11.3. Цифро-аналоговые преобразователи.
Выходные сигналы генератора сигналов произвольной формы МИП, видеоадаптеров и звуковых плат формируются цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП). Такие устройства используются для преобразования управляющего цифрового кода в аналоговый сигнал, который после усиления подается на определенное исполнительное устройство (обмотку динамика или двигателя, управляющий анод и т.п.).
Принцип цифро-аналогового преобразования состоит в суммировании эталонных напряжений. Для ЦАП выходное напряжение определяется следующим образом:
,
где ai - коэффициенты двоичных разрядов.
Входной код может быть последовательным или параллельным. Основными элементами ЦАП являются:
резистивная матрица, с помощью которой формируются токи, соответствующие входному коду;
источник опорного напряжения;
токовые ключи, подключающие в соответствии с входным кодом цепи резистивной матрицы;
согласующий операционный усилитель, преобразующий ток в напряжение.
На практике используются резистивные матрицы двух видов: цепочка двоично-взвешенных резисторов и многозвенная цепочка из резисторов двух номиналов (R-2R). Схема второго вида приведена на рис.11.7.
Рис.11.7. Схема ЦАП на основе R-2R цепочки.
Недостатком ЦАП на основе цепочек со взвешенными резисторами является широкий диапазон сопротивлений и их высокая требуемая точность, особенно при большом числе разрядов. Второй вид ЦАП критичен к величине сопротивлений токовых ключей при их замкнутом состоянии.
12. Цифровые системы связи и навигации.
Повышение качества и надежности систем связи стало возможным благодаря внедрению цифровых методов обработки информации. Реализация этих методов потребовала введения в состав практически всех устройств связи цифровых контроллеров, на которые были возложены задачи управления и математической обработки. Следствием этого явилось внедрение в системы связи стандартов, присущих ЭВМ и периферийных устройств.
Системы маршрутизация потоков информации, использование космических средств связи и создание сети единого точного времени создали благоприятные условия для появления глобальных высокоточных навигационных систем на основе тех же стандартов цифровых контроллеров.
12.1. Системы цифровой подвижной связи
Системы сотовой цифровой подвижной связи (ССЦПС) можно рассматривать как основной информационный канал мобильных портативных ЭВМ. Подключение компьютера через последовательный порт к сотовому телефонному аппарату обеспечивает взаимодействие пользователя с цифровыми сетями. В качестве федерального стандарта ССЦПС используется европейский стандарт GSM (Group Special Mobil), имеющий следующие технические характеристики:
Рабочий диапазон частот
для передатчиков подвижных станций (ПС): 935-965 МГц,
для передатчиков базовых радиостанций (БР): 890-915 МГц.
Разнос частот: 200 кГц.
Количество речевых сигналов на несущую: 8.
Эквивалентная полоса речевого канала: 25 кГц.
Общая скорость передачи: 270 бит/с.
Радиус соты: 0.5-35 км.
Структура ССПС образуется ячейками, в центрах которых рас-полагаются БР. Ячейки объединяются в зоны обслуживания, каждая из которых имеет центральную станцию (ЦС), объединяющую группу БР и подключенную к телефонной сети общего пользования (ТСОП). На рис.12.1. показана модель повторного использования семи частот для БР с круговыми диаграммами направленности. Ячейки с одинаковыми несущими частотами удаляются на максимально возможное расстояние. Эффективным способом снижения уровня помех служит использование антенн с секторными диаграммами частот. Пример построения зоны обслуживания с применением трехсекторных антенн показан на рис.12.2.
Стандарт GSM использует многостационарный доступ с временным разделением каналов. Кадр сотовой информации имеет 8 временных позиций на 124 несущих. Для защиты от ошибок при передаче применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением и медленным переключением рабочих частот (217 переключений в секунду). Для борьбы с интерференционными замираниями, возникающих в результате переотражения в условиях города, используются эквалайзеры. Используется прерывистая передача речи, то есть в паузах передатчик выключается. Сообщения шифруются по алгоритму RSA (первые буквы фамилий авторов алгоритма).
Рис.12.1. Модель повторного использования частот для семи частот.
Рис.12.2. Модель повторного использования частот
для трехсекторных сот.
Имеется система аутентификации для установления подлинности абонента. ПС оснащается модулем подлинности, содержащем международный идентификационный номер и индивидуальные ключ и алгоритм. Процедура аутентификации состоит в следующем:
сеть передает случайный номер на ПС;
ПС с помощью ключа и алгоритма определяет ответный код и передает его в сеть;
сеть проверяет отклик.
Информационный поток в сети разбивается на систему вложенных кадров, имеющих следующую структуру:
Гиперкадр, формируется на основе периодической псевдослучайной последовательности длительностью 3 часа 20 мин 53с 760 мс (12533.76 с). Состоит из 2048 суперкадров.
Суперкадр, имеет длительность 6.12 с и состоит из 26 или 51 мультикадра, что зависит от организации каналов связи.
Мультикадр, имеет длительность 120 мс или 235 мс и состоит из 26 или 51 кадра.
Кадр, имеет длительность 4.615 мс. В периодической последователь-ности каждый кадр имеет свой номер от 0 до 2715647.
Большой период гиперкадра объясняется требованиями применяемого процесса криптографической защиты. Длительность одного информационного бита составляет 3.69 мкс.
Кадр состоит из 8 временных интервалов (окон), каждый из которых отведен для определенного вида информации. Длина интервала соответствует 156.25 бит. Для передачи информации по каналам связи и управления, подстройки несущих частот, обеспечения временной синхронизации и доступа к каналу связи используется пять видов интервалов:
нормальный временной интервал, используемый для передачи 114 бит зашифрованной информации;
временной интервал подстройки частоты, состоящий из 142 нулевых битов, которые соответствуют немодулированной несущей частоте;
интервал временной синхронизации, в течение которого передается 64 бита синхропоследовательности, номер кадра и идентификационный код базовой станции;
установочный интервал, необходимый для установки и тестирования канала связи (процесс тестирования и смены базовой станции показан на рис.12.3.);
интервал доступа, который обеспечивает доступ подвижной станции к новой базовой станции.
Стандарт GSM обеспечивает передачу данных в дуплексном режиме со скоростями 300 - 9600 бит/с через телефонные сети общего пользования. Для этого используются интерфейсы Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии МККТТ со спецификациями V.24 или Х.21, которые используются в модемах и определяют процесс передачи данных по каналам обычной телефонной связи.
Рис.12.3. Процесс смены базовой станции.