Беспроводные сети и системы находят все большее распространение для решения телекоммуникационных задач. Среди отличительных свойств беспроводных технологий наиболее очевидное - это возможность обеспечения мобильности. Невозможность присоединения подвижных абонентов является принципиально непреодолимым ограничением сетей, которые используют кабели на сетевых магистралях и для подключения абонентов. Это ограничение относится к любому виду коммуникаций - как к обычной телефонной и факсимильной связи, так и к передаче данных. Использование радио технологий дало возможность снять это ограничение, вызвав стремительное развитие мобильных сотовых и транкингових сетей.

Другое преимущество беспроводных сетей касается подсоединения к сети удаленных абонентов, когда протягивать кабель оказывается экономически нецелесообразно. Это могут быть либо абоненты, разбросанные по обширной малонаселенной (и, как правило, труднодоступной) территории, либо абоненты, сгруппированные в удаленном или труднодоступном пункте. В первом случае экономически нецелесообразным оказывается прокладка или подвеска кабелей абонентского доступа, во втором - магистральных кабелей ("опорной сети").

Используя разные диапазоны частот, разные виды модуляции и разные виды антенн, в эфире тоже можно организовать каналы связи как по типу телефонных абонентских или магистральных кабелей (если в канала есть определенные начало и конец), так и по типу локальной сети, если к каналу одновременно подключен несколько абонентов.

Современные средства радиосвязи работают на частотах от сотен мегагерц до десятков гигагерц. Радиодиапазон разделен на участки, отведенные для разнообразных применений – радиосвязь только одно из них. Распределение спектра в международном масштабе регламентируется соответствующим международным комитетом, в который входит и Украина. В Украине оно регулируется межведомственным Государственным Комитетом по Радиочастотам (ГКРЧ).

Современные потребности абонентов в информационной связи требуют передачи значительных объемов данных с большими скоростями. Это предопределяет использование для радиосвязи СВЧ диапазона (сверхвысокие частоты), который имеет большую емкость. Разработка радиотехнических устройств, которые работают в этом диапазоне, имеет много особенностей. Они связаны с явлениями и процессами, которые протекают в радиоэлементах на СВЧ. Поэтому возникает потребность в разработке новых подходов к проектированию устройств этого диапазона, которые отличаются от подходов, которые применяются на высоких частотах [1].

Цель исследования

В данной работе проводится исследование и разработка полупроводникового передающего тракта узла радиосети передачи данных. В качестве объекта исследования выступает узел сети RadioEthernet. Был выбран один из наиболее распространенных на сегодняшний день вариантов стандарта: 802.11b. В работе используется метод параметрического синтеза. Целью работы является проектирование устройств СВЧ с привлечением современных средств математического моделирования и проектирования и разработка методики проектирования.

Обзор существующих решений технологии RadioEthernet

Как и все стандарты IEEE 802, 802.11 работает на нижних двух уровнях модели ISO/OSI, физическом уровне и канальном уровне. Любое сетевое приложение, сетевая операционная система, или протокол (например, TCP/IP), будут так же хорошо работать в сети 802.11, как и в сети Ethernet.

Основная архитектура, особенности и службы 802.11b определяются в первоначальном стандарте 802.11. Спецификация 802.11b затрагивает только физический уровень, добавляя лишь более высокие скорости доступа.

802.11 определяет два типа оборудования – клиент, который обычно представляет собой компьютер, укомплектованный беспроводной сетевой интерфейсной картой (Network Interface Card, NIC), и точку доступа (Access point, AP), которая выполняет роль моста между беспроводной и проводной сетями. Точка доступа обычно содержит в себе приёмопередатчик, интерфейс проводной сети (802.3), а также программное обеспечение, занимающееся обработкой данных. В качестве беспроводной станции может выступать ISA, PCI или PC Card сетевая карта в стандарте 802.11, либо встроенные решения, например, телефонная гарнитура 802.11.

Стандарт IEEE 802.11 определяет два режима работы сети – режим "Ad-hoc" и клиент/сервер (или режим инфраструктуры – infrastructure mode). В режиме клиент/сервер беспроводная сеть состоит из как минимум одной точки доступа, подключенной к проводной сети, и некоторого набора беспроводных оконечных станций. Такая конфигурация носит название базового набора служб (Basic Service Set, BSS). Два или более BSS, образующих единую подсеть, формируют расширенный набор служб (Extended Service Set, ESS). Так как большинству беспроводных станций требуется получать доступ к файловым серверам, принтерам, Интернет, доступным в проводной локальной сети, они будут работать в режиме клиент/сервер.

Режим "Ad-hoc" (также называемый точка-точка, или независимый базовый набор служб, IBSS) – это простая сеть, в которой связь между многочисленными станциями устанавливается напрямую, без использования специальной точки доступа. Такой режим полезен в том случае, если инфраструктура беспроводной сети не сформирована (например, отель, выставочный зал, аэропорт), либо по каким-то причинам не может быть сформирована.

На физическом уровне определены два широкополосных радиочастотных метода передачи и один – в инфракрасном диапазоне. Радиочастотные методы работают в ISM диапазоне 2,4 ГГц и обычно используют полосу 83 МГц: от 2,400 ГГц до 2,483 ГГц. Технологии широкополосного сигнала, используемые в радиочастотных методах, увеличивают надёжность, пропускную способность, позволяют многим несвязанным друг с другом устройствам разделять одну полосу частот с минимальными помехами друг для друга.

Стандарт 802.11 использует метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) и метод частотных скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Эти методы кардинально отличаются, и несовместимы друг с другом.

Для модуляции сигнала FHSS использует технологию Frequency Shift Keying (FSK). При работе на скорости 1 Mbps используется FSK модуляция по Гауссу второго уровня, а при работе на скорости 2 Mbps – четвёртого уровня.

Метод DSSS использует технологию модуляции Phase Shift Keying (PSK). При этом на скорости 1 Mbps используется дифференциальная двоичная PSK, а на скорости 2 Mbps – дифференциальная квадратичная PSK модуляция.

Заголовки физического уровня всегда передаются на скорости 1 Mbps, в то время как данные могут передаваться со скоростями 1 и 2 Mbps.

Основное дополнение, внесённое 802.11b в основной стандарт – это поддержка двух новых скоростей передачи данных – 5,5 и 11 Mbps. Для достижения этих скоростей был выбран метод DSSS, так как метод частотных скачков в силу ограничений FCC не может поддерживать более высокие скорости. Из этого следует, что системы 802.11b будут совместимы с DSSS системами 802.11, но не будут работать с системами FHSS 802.11.

Для поддержки очень зашумлённых сред, а также работы на больших расстояниях, сети 802.11b используют динамический сдвиг скорости, который позволяет автоматически изменять скорость передачи данных в зависимости от свойств радиоканала. Сдвиг скорости – механизм физического уровня, и является прозрачным для вышестоящих уровней и пользователя.

Выходная мощность радиопередатчиков сетевых карт составляет обычно несколько десятков милливатт. Расстояние между рабочими станциями зависит от типа аппаратуры, скорости передачи и условий распространения радиоволн и может составлять несколько сотен метров. Возникает задача усиления мощности сигнала, который позволит обеспечить связь на больших расстояниях. Кроме того, поскольку работа в частотных диапазонах ведется с разрешения соответствующих органов контроля и регулирования, может возникнуть потребность обеспечить роботу на других частотах с использованием стандартного оборудования. Эти задачи могут быть решены с помощью устройства, которое будет подключаться к специальному соединителю, который имеют сетевые карты [1].

Постановка задачи исследования

В работе требуется исследовать и спроектировать модель передающего полукомплекта преобразователя частоты для сетевой карты RadioEthernet в соответствии со следующими требованиями

1. В состав устройства должны входить смеситель сигналов, усилитель мощности и фильтр.
2. Устройство должно обеспечивать перенесение спектра сигнала из диапазона 2,4-2,4835 ГГц в диапазон 1,3-1,3835 ГГц.
3. Уровень выходной мощности должен составлять не меньше 5 Вт, если уровень входной мощности равняется 32 мвт.
4. Устройство должно обеспечивать уровень внеполосных компонент не выше -30...40 дБ.
5. В качестве информационного сигнала используется сигнал с Гауссовой фазовой манипуляцией.
6. Входные и выходные цепи устройства должны быть согласованы со стандартным коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом.
7. Устройство должно обеспечивать подключение к стандартной карте RadioEthernet, которая имеет коаксиальный соединитель для внешней антенны.

Работа выполняется с применением современных средств автоматизированного проектирования (САПР). Требуется разработать методику проектирования СВЧ устройств с применением современных САПР.

Научная новизна

Несмотря на широкое использование современных САПР для проектирования СВЧ устройств еще не накоплен достаточный опыт их применения. Одной из целей данной работы является разработка методики проектирования. Кроме того, имеется возможность проведения дополнительных исследований созданных моделей и использование полученных результатов для разработки реальных устройств.

Результаты работы

В результате проведенных исследований была разработана следующая структурная схема устройства:

В данной схеме смеситель сигналов обеспечивает перенесение спектра сигнала из диапазона 2,4-2,4835 ГГц в диапазон 1,3-1,3835 ГГц. Полосовой фильтр после смесителя (Ф1) предназначен для выделения нужной боковой. Усилитель обеспечивает усиление мощности сигнала до требуемого уровня. Фильтр нижних частот (ФНЧ) (Ф2) предназначен для подавления внеполосных компонент [2]. Учитывая диапазон, в котором должно работать устройство, его модель собирается на основе микрополосковой технологии [3].

Смеситель устройства работает на основе нелинейности вольт-фарадной характеристики варикапа. Такие смесители при относительно простой схеме позволяют получить КПД близкие к теоретическим [4]. КПД разработанного смесителя составляет 50% [5].

Полосовой фильтр представляет собой фильтр на встречных стержнях [6], который дополняется ФНЧ на элементах с сосредоточенными параметрами для подавления паразитных полос пропускания на высших частотах.

Полученные характеристики моделей смесителя и полосового фильтра соответствуют требованиям условий поставленной задачи.

В дальнейшем предполагается разработать модель усилителя и провести исследование ее характеристик.

На последнем этапе работы с учетом полученных результатов предполагается разработка методики проектирования СВЧ устройств с применением современных САПР.

Перспектива исследований

Использование современных средств проектирования дает множество преимуществ разработчику СВЧ устройств. Одной из принципиально новых является возможность проведения экспериментов на модели, ее оптимизация, получение характеристик устройства и лишь потом изготовление лабораторного (опытного образца). Такой подход позволяет сэкономить время и средства, затрачиваемые на проектирование.

В данной работе возможно проведение дополнительных исследований. В частности, можно исследовать вопрос повышения КПД смесителя или энергетической эффективности всего устройства.

Список литературы

1. Обзор стандартов 802.11 http://www.webopedia.com
2. В. И. Каганов. СВЧ полупроводниковые передатчики. – М.: Радио и связь, 1981 г. – 400 с.
3. Негурей А.В. Конструкция итехника СВЧ. – Л., 1974.
4. В. С. Андреев. Теория нелинейных электрических цепей. – М.: Связь, 1972. – 328 с.
5. Коваленко Ю. В. Дослідження змішувача сигналів на нелінійній ємності напівпровідникового переходу. Збірка студентських наукових праць факультету "Комп'ютерні інформаційні технології і автоматика" Донецького національного технічного університету, випуск 2. - Донецьк: ДонНТУ, 2004. - Целью работы является исследование вопроса повышения КПД варакторного смесителя
   
   
6. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Д.Л. Маттей, Л. Янг. – М., 1972.