Разработка устройства приёма и обработки радиосигнала аппарата 4G

Подпись и дата

 

Содержание

 

Введение 7

1 Обзор технологии 8

2 Элементная база 21

2.1 Дуплексор 21

2.2 Фильтр на поверхностно-акустических волнах (ПАВ) 30

2.3 Малошумящий усилитель 36

2.4 IQ Демодулятор 38

2.5 Операционный усилитель 44

2.6 Аналого-цифровой преобразователь 52

3 Описание функционирования разработанной схемы 58

4 Технико-экономическое обоснование 62

4.1 Функциональная модель приемного устройства 62

4. 2 Расчет функционально-стоимостной модели 67

4.3 Расчет надежности приемного устройства 68

5 Безопасность жизнедеятельности 70

5.1 Наличие опасных и вредных факторов 70

5.2 Требования к персоналу 70

5.3 Требования к производственным помещениям 71

5.4 Требования к рабочему месту 71

5.5 Требования к микроклимату 72

5.6 Требования к шуму 73

5.7 Требования к освещению 73

5.8 Меры безопасности при работе с компьютером 74

5.9 Электробезопасность 75

5.10 Пожарная безопасность 75

Заключение 78

Приложение А Список принятых сокращений 79

Приложение Б Принципиальная электрическая схема устройства 80

Приложение В Спецификация элементов 82

Приложение Г Библиография 83

 

Введение

Двадцать  первый век – век, который по праву  считается началом бурного развития скоростей. Еще в 2000-ые года мало кто  мог подумать, что через интернет можно будет скачивать большие объёмы файлов за считанные минуты или сидеть где-нибудь в сквере парка и разговаривать с родными в Skype по мобильному телефону.

Технологии  не стоят на месте и это отчетливо  видно на примере, как фиксированной, так, в особенности, мобильной связи, которая  за небольшой промежуток времени проделала рывок с аналоговых стандартов первого поколения до стандартов WiMAX2 и LTE Advanced четвертого поколения. Данные стандарты в направлении от базовой к мобильной станции в идеальных условиях достигают скорости порядка одного гигабита (1 ГГб). В данный момент в мире введены в коммерческую эксплуатацию сети LTE девятого релиза и WiMAX, которые официально не считаются стандартами четвертого поколения.

В связи с растущими объемами потребляемого  контента возникает необходимость в новых технологиях, позволивших обеспечить растущие объемы мобильного трафика.

Данная  технология не имела бы права на жизнь, если бы она не дошла до конечного  потребителя в виде устройств, поддерживающих этот стандарт, как программными средствами, так и схемотехническими.

Именно  поэтому становится очень актуальным вопрос о схемотехнических решениях, направленных на растущие требования и возможности новых технологий. 

Целью данной работы является разработка приёмника  стандарта LTE, удовлетворяющего всем требованиям спецификаций данного стандарта.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• выбор метода решения схемотехнического вопроса;
• определение элементов согласно выбранному методу решения;
• разработка структурной  схемы приёмного тракта аппарата согласно выбранным элементам;
• поиск современной элементной базы приемного тракта на сайтах производителях, удовлетворяющей спецификации стандарта и разработанной структурной схемы;
• разработка принципиальной схемы приёмного тракта аппарата согласно выбранным элементам;
• согласование всех характеристик элементной базы приёмника или учет особенностей стандарта при построении;
• проведение функционально-стоимостного анализа разработанного приёмника.

1 Обзор технологии

 

Еще совсем недавно, мобильные телефоны были действительно телефонами, а  не смартфонами и не суперфонами как сейчас, а ведь прошло уже ровно как 40 лет с тех пор, как был совершен первый в мире звонок с мобильного телефона сотрудником компании Motorola Мартином Купером конкурентам — в компанию Bell Labs.

Эти «древние» аппараты могли поддерживать минимальный набор функций, например, осуществлять только звонки и отправлять текстовые сообщения. При этом, чтобы пользоваться мобильной связью, нужно было приобрести автомобильный `гаджет` стоимостью в несколько тысяч долларов, весом более десятка килограммов, оснащенный специальной выносной антенной. Никаких тут тебе социальных сетей, микроблогов и загрузки 8-ми мегапиксельных фотографий на Facebook, Vkontakte или Instagram. Да и вообще о мобильном интернете в те времена и не было речи.

В те времена и в голову никому не приходила услуга передачи данных т.к. – это были чисто аналоговые системы, придуманные и спроектированные исключительно для осуществления  голосовых вызовов и некоторых  других скромных возможностей. Да, тогда  уже существовали модемы, однако из-за того, что беспроводная связь более  подвержена искажениям и шумам, чем  обычная проводная, скорость передачи данных была очень низкой. К тому же, стоимость минуты разговора была настолько высокой, что мобильную  связь мог позволить себе только материально обеспеченный человек.

Эволюция  мобильных аппаратов шла вслед  за развитием сотовой связи, начиная  со стандартов первого поколения  NMT и TACS в Европе и AMPS в США.  Тройка NMT, TACS и AMPS считается первым поколением беспроводной сети 1G, потому, что именно эти технологии позволили мобильным телефонам, в том виде, в котором мы их сейчас видим, стать массовым продуктом.

В начале 1990-х годов наблюдается  подъем первых цифровых сотовых сетей, которые имели ряд преимуществ  по сравнению с аналоговыми системами, к коим можно отнести улучшенное качество звука, повышенную производительность, большую защищенность и др. Таким образом было положено начало развития второго поколения сотовой связи в лице стандарта GSM(Global System for Mobile Communications), разработанного под эгидой Европейского института стандартизации электросвязи (ETSI) в конце 80-х годов..

Второе  поколение беспроводной сети 2G уже  имело поддержку передачи коротких текстовых сообщений (SMS), а также  технологию передачи данных (CSD), которая позволяла передавать данные в цифровом виде. Все это позволило увеличить скорость передачи данных до 14,4 кбит/с, что было сравнимо со скоростью стационарных модемов в середине 1990-х годов.

В это же время сотовая связь начала внедряться и в России. Коммерческое использование началось с 9 сентября 1991 г., когда в Санкт-Петербурге компанией «Дельта Телеком» была запущена первая в России сотовая сеть (работала в стандарте NMT-450) и был совершён первый символический звонок по сотовой связи мэром Санкт-Петербурга Анатолием Собчаком коллеге, мэру американского города Сиэтл по аппарату Nokia Mobira MD59.

В 1997 году появился сервис GPRS. Его появление  стало переломным моментом в истории  беспроводной сотовой связи, потому что с его появлением существующие GSM-сети начали поддерживать непрерывную  передачу данных. GPRS может работать с большей, чем CSD, скоростью – теоретически до 171,2 кбит/с.

GPRS появился в тот момент, когда  люди стали активно проверять  свои электронные почтовые ящики,  что позволило ему набрать  популярность за очень короткое  время. Когда технология GPRS уже  была на рынке, Международный союз электросвязи (ITU) опубликовал новый стандарт – IMT-2000 утверждающий спецификации «настоящего» 3G. Ключевым моментом, в этой истории, было обеспечение скорости передачи данных до 2 Мбит/с для стационарных терминалов и 384 кбит/с для беспроводных сетей, что было не под силу GPRS.[8]

Таким образом, GPRS застрял между поколениями, 2G – которое он превосходил, и 3G –  до которого не дотягивал.

Связующий звеном между 2.5G(GPRS) и 3G становится, появившаяся в 2003 году в Северной Америке, технология EDGE (англ. Enhanced Data rates for GSM Evolution). Она также известна как EGPRS (улучшенный GPRS). Технология позволяет передавать данные по мобильной сети со скоростью до 474 кбит/с, что уже подтверждено на практике. Это в 2,8 раза быстрее, чем по GPRS. Отсюда возникает вопрос: к чему же относится EDGE? Это не так быстро, как CDMA2000 или UMTS, так что можно сказать, что это не 3G. Но это явно быстрее, чем GPRS, а это означает, что EDGE должен быть лучше, чем 2.5G. Действительно, многие люди назвали бы EDGE технологию как 2.75G.

Системы связи 3го поколения (3G)  представлены целым рядом стандартов IMT-2000. Изначально 3 поколение представлялось как существование некой глобальной системы подвижной связи(СПС), работающей в одном и том же стандарте радиоинтерфейса  между абонентской станцией(АС) и базовой станцией(БС), в одном и том же частотном диапазоне, во всех странах мира и имеющее возможность глобального роуминга.

На  практике из-за разных собственных  технических и экономических  условий в разных странах Международный  союз электросвязи(ITU) утвердил сразу 5 различных спецификаций стандартов радиоинтерфейсов  для систем 3го поколения и объединил их в семейство IMT-2000. [9] Часть из них базируется на новых решениях и разработках, а часть представляет собой революционное развитие предыдущих стандартов, используемых в сетях 3G.

Как по оценке аналитиков, так и по фактическому внедрению в мире наибольшее распространение  получили сети третьего поколения, базирующиеся на 2х основных радио интерфейсах: IMT-DS(WCDMA или UMTS) и IMT-MC(CDMA2000).

Спустя  некоторое время, беспроводные сети CDMA2000 получили обновление 1x EV-DO Rel.0. Обновление позволило увеличить входящую скорость до 2,4 Мбит/с и исходящую скорость до 153 кбит/с. Таким образом, мы получили 3.5G! То же самое для UMTS: технологии HSDPA и HSUPA позволили увеличить скорость для входящего и исходящего трафика.

Дальнейшие  усовершенствования UMTS будут использовать HSPA+, HSPA+ Dual Carrier и HSPA+ Evolution(3.75G). [10]

Таким образом, мы видим, что за прошедшие  несколько поколений скорость передачи мобильных данных увеличилась в 373 раза: с 14,4 кбит/с(GSM, 1990 год) до  42 Мбит/с(HSPA+, 2009 год). Прогресс как говорится «налицо», но столь стремительное развитие мобильных технологий не может не отразиться на объеме потребляемого контента.

Компания  Cisco опубликовала результаты исследования Cisco® Visual Networking Index (VNI) Global Mobile Data Forecast for 2011-2016 ("Индекс визуальных сетевых технологий Cisco: прогноз развития мирового мобильного трафика на 2011-2016 годы"). По прогнозам Cisco, в течение ближайших пяти лет мировой объем данных, передаваемых по мобильным сетям, увеличится в 18 раз и достигнет 10,8 эксабайта в месяц, или 130 эксабайт в год.

Прогнозируемые 130 эксабайт трафика эквивалентны объему данных, содержащихся на 33 миллиардах DVD-дисков; в 4,3 квадриллиона МР3-файлов (аудио и видео); в 813 квадриллионах SMS-сообщений. Зеттабайт равен 1 триллиону гигабайт или 1 секстиллиону байт.[11]

В связи с растущими объемами потребляемого  контента возникает необходимость  в новых технологиях, позволивших  обеспечить растущие объемы мобильного трафика.

Именно  поэтому в начале ноября 2004 г. в рамках рассмотрения перспектив развития мобильных сетей 3G на рабочем совещании RAN Evolution Workshop в Торонто (Канада) началась работа международного Консорциума The 3rd Generation Partnership Project (3GPP) над концепцией технологии LTE(Long Term Evolution, буквально с англ.  — долговременное развитие) - это следующий этап развития мобильных сетей GSM/EDGE и WCDMA-HSPA. Она позволяет значительно увеличить емкость сетей и скорость передачи данных, что позволит операторам выводить на рынок инновационные услуги, требующие большей скорости и производительности (видео высокой четкости, трехмерные картографические сервисы, загрузка больших объемов данных и т.п.).[12]

Стандарт 3GPP LTE, под которым чаще всего имеется  в виду его релиз 9 и более ранние формально не является стандартом беспроводной связи четвёртого поколения (4G), так  как он не удовлетворял всем условиям Международного союза электросвязи относительно 4G. Однако стандарт LTE Advanced, под которым понимается релиз 10 и более поздние релизы LTE, утвержден МСЭ как стандарт, отвечающий всем требованиям беспроводной связи четвёртого поколения, и включен в IMT-Advanced. Стандарт 3GPP LTE 9 релиза стали относить к pre-4G, то есть предварительной версии стандартов 4-го поколения.

Не  смотря на все достоинства и преимущества данного стандарта по сравнению  со стандартами 3го поколения, у него есть своя «Ахиллесова пята», а именно – голос. Основой стандарта является коммутация пакетов, где поддержка «унаследованных от наследия старого» сервисов для голоса и сообщений в базовой реализации (3GPP Release 8) изначально жестко не определена. Дебаты, какое решение стоит принять мобильному оператору, чтобы дать пользователям в сети LTE услуги голоса, идут до сих пор. За последние года два-три определилось несколько вариантов.

Наиболее известны такие технологи, как Circuit-Switched Fallback (CSFB - подсистема коммутации каналов), Single Radio Voice Call Continuity (SRVCC) и Voice over LTE (VoLTE). Среди которых наибольшее развитие получила технология VoLTE в таких странах, как Швеция(оператор Теле2), США, Южная Корея и Япония.

Преимущества  VoLTE были представлены на прошедшем в Испанской Барселоне форуме Mobile World Congress 2013 компанией Nokia Siemens Networks. На своем стенде она демонстрировала всем желающим функциональные возможности VoLTE, используя для этого коммерческий смартфон Samsung Galaxy SIII. Демонстрация показала, что соединение двух VoLTE-абонентов по времени меньше секунды. Что примерно в три раза меньше того времени, за которое происходит соединение в обычной сети.

  Стоит отметить, что быстрое соединение  никак не влияет на качество  передаваемого голоса. Причиной  тому является высокая помехоустойчивость  каналов связи в условиях многолучевого  распространения сигналов, достигаемая  с использованием технологии  MIMO(множественный вход – множественный выход). Достоинства технологии MIMO связаны с использованием нескольких антенн, как на передачу, так и на прием.

Существует  целый ряд технологий, которые  можно назвать MIMO, но все эти разновидности направлены на одну цель – увеличение пиковой скорости передачи данных в сетях связи за счет улучшения помехоустойчивости. Скорость передачи данных при данной технологии увеличивается пропорционально количеству антенн. Но увеличение скорости возможно не только за счет количества.