiple Access), tj. mnohonásobný prístup k rádiovému kanálu s
kódovým delením, pričom frekvenčné spektrum je rozprestreté moduláciou signálu
pseudonáhodným kódom s veíkou bitovou rýchlosťou (desiatky Mb/s).
Aj keď všetky prenosy sú realizované súčasne v jedinom rádiovom kanáli,
unikátny kód každého účastníka umožní prijímaču vybrať potrebný signál z celého
spektra. Vzhíadom na to, že zariadenia využívajúce rozprestretie frekvenčného
spektra nepracujú väčšinou samostatne, ale v komunikačných systémoch, mÖžeme
hovoriť o systémových funkciách ako o funkciách, ktoré ovplyvňujú, alebo sú
ovplyvňované celým komunikačným systémom, alebo jeho časťou.
Medzi systémové funkcie mÖžeme počítať:
realizáciu mnohonásobného prístupu k rádiovému kanálu
reguláciu výkonu vysielačov
tvorbu a spracovanie RS signálov
rozprestretie frekvenčného spektra
výber vhodných PN kódov
ortogonalitu vysielaných signálov
adresovanie každého účastníka
identifikáciu a synchronizáciu vysielaného PN kódu v prijímači
zúženie frekvenčného spektra apod.
Technológia zákazníckych obvodov
Zákazníckym obvodom rozumieme špeciálne vyvinutý integrovaný obvod určený na
realizáciu určitej aplikácie. Cieíom technológie je vyvinúť lacný, bezdrÖtový
terminál realizovaný v jednom čipe. Aj keď jednočipové terminály boli vyvinuté
v laboratóriách univerzít, súčasná technológia nie je schopná realizovať lacné
jednočipové riešenie pri malých výrobných sériach.
Pri integrácii systémových funkcií do RS obvodov je možné použiť niekoíko metód:
1. PrispÖsobenie aplikácie RS kontroléru, tj. využiť dostupné hotové RS
kontroléry. Výhodami tohto riešenia je znalosť funkcie kontroléra, redukcia
času a úsilia na realizáciu aplikácie a možnosť využiť skúsenosti ďalších
návrhárov. Nevýhodou je nutnosť meniť aplikáciu.
2. PrispÖsobenie RS kontroléra aplikácii napr. pomocou programovateíných
logických polí FPGA (Field Programmable Gate Array). Výhodou je vysoká
prispÖsobivosť rÖznym aplikáciám, no nevýhodou je zatiaí vyššia cena a nutnosť
digitalizácie signálu.
3. Návrh obvodu pre danú aplikáciu tj. obvodu ASIC (Application Specific
Integrated Circuit). Táto metóda je v súčasnosti najpoužívanejšou metódou pri
návrhu RS obvodov. Výhodou metódy je možnosť kombinovať analógové a digitálne
obvody. Nevýhodou sú vyššie vývojové náklady, ktoré je možné minimalizovať
metódou ASSP (Application Specific Standard Product), čo je štandardný obvod
ASIC prispÖsobený špeciálne jednej aplikácii.
Realizácia zákazníckych obvodov
Na objasnenie realizácie integrácie systémových funkcií v zákazníckych obvodoch
RS som vybral predstaviteíov dvoch hlavných aplikačných oblastí:
1. Bunkové mobilné CDMA telefóny.
2. BezdrÖtové siete LAN (WLAN).
Obvody pre bunkové mobilné telefóny CDMA musia okrem prenosu a spracovania dát
zabezpečiť digitalizáciu a kompresiu rečového signálu a rozhranie s periférnymi
zariadeniami (klávesnica, displej atď.).
Na zabezpečenie rozhrania medzi analógovou a digitálnou časťou sa používa
analógový procesor, ktorého úlohou je transformovať modulovaný mf signál z
prijímača na digitálny signál v základnom pásme a naopak.
Vo vysielacej časti CDMA procesora sú dáta (komprimovaný digitálny rečový
signál) zabezpečené korekčným kódom v konvolučnom kóderi, ich postupnosť je
časovo poprekladaná v intelíveri (eliminácia vplyvu zhlukových únikov pri
prenose) a sú sčítané modulo 2 s 64bitovým ortogonálnym Walshovym kódom, ktorý
zabezpečuje vzájomnú nezávislosť signálov jednotlivých účastníkov (realizácia
systémovej funkcie ortogonalita vysielaných signálov).
Spektrálne rozprestretý signál je ďalej zmiešaný so 42bitovým účastníckym
kódom, ktorý predstavuje adresu každého účastníka (systémová funkcia
adresovania účastníkov) a digitálne filtrovaný filtrom s konečnou impulzovou
odozvou (FIR).
V prijímacej časti sa realizuje systémová funkcia zachytenie kódu (tj.
počiatočná synchronizácia kódov vysielača a prijímača) pomocou pilotného
signálu. Jednotlivé základňové stanice v systéme majú presne definované fázové
posuny pilotného signálu (identifikačný kód každej základňovej stanice).
Korelátor v prijímači prehíadáva všetky možné fázové posuny pilotného signálu a
híadá signál s maximálnym výkonom. Tento signál sa potom použije na demoduláciu
vyslaných symbolov.
Každý zo 4 identických, nezávislých demodulátorov realizuje ďalšie systémové
funkcie zúženie frekvenčného spektra signálu demoduláciou Walshovho kódu,
časovú a frekvenčnú synchronizáciu (sledovanie kódu). Použitie 4 kompletných
demodulátorov umožňuje realizovať ďalšie systémové funkcie:
1. Mäkký handoff prijímač mÖže súčasne sledovať niekoíko pilotných signálov od
základňových staníc a adaptívne prepínať demodulátory podía výkonu jednotlivých
pilotných signálov.
2. Eliminácia rýchleho úniku signálu v sumačnom obvode sa sčítajú časovo
posunuté kópie vyslaného symbolu (každý demodulátor spracováva jednu kópiu
signálu), vzniknuté ako dÖsledok viaccestného šírenia signálu.
V sumačnom obvode sa realizuje aj dÖležitá systémová funkcia regulácia výkonu.
Na reguláciu výkonu vysielača mobilnej stanice sa v obvode používajú dve slučky
regulácie výkonu. V otvorenej slučke sa meria výkon pilotného signálu a CDMA
procesor proporcionálne nastavuje výkon vysielača v analógovej časti.
Zatvorená regulačná slučka nastavuje výkon podía regulačných bitov vysielaných
základňovou stanicou, ktoré sú generované na základe merania bitovej chybovosti
prenosu (BER) v základňovej stanici (napr. obvod STEL 2000 používa 6
regulačných bitov). Dynamický rozsah regulácie je až 80 dB.
V čipe vysielača základňovej stanice sa realizuje ďalšia systémová funkcia
mnohonásobný prístup ku kanálu (napr. čip STEL 2000 Kalifornskej univerzity v
Berkeley). Ortogonalitu účastníckych kódov zabezpečujú Walshove kódy, pričom
signál každého účastníka je doplnený 6bitovým povelom regulácie výkonu mobilnej
stanice.
Ako príklad integrácie systémových funkcií uvediem riešenie firmy Qualcomm. V
1. generácii obvodov boli použité 4 obvody ASIC tvoriace CDMA procesor mobilnej
stanice, ktoré boli v ďalšej generácii nahradené jediným CDMA procesorom, ktorý
bol naviac umiestnený spolu s ďalšími 9 obvodmi v jedinom čipe. Posledná (5.
generácia) priniesla ďalšie zmenšenie počtu obvodov a ich plochy.
BezdrÖtové siete LAN
Na rozdiel od čipov pre bunkové telefóny, obvody pre bezdrÖtové siete LAN
nepotrebujú integrovať funkcie pre kompresiu rečového signálu a vzhíadom na
potrebný krátky dosah a tlmenie signálu v budovách mÖžu byť použité
jednoduchšie generátory PN kódov, čím sa zjednoduší aj ich synchronizácia v
prijímači.
Čipy sú väčšinou realizované ako digitálne prijímače vysielače podía typickej
blokovej schémy (viz obr. 21), v ktorej nájdeme realizovanú väčšinu spomínaných
systémových funkcií. Vzhíadom na podobnosť ich realizácie uvediem len niektoré
odlišnosti.
Na zabezpečenie systémových funkcií synchronizácie a demodulácie RS signálu sa
v prijímači používajú korelátory s počtom odbočiek odpovedajúcim počtu bitov
rozprestierajúceho kódu. V jednoduchších obvodoch (Prism) sú použité 2
korelátory (pre I a Q kanál), no v zložitejších (DIRAC, STEL2000) sa používa až
7 korelátorov.
Perspektívne riešenie integrácie systémových funkcií konkrétne problému
synchronizácie ponúka čip DIRAC f. Sirius. Čip obsahuje vložený 32bitový RISC
procesor ARM6, ktorý spracováva údaje zo 7 paralelných korelátorov, na základe
ktorých vypočíta 7 korelačných hodnÖt/symbol a okrem toho riadi 3
synchronizačné slučky v prijímači DLL (slučka oneskorenia PN kódu), PLL (slučka
fázového závesu) a AFC (slučka automatického doladenia frekvencie).
Záver
Okrem požiadaviek na realizáciu systémových funkcií v reálnom čase sa v
súčasnosti objavujú rovnaké požiadavky na mnohomódové viacpásmové komunikačné
zariadenia, tj. zariadenia podporujúce viaceré (alebo všetky) komunikačné
štandardy pracujúce v rÖznych frekvenčných pásmach. Riešenie systémových
funkcií v týchto zariadeniach by mali umožniť nové metódy spracovania signálov:
1.Rýchle digitálne signálové procesory
2.Viacnásobné obvody ASIC
3.Parametrizovaný hardvér
4.Rekonfigurovateíná logika
Súčasný vývoj rýchlych digitálnych signálových procesorov vedie k zmenšovaniu
ich veíkosti, čím rastie rýchlosť a výkonová účinnosť. V komunikačných
systémoch, vzhíadom na požiadavku spracovávať signály v reálnom čase, by musela
byť taktovacia frekvencia procesora rádove GHz, čo je zatiaí nereálne.
Dočasným riešením je procesor DSP doplnený viacnásobným obvodom ASIC. Nevýhodou
tohto riešenia je lineárny nárast počtu obvodov ASIC pri práci v multimódovom a
multipásmovom režime a z toho vyplývajúci nárast veíkosti, ceny a príkonu.
Parametrizovaný hardvér mÖže predstavovať obvod ASIC navrhnutý pre určitú
subúlohu, alebo procesor s prepínaným mikrokódom. Toto riešenie však vedie k
dlhým inštrukčným slovám.
Najrýchlejší prechod k novým metódam digitálneho spracovania signálu
predstavuje použitie rekonfigurovatelnej logiky napr. dynamicky
rekonfigurovatelných logických polí, v ktorých veíkosť obvodov nie je funkciou
počtu podporovaných rozhraní.
0 0499 / pen









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.