Шумахер У. Полупроводниковая электроника

10.1. Виды широкополосной связи

С развитием цифровых технологий в радио- и телевещании (кабельном, спутниковом или наземном) появилась возможность не только предложить частным потребителям большое количество дополнительных каналов с лучшим качеством сигнала, но и обеспечить онлайн-доступ к таким сервисам, как Интернет, региональные информационные каналы или иные интерактивные услуги, характеризующиеся высокой скоростью передачи данных (см. Рис. 10.1).

Процесс перевода общедоступных сетей и пользовательских устройств в цифровой формат характеризуется всё возрастающей скоростью передачи данных и благодаря развитию цифрового телевидения и внедрению интерактивных абонентских ТВ приставок (Set-Top Box — STB) ведёт к появлению многофункциональных и высокопроизводительных широкополосных коммуникационных сетей.

Внедрение цифровых форматов не только обеспечивает вещание гораздо большего, чем это было раньше, количества телевизионных и радиоканалов, но и предоставляет возможность передачи данных и гарантирует более высокое качество передаваемого изображения. Общедоступная «домашняя» сеть будущего предоставит потребителям

свободный доступ к необъятному морю различных цифровых услуг, начиная с вещания региональных информационных служб (информация о погоде, путешествиях, спорте, общественных мероприятиях и т.д.) и вплоть до предоставления услуг Интер- нет-доступа, телефонной связи по телевизионному кабелю и организации видеоконференций (а в перспективе и высокоскоростного доступа в Интернет, высокоскоростной IP- и видеотелефонии). Все эти сервисы могут поддерживаться широкополосной кабельной сетью.

Для поддержки большинства новых сервисов пользовательское оборудование обязательно должно обладать специальными интерактивными ресурсами. Кабельные сети, использующиеся для предоставления этих услуг, служат не только в качестве средств передачи данных от поставщика услуг к пользователю (upstream), но и аналогичным образом передают данные от пользователя (downstream), осуществляя тем самым обратную связь с поставщиком услуг (провайдером). Однако в настоящее время лишь небольшая часть существующих кабельных сетей поддерживает опцию «обратного» канала, а остальным требуется апгрейд аппаратных средств, чтобы реализовать поддержку интерактивных услуг.

Локальные серверы связаны друг с другом посредством сети HFC и имеют доступ к ресурсам Интернет-провайдеров, провайдеров коммерческих онлайн-сервисов, а также к корпоративным системным ресурсам. Структура локальной сети обеспечивает весьма эффективную интеграцию глобального и локального контента.

В большинстве стран при передаче сигналов по телевизионным кабельным сетям применяются методы QAM (квадратурная амплитудная модуляция), соответствующие стандарту DVB-C (для Северной Америки — стандарту MCNS). При QAM осуществляется модуляция как амплитуды, так и фазы сигнала, что обеспечивает высокую эффективность использования полосы частот. Компания Infineon производит ряд интегральных микросхем супергетеродинных тюнеров (TUA 6020, TUA 6030), которые используются в абонентских ТВ приставках (STB) для цифровых телевизионных кабельных сетей. Эти микросхемы также совместимы с приёмниками аналогового сигнала.

10.1.2.Развитие цифрового наземного ТВ вещания

Цифровое наземное ТВ вещание (DTTV) с использованием стандарта DVB-T уже ведётся в Великобритании, странах Скандинавии, Сингапуре и Австралии. В других странах Европы, а также в США и Южной Корее (поддерживающих стандарт ATSC), в некоторых азиатских государствах (Индии, Малайзии и Таиланде, ориентирующихся на стандарт DVB-T) и в Японии (где принят собственный стандарт ISDB-T), цифровое наземное ТВ вещание появится уже в самом ближайшем будущем. Например, в Германии наземное ТВ вещание в Берлине уже полностью переведено на цифровой формат DVB-T. Начиная с 2004 года, цифровое ТВ вещание осуществляется и в ряде северогерманских регионов: Гамбурге, Любеке, Киле, Ганновере, Бремене, Кёльне, Дюссельдорфе и в Рурской области. Концепция DTTV предполагает наличие телефонной линии для обратной связи пользователя с поставщиком услуг (провайдером,

см. Рис. 10.3), а также наличие алгоритмов сжатия телевизионного сигнала и эффективного кодирования каналов с целью лучшего использования полосы пропускания канала. В зависимости от применяемых способов модуляции сигнала дополнительно может быть реализована одновременная передача ТВ программ несколькими станциями (Simultaneous Broadcasting Network

— SBN) и даже мобильный приём. Увеличение полосы пропускания канала,

связанное с переходом на цифровой формат, может быть использовано для передачи сигнала с более высоким разрешением, трансляции дополнительных ТВ каналов или для реализации новых цифровых сервисов. К ним относятся как передачи образовательного характера (для школ и университетов) или содержащие информацию об общественной жизни в данном регионе, так и новости, реклама, информация для туристов, а также платные ТВ программы. Благодаря использованию новых цифровых технологий, DTTV будет столь же привлекательно, как DSB и общедоступные эфирные телеканалы, многие из которых не транслируются через спутник. С переходом на цифровой формат они, тем не менее, смогут выдерживать растущую конкуренцию.

При организации цифрового наземного ТВ вещания в США, странах Скандинавии, в Германии, Италии, Франции, Испании,

Австралии, Сингапуре, ЮАР, Малайзии и в ряде европейских стран в качестве базового принят стандарт DVB-T. Он основан на использовании метода COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением кодированных сигналов), при котором транслируемые символы передаются одновременно на целом множестве несущих частот в течение относительно длительного (несколько миллисекунд) периода времени. Результатом такой операции является очень высокая эффективность подавления эхо-сигналов (помех от многолучевого приёма сигнала)1), что позволяет реализовать режим одночастотной передачи программ (SBN).

В системе SBN сигнал одного и того же ТВ канала передаётся на одной и той же несущей частоте группой из нескольких соседних станций ТВ вещания. Приёмник получает один и тот же сигнал от нескольких источников одновременно (но с фазовым сдвигом). С помощью методики эхо-подав- ления фазовый сдвиг компенсируется, и в результате обеспечивается идеальная «самокоррекция» полезного сигнала в процессе его декодирования.

Данный метод, с определёнными ограничениями, применим даже в случае мобильного приёма в автомобилях, поездах и т.п. Ограничения определяются тем, что в

сети наземного ТВ вещания до сих пор используются аналоговые стандарты передачи сигналов. Вследствие больших расстояний между вещательными станциями и весьма ограниченных размеров антенн у мобильных ТВ приёмников, очень трудно обеспечить достаточный для уверенного приёма уровень сигнала на всей территории вещания. Поэтому приходится использовать дополнительные передатчики, предназначенные для компенсации «провалов» в зоне вещания (более подробно об этом будет рассказано ниже). Преимущество системы SBN состоит в том, что, поскольку соседние передатчики работают на одной, а не на различных частотах, то при её реализации значительно сокращается число используемых каналов.

В настоящее время в различных странах мира ведутся работы по развитию существующих стандартов цифрового ТВ вещания с целью обеспечить возможность мобильного приёма на всей территории вещания. В Европе эта работа уже практически завершена. Стандарт DVB-H (где сокращение «-H» образовано от слова Handheld — переносной) основан на стандарте DVB-T, то есть общий принцип кодирования источника сигнала остался тем же самым. Компания Infineon, совместно с другими, активно участвует в продвижении стандарта DVB-H. Помимо этого, в рамках европейского проекта «Цифровое ТВ вещание» (Digital Video Broadcasting — DVB) предпринимаются усилия по дополнению стандарта DVB-H за счёт конвергенции с сотовыми сетями, терминалами и платформами. Это шаг на пути объединения преимуществ широковещательных сетей (реализующих экономически эффективный принцип «один источник — много пользователей») и сотовых сетей (работающих по принципу «один источник — один пользователь» и реализующих интерактивные функции). Существенное отличие стандарта DVB-H от DVB-T состоит, однако, в том, что поток данных по каждому из каналов передаётся не постоянно, а в определённые временные интервалы, или временные слоты (система TDMA1)). Кроме того, передаются дополнительные данные, используя которые, приёмник сигналов может

«выходить на связь» только тогда, когда транслируется, например, желаемая телепрограмма. В «периоды ожидания» приёмник находится в режиме пониженного энергопотребления, благодаря чему экономия энергии составляет до 80% по сравнению с режимом работы по стандарту DVB-T. Для мобильных устройств с батарейным питанием, например сотовых телефонов или КПК, такая экономия просто необходима, чтобы обеспечить достаточно длительное время работы как в режиме приёма, так и в режиме ожидания (в первую очередь это относится к мобильным телефонам). Реализация данного режима требует использования в канальных декодерах дополнительных ресурсов памяти, чтобы обеспечить восстановление непрерывного потока данных из полученных приёмником пакетов данных.

Наличие новых стандартов передачи сигналов пока ещё не привело к каким-либо изменениям в цифровом ТВ вещании, поскольку по-прежнему существует упомянутая выше проблема полного покрытия зоны вещания при трансляции программ. При стандарте DVB-H используются имеющиеся передатчики стандарта DVB-T, которые, в свою очередь, заменяют ещё существующие аналоговые ТВ передатчики. Соответственно, первоочередным требованием к DVB-H является возможность передачи сигналов уже существующими большими передатчиками. В этой связи, существенным достоинством системы одночастотного вещания (SBN) является возможность использования для компенсации плохого приёма (так называемых «провалов» в зоне вещания) дополнительных передатчиков небольшой мощности, для работы которых не требуется какого-либо управления со стороны головной передающей станции.

В настоящее время единственным производителем цифровых ТВ тюнеров является компания Infineon. Разработанная ею ИС TUA 6034 (называемая также TAIFUN) предназначена для построения комбинированных тюнеров, способных работать как с цифровым, так и с аналоговым телевизионным сигналом. В дальнейшем Infineon намерена предложить потребителям решения для будущих систем стандарта DVB-H.

Передача по широкополосному спутниковому каналу

-Режим Point-to-multipoint, а также

-Режим Point-to-point с использованием индивидуальных кодов доступа

Телефонная линия для обратного канала и для передачи узкополосной индивидуальной информации:

-коды доступа

-биллинг

-индивидуальные услуги

Спутник

QPSK

QPSK

Цифровой спутниковый канал используется в основном для ТВ и платного ТВ

цифровым, используемая пропускная способность транспондеров увеличилась в среднем в 6 раз. После того как количество абонентов цифрового спутникового телевидения достигло «критической точки», перспективы увеличения возможностей по размещению рекламы стали главной движущей силой в процессе замены аналоговых транспондеров на цифровые. На сегодняшний день в Северной Америке и в Европе уже более 1000 цифровых ТВ каналов передаются через спутники.

В большинстве стран мира в качестве стандарта канальной модуляции для спутникового цифрового телевидения выбран DVB-S. В нём, как и в ряде других стандартов, используется метод квадратурной фазовой манипуляции (Quadrature Phase Shift Keying — QPSK). Благодаря распределению энергии в спектре сигнала и полной коррекции ошибок, этот метод модуляции более всего подходит для системы DVB-S и работы в условиях типичных помех, присущих спутниковому вещанию .

Компания Infineon разработала ИС TUA 6120 (TORNADO) — микросхему приёмника спутниковых сигналов. Микросхема TUA 6120 представляет собой «монолитный кремниевый тюнер», построенный по принципу приёмника прямого преобразования (DCR), и содержит интерфейс выходных сигналов I/Q, что позволяет использовать различные микросхемы канальных декодеров QPSK (см. Рис. 10.5).

необходимые функции, такие как управляемый малошумящий усилитель, генератор, управляемый напряжением (VCO), и др., интегрированы непосредственно в чип; система не требует какой-либо дополнительной настройки. ВЧ сигнал, поступающий на вход спутникового приёмника, попадает непосредственно в ИС тюнера. Используемые на выходах сигналов I/Q встроенные фильтры нижних частот с переключаемыми частотами среза позволяют адаптироваться к различным скоростям передачи данных и системам кодирования QPSK.

10.2.MultiMediaCard — идеальное устройство хранения данных для мобильных пользовательских устройств

Благодаря своим исключительно малым размерам MultiMediaCard (MMC) представляет собой очень компактное запоминающее устройство большой ёмкости, особенно востребованное в мобильном оборудовании (Рис. 10.6). За счёт применения технологии 3D Memory, специально разработанной для решения подобных задач, достигнуты очень высокие плотности размещения информации при минимальных размерах кристалла. В настоящее время разработанное Infineon устройство MultiMediaCard, габариты которого составляют 24 32 1.4 мм (Рис. 10.7), является самым маленьким среди всех представленных на рынке мобильных носителей информации, чем выгодно отличается от своих конкурентов. Следовательно,

Рис. 10.5. Демонстрационная плата QPSK-де- кодера DiRec-Sat2TS.

Термин «монолитный кремниевый тюнер» (Silicon Tuner) означает в данном случае, что для работы тюнера больше не требуется никаких внешних ВЧ компонентов (катушек индуктивности, варакторов, высоко-

Рис. 10.6. MultiMediaCard используется в мобильных устройствах самого различного назначения.

Рис. 10.7. MultiMediaCard — на сегодняшний день самый малогабаритный и дешёвый носитель информации.

MMC более всего подходит для использования в портативных устройствах, где имеется минимум места для размещения устройств записи и хранения данных и важным фактором является вес этих устройств с учётом разъёмов и электронных схем управления.

С развитием технологии 3D Memory и разработкой новых технологий изготовления корпусов ИС (см. Табл. 10.1 и Рис. 10.9 далее в подразделе 10.2.4) соотношение между затратами на производство компактных электронных носителей информации и максимальным объёмом хранящихся на них данных значительно улучшилось. В результате, сегодня полупроводниковые приборы впервые представляют собой реальную альтернативу оптическим и магнитным устройствам хранения информации. В ряде же областей применения их преимущества вырисовываются особенно отчётливо.

Благодаря надёжному разъёмному соединению карты MMC с устройством воспроизведения информации, процесс передачи данных нечувствителен к механическим вибрациям. Поскольку устройство воспроизведения не содержит движущихся частей, использование MultiMediaCard гарантирует самую высокую (по сравнению с CD-ROM или флоппи-дисководами) устойчивость к механическим, температурным воздействиям и не боится влажности. Помимо этого, MultiMediaCard демонстрирует наиболее высокую скорость передачи данных и характеризуется малым энерго-

потреблением. Последнее особенно важно, поскольку от энергопотребления зависит продолжительность работы устройств воспроизведения с батарейным питанием.

Многие ведущие производители мобильных телефонов и КПК уже включили поддержку MultiMediaCard в число функций своей продукции. Судя по всему, за ними вскоре последуют и производители таких устройств, как цифровые камеры, навигационное оборудование, электронные игры или собственно устройства воспроизведения мультимедиа.

10.2.1. Широкий диапазон применений

Одним из многочисленных применений MultiMediaCard является хранение программ для портативных устройств. Конечные пользователи могут, например, расширить функциональные возможности оборудования, загрузив в него соответствующие программы или данные из MMC-карты. Если данные, которые требуется перенести, представлены в определённом формате, то карты подобного типа можно использовать для обмена данными между различными устройствами. Например, владелец мобильного телефона может вытащить из него MultiMediaCard с номерами телефонов и вставить её в свой настольный телефонный аппарат, а покидая офис, снова вернуть карту в мобильник. Другими сферами применения MMC в мобильных телефонах являются запись голоса (цифровой диктофон), сохранение полученных факсов и сообщений электронной почты или обновление программного обеспечения телефона.

Ещё один сценарий использования MultiMediaCard связан с загрузкой различных данных из сервера в персональный компьютер, а затем в мобильный MMCплеер. Так, на MMC-карту объёмом 32 Мбайт при использовании соответствующего алгоритма сжатия (например, MPEG-2 Layer 3) можно записать в цифровом виде до получаса музыки в стереоформате. Музыкальные и другие развлекательные файлы могут быть получены владельцем заветной MultiMediaCard из Интернета, загружены всё в ту же MultiMediaCard и затем проигрываться, скажем, во время утренней пробежки, через аудиоплеер, который абсолютно не восприимчив к тряске и размером не больше спичечного коробка.

Кроме мобильных телефонов и аудиоплееров, MMC-карты широко используются в электронных играх. В данном случае речь идёт, главным образом, о картах ПЗУ (ROM), на которых могут быть записаны аудиокниги, радиопостановки или, например, детские песни.

10.2.2. Упор на стандартизацию

Для того чтобы гарантировать совместимость MultiMediaCard с различными форматами данных и с разнообразными системами их записи, компания Infineon пошла по пути стандартизации. С этой целью Infineon осуществляет стратегическое партнёрство с международными компаниями в области производства полупроводниковых компонентов, мобильных телефонов и КПК. Задача этого партнёрства — основать Ассоциацию производителей MultiMediaCard, с тем чтобы активно продвигать этот стандарт и обеспечивать соответствие технических характеристик разрабатываемых компонентов данному стандарту.

Чтобы повысить популярность MMCкарт, ассортимент этой продукции, который первоначально состоял исключительно из ПЗУ (память, предназначенная только для чтения), был дополнен перезаписываемыми флэш-картами. Благодаря сотрудничеству с ведущими производителями флэшпамяти, в настоящее время наряду с MMCкартами, предназначенными только для чтения, потребителям предлагаются и устройства перезаписываемой памяти, соответствующие стандарту MultiMediaCard.

10.2.3. Гибкий интерфейс

Благодаря низкому энергопотреблению (1 мВт при тактовой частоте 100 кГц) и возможности работы в диапазоне напряжений питания 2…3.6 В, MultiMediaCard оптимальны для использования в устройствах с питанием от батарей. Скорость передачи данных при операции чтения варьируется от 0 до 20 Мбит/с, что перекрывает возможные требования большинства различных прило-

жений.

В MultiMediaCard реализован синхронный последовательный интерфейс, имеющий шинную архитектуру с одним ведущим контроллером (single master bus). Несколько MMC-карт могут последовательно управляться от одного контроллера одновременно благодаря так называемому транзитному (сквозному) соединению1) контактных площадок карт. Имея всего три сигнальных линии (CMD, DAT, CLK), интерфейс оптимизирован для защищённой, но, тем не менее, быстрой передачи данных.

Благодаря «гибкости» интерфейса, обеспечивающего работу при различной тактовой частоте и напряжении питания, MultiMediaCard идеально подходит для использования в самых разнообразных приложениях, начиная от недорогих устройств воспроизведения и кончая Pentium PC, где требуется максимальная скорость передачи данных.

Очень простой и экономичный способ использования MultiMediaCard состоит в программном эмулировании трёх сигнальных линий. Соответственно, у оконечного устройства потребуется задействовать только три порта ввода/вывода. При программной эмуляции, в зависимости от производительности процессора, может быть достигнута скорость передачи данных от 100 Кбит/с (процессор 8051 с тактовой частотой 16 МГц) до 2 Мбит/с (RISC-процессо- ры). Для быстродействующих приложений, где требуется максимально возможная скорость передачи данных, функции интерфейса могут быть реализованы аппаратно с использованием VHDL2). Затем пользователь может, например, объединить MMC-интер- фейс и другие периферийные функции в специализированной заказной ИС (ASIC).

К системным компонентам, требующимся для работы с MultiMediaCard, относятся соответствующие разъёмы, а также адаптер PC-карт, с помощью которого MultiMediaCard может подключаться к устройствам, не имеющим слота MultiMediaCard, но имеющим слот для PC-карт.