Используемые сокращения
ASK -- амплитудно-импульсная модуляция
BPSK -- фазовая модуляция
CDMA -- множественный доступ с кодовым разделением
DPSK -- дифференциальная фазоимпульсная модуляция
DSP -- цифровой сигнальный процессор
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) -- широкополосные сигналы, получаемые методом прямой последовательности
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) – метод частотных скачков (в отечественной специальной литературе иногда называется ППРЧ – псевдослучайная перестройка рабочей частоты)
FSK (Frequency Shift Keying) – частотная манипуляция
GMSK -- гауссовская частотная модуляция
MBOK --М-ичная двуортогональная модуляция
QPSK -- квадратурная фазовая модуляция
RSSI (Received Signal Strength Indication) — индикация уровня принимаемого сигнала
SOIC,TQFP – типы корпусов для поверхностного монтажа
Разработкой и изготовлением наборов микросхем (Chipset) для устройств Spread Spectrum занимается свыше 20 компаний.
Диапазон применения наборов микросхем довольно широк. В зависимости от этого весьма условно устройства Spread Spectrum можно разделить на три категории:
• радиомодемы для построения беспроводных локальных сетей;
• офисные радиотелефоны (радиотрубки);
• различные низкоскоростные устройства для телеметрии, охранной сигнализации и т.п.
В данную классификацию следует добавить системы с кодовым разделением каналов CDMA и системы глобального позиционирования GPS, но рассмотрение их элементной базы выходит за рамки настоящего обзора.
При описании комплектов применяемых микросхем авторы не претендуют на полноту обзора, поскольку фирмы-изготовители конечного оборудования по вполне понятным причинам не рекламируют компоненты, используемые в своих устройствах. Информация же некоторых фирм-изготовителей микросхем труднодоступна даже сейчас, в век Интернета.
Комплекты микросхем для построения радиомодемов
Начнем обзор с микросхемы STEL-2000A, разработанной компанией Stanford Telecom и выпускаемой сейчас по лицензии фирмой Zilog под торговым наименованием Z87200. Микросхема представляет собой программируемый приемопередатчик распределенного спектра, использующий прямые последовательности. Z87200 поддерживает длину шумоподобного кода от 2 до 64 чипов на бит при широком диапазоне скоростей данных и параметров распределенного спектра. Максимальная скорость приемопередатчика 2 Мбит/с.
Z87200 выпускается в двух версиях (с тактовой частотой 25 и 40 МГц) и выполняет всю цифровую обработку, необходимую для кодирования и распределения передаваемых данных и приема с последующим декодированием. В качестве модуляции данный приемопередатчик использует дифференциально кодированные BPSK- и QPSK-модуляции, кроме того секция приемника может работать с дифференциально кодированной pi/4 QPSK.
Z87200 используется в некоторых модемах фирмы Aironet Wireless Communications. Помимо этого Zilog сотрудничает с компанией Utilicom Inc., которая выпускает радиочастотные секции, совместимые с Z87200. Стоимость Z87200 в России составляет примерно 25 дол.
Комплект для работы по технологии FHSS предлагает компания Mitel. Начало разработки идеологии комплекта и его первые образцы относятся к достижениям фирмы GEC Plessey Semiconductors, которая была впоследствии приобретена Mitel. Дальнейшую разработку проекта компания Mitel проводила самостоятельно. Новый набор чипов состоит из трех устройств:
• WL102B -- шумоподобный контроллер;
• WL600C -- радиочастотная микросхема;
• WL800 -- частотный синтезатор.
Данные чипы относятся к третьему поколению семейства DE6000 GEC Plessey Semiconductors и носят обобщенное название DE6038. В настоящее время весь набор доступен менее чем за 25 дол. (за 1000 штук).
Рассмотрим этот комплект более подробно.
WL102B -- КМОП ШПС-микроконтроллер с внутренней архитектурой 8051 и внешней flash-памятью, осуществляющий всю процедуру преобразования информационных символов интерфейса PCMCIA в сигнал "прыгающей" частоты. Максимальная информационная скорость -- 2 Мбит/с.
WL600C -- радиочастотный приемопередатчик диапазона 2,4--2,5 ГГц, работающий при напряжении 2,7--3,6 В. В его состав входит малошумящий усилитель, смеситель с фильтрацией нежелательных спектральных составляющих, усилитель-ограничитель промежуточной частоты, квадратурный демодулятор, усилитель мощности со схемой управления, схема RSSI в приемнике. Используется двухуровневая FSK-модуляция.
WL800 -- маломощный частотный синтезатор, работающий при напряжении 2,7--3,6 В с максимальной частотой 2,5 ГГц и программируемый по классической 3-проводной шине. К особенностям следует отнести встроенную схему подавления паразитной модуляции.
Более быстродействующий комплект Spread Spectrum с торговым названием PRISMTM предлагает фирма Harris Semiconductor. Комплект состоит из ШПС-процессора HFA3860, квадратурного модулятора-демодулятора HFA3724, двухчастотного синтезатора HFA3524, блока смесителей приемника и передатчика HFA3624, малошумящего усилителя HFA3424, антенного переключателя с оконечным усилителем мощности передатчика HFA3925. Комплект интересен тем, что Harris Semiconductor предлагает обе части проекта -- и процессорную, и радиочастотную. Кстати, фирма выпускает разнообразные микросхемы радиочастотного тракта, что позволяет в зависимости от их применения выбирать наиболее оптимальные решения.
ШПС-процессор HFA3860, поддерживающий технологию DSSS, содержит все функции, необходимые для дуплексного или полудуплексного режима работы со скоростью 11 Мбит/с. ШПС-процессор включает в себя два АЦП /раскрыть аббревиатуру/ для аналоговых I- и Q-входов. Тип используемой модуляции -- дифференциальные BPSK и QPSK, а также MBOK. Особенностью процессора является функция контроля уровня входного сигнала (через схему RSSI), позволяющая более точно определять наличие полезного сигнала, избегать конфликтов и тем самым повысить производительность сети в целом.
Процессор доступен в 48-выводном корпусе TQFP и способен работать в диапазоне температур от --45 до +850 С.
Остальные микросхемы комплекта построены классически и в подробном описании не нуждаются.
Комплекты для построения офисных радиотелефонов
Фирма Zilog предлагает две микросхемы для радиотелефона Spread Spectrum: Z87000 -- контроллер, Z87010 -- аудиокодер/декодер. Z87000 представляет собой Frequency Hopping приемопередатчик/контроллер, разработанный специально для бесшнуровых телефонов диапазона 900 МГц. Z87000 содержит 16-разрядный цифровой сигнальный процессор (DSP) и контроллер для управления радиочастотной секцией. Данный приемопередатчик использует FSK-модуляцию и временное разделение режимов "прием—передача”.
Выпускается приемопередатчик в двух исполнениях, рассчитанных на использование в температурном диапазоне от -20 до +700С:
• Z87000 -- c напряжением питания 5 В;
• Z87L00 -- с напряжением питания 3 В.
Z87010 представляет собой 16-разрядный DSP-процессор, предназначенный для кодирования голоса в цифровой сигнал с последующей передачей его на процессор Z87000, а также для обратной процедуры преобразования цифрового сигнала, поступаемого из Z87000.
Готовый радиотелефон, как носимая трубка, так и базовая станция, должен состоять из трех частей: уже описанных выше Z87000 и Z87010 и радиочастотной секции на 900 МГц. Последняя появилась в результате тесного сотрудничества фирм Zilog и Analog Devices в виде однокристального приемопередатчика AD6190. Он содержит все необходимые компоненты, а именно:
-- малошумящий усилитель;
-- смеситель приемника;
-- смеситель передатчика;
-- предварительный усилитель мощности передатчика;
-- ГУН;
-- делитель частоты;
-- усилитель-ограничитель со схемой RSSI;
-- стабилизатор напряжения.
Приемопередатчик AD6190 специально предназначен для взаимодействия с комплектом фирмы Zilog, но может работать и независимо в качестве радиочастотной секции бесшнурового телефона или Spread Spectrum-радиомодема.
Похожий комплект для построения бесшнурового телефона диапазона 900 МГц предложила в 1998 г. фирма AMD. Учитывая требования заказчиков конечного оборудования, AMD разработала комплект, который при минимальном наборе микросхем обладает большой гибкостью в проектировании. Комплект состоит из приемопередатчика распределенного спектра DSSS Am79C440 радиочастотного приемопередатчика Am79RF440.
Контроллер Am79C440 -- высокотехнологичная микросхема, поддерживающая телефонный протокол и осуществляющая форматирование данных, звуковую обработку, управление радиочастотным приемопередатчиком. Его ядром является 8-разрядный микроконтроллер, совместимый с семейством 8051. Кроме того, контроллер обладает рядом сервисных функций, ставших для современной аппаратуры вполне привычными: индикация разряда батарей, возможность перехода на режимы малого энергопотребления и другие.
Am79RF440 объединяет все функции, необходимые для приема и передачи сигналов диапазона 902--928 МГц, в качестве модуляции при этом используется GMSK -- гауссовская частотная модуляция.
Серийное производство комплекта было намечено на август 1998 г. Стоимость Am79C440 и Am79RF440 (за 100 тыс. штук) составляет 5,95 и 3,95 дол. соответственно.
Низкоскоростные устройства для телеметрии, охранной сигнализации
Фирма Micron Communications, Inc. предлагает микросхему MSEM256X105G, предназначенную для систем удаленного доступа. Микросхема размещена в 20-выводном корпусе SOIC и представляет собой полностью законченный приемопередатчик, основанный на технологии DSSS.
Интересен принцип его действия: сигнал передатчика излучается на частоте 2,44175 ГГц (при этом используется амплитудно-импульсная модуляция -- ASK), а на вход приемника поступает сигнал на второй несущей частоте 596,1 кГц, модулированный уже дифференциальной фазоимпульсной модуляцией (DPSK). Длина кода неизменна и составляет 31 чип. При напряжении питания 3 или 5 В средний потребляемый ток составляет всего 5 мА. Дальность действия такого приемопередатчика невелика -- 15 футов, чувствительность приемного устройства -- 17 дБмВт, мощность передатчика не указана. Максимальная информационная скорость равна 189,3 кбит/с.
Устройство предназначено специально для идентификации подвижных объектов, например, при проезде какого-либо транспорта через контрольный пункт. Наряду с микросхемой фирма-изготовитель предлагает базовую станцию, микроантенну, а также собственный физический протокол взаимодействия -- MicroStamp EngineTM, причем гарантирует не менее 4 млрд пользовательских единиц отдельной системы.
Другой способ распределенного спектра -- Frequency Hopping -- лежит в основе микросхемы норвежской фирмы Gran Jansen AS. Чип GJRF400 также представляет собой полностью законченный приемопередатчик, осуществляющий всю цифровую обработку символов данных, их преобразование в шумоподобный, а затем и в радиочастотный сигнал в диапазоне 300--500 МГц. Тип используемой модуляции -- FSK.
Микросхема имеет выходную мощность передатчика 5 мВт, чувствительность приемника 110 дБмВт, максимальную информационную скорость 19 200 бит/с, при напряжении питания 3 В потребляемый ток составляет около 40 мА. Выпускается она в 44-выводном корпусе TQFP и может работать в температурном диапазоне от --40 до + 850С. Стоимость GJRF400 составляет примерно 13 дол. (за 100 штук).
Микросхема применима в беспроводных локальных сетях, устройствах удаленного доступа, системах сигнализации и охраны объектов.
Заключение
Кроме вышеописанных, микросхемы для технологии Spread Spectrum выпускают следующие компании: Alfa Inc., The American Microsystems Inc., Atmel, Axxon, Cylink, Diablo Research Corporation, Digital Ocean, FreeWave Technologies, Intellon, Motorola, OKI Semiconductor, Proxim, Pulse Engineering, Rockwell WCD, Lucent Technologies, Texas Instruments, Mitsubishi, Samsung, Sony и другие.
Из фирм, выпускающих микросхемы для радиочастотной части, наиболее известны Hewlett Packard, Motorola, Philips, RF Micro Devices, TriQuint Semiconductor и другие.
Следует отметить, что тенденция фирм-изготовителей подобных микросхем заключается во все большей интеграции составных компонентов на одном кристалле. Однако современная технология пока позволяет объединять на одном кристалле лишь простейшие системы с ограниченным набором функций, невысокой скоростью и т.д. Дело осложняется тем, что гармонические составлящие сигнала, возникающие при цифровой обработке, зачастую плохо уживаются с радиочастотной частью, в которой при сегодняшних требованиях к частоте спектра тоже хватает проблем. Но все же в ближайшем будущем следует ожидать появления уже не комплектов чипов, а отдельных микросхем, выполняющих описанные функции с требуемыми современными стандартами скоростями.
Использованная литература
1. Судовцев В.А., Судовцев А.В. Терминология по электросвязи. -- М.: Радио и связь, 1994.
2. Feher K. FQPSK Transceivers Double the Spectral Efficiency of Wireless and Telemetry Systems. Applied Microwave&Wireless. June 1998.
3. Sclar B. Defining, Designing and Evaluating Digital Communications System // IEEE Communications Magazine. Nov. 1993. Р. 92--101.
4. Wireless Databook, Zilog, Q4/96, DB96WRL0101.
Малыгин Иван Владимирович