Доминик Кленси, Иверт Ван Вердхайзен

Проектирование высокоскоростных пейджинговых систем

    С появлением новых стандартов пейджинговой связи, особенно стандарта FLEX, область применения таких систем заметно расширилась. Полупроводниковые устройства со временем приобретают всё более высокую степень интеграции. Всё шире применяются однокристальные устройства со встроенными контроллерами, синтезаторами частоты, модулями декодирования, памяти и регулировки уровня сигнала. Требование обеспечения роуминга накладывает дополнительные требования на системы и усложняет их. В данной статье проводится анализ различных технических решений и подходов к проектированию новых устройств приёма алфавитно-цифровой информации, рассматриваются доступное программное и аппаратное обеспечение, а также новейшие полупроводниковые изделия, нацеленные на эту область применения.

    Большинство современных пейд-жинговых систем базируются на стандартном протоколе POCSAG (Post Office Code Standardization Advisory Group), который был изначально разработан для передачи коротких числовых сообщений на тональные пейджеры. Введение обмена алфавитно-цифровыми сообщениями значительно увеличило время передачи. Поэтому, в условиях постоянно растущего числа пользователей и отсутствия дополнительных частотных диапазонов для каналов пейджинговой связи, операторы стоят перед необходимостью снижения количества пользователей, одновременно обслуживаемых одним каналом.

    Определённые требования на системы накладывают новые маркетинговые формы, например, бесплатное обслуживание абонентов, которые в последнее время становятся всё более популярными. Увеличение трафика заставляет операторов использовать протоколы высокоскоростной пейджинговой связи. Высокоскоростные пейджинговые протоколы предоставляют значительные преимущества по сравнению с POCSAG как для операторов, так и для пользователей, особенно при возможности использовать существующие зоны обслуживания базовой станции системы POCSAG, что сводит к минимуму затраты на её переоборудование. Для конечного пользователя применение этих протоколов положительно отразится на суммарной потребляемой мощности, что позволит работать на одной батарее гораздо большее время.

    Переход к высокоскоростным пейджинговым протоколам означает появление дополнительных проблем у разработчиков приёмных устройств. Помимо необходимости тесного знакомства с принципами обработки сигналов с четырёхуровневой частотной манипуляцией (FSK), здесь значительно возрастает объём и уровень программного обеспечения, по сравнению с системами POCSAG. Прежних средств разработки и проектирования здесь будет явно недостаточно. Сложность и высокая степень инте-грации в самых современных высокоскоростных пейджерах заставляют разработчиков обращаться к современным более мощным системам проектирования, без которых быстрая разработка конкурентоспособных изделий практически невозможна. В данной статье подробно рассматриваются различные аспекты построения пейджинговых систем, что должно помочь разработчикам интегрировать многие функции, являющиеся сейчас стандартными для такого рода систем.

Базовый проект

    Как правило, базовый проект приводится с целью проиллюстрировать основные принципы построения систем. По соображениям снижения стоимости конечного изделия, микроконтроллер должен представлять собой стандартное доступное изделие, оптимизированное с точки зрения потребляемой мощности и излучаемых электромагнитных помех. Декодер должен быть совместим с имеющимися в наличии пейджинговыми приёмниками. Его первичной функцией является обработка и демодуляция информационного сигнала, полученного из пейджингового канала, а также передача сообщения микроконтроллеру. В декодер также могут быть включены различные периферийные функции. В данном базовом проекте приёмник представляет собой классический супергетеродинный приёмник с двойным преобразованием частоты. Альтернативой может быть система с нулевой промежуточной частотой, которая на настоящее время является самой дешёвой, но при этом такая система должна быть совместима с двух- и четырёхуровневой частотной манипуляцией (FSK).

    Структурная схема пейджера приведена на рис. 1. Для управления вспомогательными схемами здесь используется архитектура I2С, так как для неё имеется широкий выбор дешёвых комплектующих.

Рис. 1. Базовый проект приемника и декодера сигналов

Функциональные блоки

Приёмник

    Входной приёмный тракт пейджера построен из дискретных компонентов, а на его выходе расположен демодулятор. В данном проекте высокочастотный генератор ге-теродинного сигнала также может быть отнесён к приёмнику. Печатная плата разработана для подключения к рамочной антенне. Естественно, здесь важна правильная разработка антенны, а поэтому необходимо наличие соответствующих средств проектирования. Различные части приёмника могут включаться и выключаться по команде от общей линии управления приёмником, управляемой напрямую от декодера.

    В случае построения приёмника с нулевой промежуточной частотой, необходимо принять все меры, чтобы избежать проблем, связанных с синхронным приёмом. Приёмник должен быть разработан весьма тщательно и иметь малые собственные шумы. При соблюдении всех правил полученный приёмник с нулевой промежуточной частотой будет достаточно чувствительным и сможет соответствовать всем требованиям пользователей и операторов пейджинговых сетей.

    Структурная схема приёмного тракта высокоскоростного пейджера представлена на рис. 2. Входной тракт собран на дискретных компонентах. Второй смеситель, квадратурный детектор, фильтр данных, компараторы уровня и стабилизатор напряжения 1 В объединены в одной интегральной схеме. В таблице приведены основные параметры такого приёмника.

Рис. 2. Структурная схема приемника высокочастотного пейджера

Таблица. Характеристики системы

Схема обработки сигнала

    В схему обработки сигнала входят декодер, хост-микроконтроллер, модуль электрически стираемого программируемого ПЗУ (EEPROM) объёмом 256 байт, устройство звуковой сигнализации и сигнальный светодиод, жидкокристаллический дисплей, модуль статического ОЗУ (SRAM) объёмом 8 кбайт и DC/DC конвертер. Данные на вход схемы могут подаваться как с выхода приёмника, так и от тестового сигнального генератора.

    Вся система питается напрямую от одной батареи типа AAА через фильтрующий дроссель, поэтому её минимальное рабочее напряжение составляет 1 В. Для платы обработки сигналов DC/DC конвертер повышает напряжение до 2,5 В, так как именно такое напряжение необходимо для питания жидкокристаллического дисплея. Минимальное рабочее напряжение декодера и микроконтроллера составляет 1,8 В. Между приёмником и декодером не требуется никаких преобразователей уровня, потому что выход приёмника представляет собой выход с открытым коллектором, и размах напряжения целиком определяется схемой обработки сигналов.

    В системе используется микроконтроллер типа 8051. Он имеет шину l2C, что позволяет легко связывать его с декодером. Несмотря на то, что стандартное программное обеспечение FLEX разработано для работы на 16-бит контроллере, использование менее дорогого 8-бит контроллера позволяет снизить себе-стоимость приёмника. В качестве микроконтроллера типа 8051 в устройстве используется микросхема P87CL881H производства компании Philips, имеющая ПЗУ объёмом 32 кбайт и ОЗУ объёмом 512 байт. Использование архитектуры I2C даёт разработчику возможность выбора различных типов жидкокристаллических индикаторов. Такая конфигурация позволяет применить стандартные индикаторные модули с управляющей микросхемой, устанавливаемые непосредственно на стекло дисплея. В этом случае управляющая микросхема индикатора включает ОЗУ и генератор символов.

    Декодер получает сигнал с выхода приёмника или с сигнального генератора, имитирующего принятый сигнал. Для чистоты эксперимента при использовании сигнального генератора приёмный тракт пейджера должен быть заблаговременно отключён от декодера. В качестве FLEX декодера используется микросхема PCD5008 производства компании Philips, которая может быть соединена с любым приёмником с цифровым 2-бит выходом.

    Для обеспечения экономичности системы, декодер управляет приёмником в специальном эффективном режиме управления питанием. Блок управления посылает декодеру сигнал, разрешающий включение приёмника при приходе одного или более (максимум до пяти) команд на “прогрев”, или выключение его после прихода максимум двух команд на выключение.

    Декодер синхронизируется с потоком данных стандарта FLEX, обрабатывает принятую и демодулированную приёмником информацию, выполняет деинтерливинг и коррекцию ошибок, выбирает сообщения, адресованные данному пейджеру, передаёт принятую информацию хост-микроконтроллеру. Декодер может поддерживать до 16 программируемых адресов. Связь с микроконтроллером осуществляется через шину последовательного интерфейса периферийных устройств (SPI). Хост-микроконтроллер может интерпретировать информацию принятого сообщения в соответствующей форме (числовой или алфавитно-цифровой), так как такая функция предусмотрена стандартным программным обеспечением FLEXstack.

    Модуль электрически стираемого ПЗУ (EEPROM), содержащий атрибуты пейджера, достаточно велик и может поддерживать по крайней мере четыре адреса. Дополнительный модуль синхронного ОЗУ введён для организации буфера хранения сообщений, необходимого при использовании программного обеспечения FLEXstack. В идеальном случае, ёмкость его должна быть достаточна для хранения четырёх адресов и 16 сообщений по 200 символов в каждом.

    Используемое стандартное программное обеспечение FLEXstack компании Motorola было перенесено на контроллер 8051. Пользовательский интерфейс базового проекта достаточно прост, но в то же время он обеспечивает все основные функции пейджера.

Отладочный макет

    Для выполнения успешной разработки необходимо создание хорошего макета системы, представляющего собой некую среду проектирования. Главная цель такого макета — показать пример построения высокоскоростной пейджинговой системы. Программное обеспечение должно иметь возможность оперативного изменения с использованием доступных средств эмуляции (Keil), а результаты таких изменений должны без труда наблюдаться непосредственно в рамках базового проекта. Идеальным решением была бы возможность параллельного использования эмулятора совместно с разработанной макетной платой. При этом полезно использовать максимальное число различных функций макета, например, возможность измерения коэффициента побитовых ошибок (BER); наглядность выполнения программного обеспечения и передачи сообщения; связь через интерфейс со вспомогательными схемами (l2C или SPI); возможность исследования сигналов в высокочастотном тракте приёмника и в линиях хост-микроконтроллера и декодера; наличие минимального числа функций пользовательского интерфейса, а также средств тестирования и отладки специальных пользовательских функций; возможность оптимизации и настройки антенны пейджера.

    Измерение коэффициента побитовых ошибок (BER) особенно актуально при оценке чувствительности приёмника. В базовом проекте сигнал на микроконтроллер должен подаваться в одном случае непосредственно с тестового генератора, в другом — с выхода приёмника. Программное обеспечение измерительного оборудования должно автоматически компенсировать временную задержку на распространение сигнала в тракте приёмника и сравнивать два потока данных для определения вероятности побитовых ошибок. Такой метод позволяет точно измерить основные параметры приёмника. Ядром разработки высокоскоростных пейджинговых систем является создание соответствующего программного обеспечения. Поскольку со временем при проектировании системы акцент все более и более сдвигается в сторону программной части изделия от схемотехнической, разработчики стоят перед усложняющейся задачей программирования и отработки многих функций программного обеспечения, которые ранее реализовывались аппаратно. Уже однозначно ясно, что функция декодирования будет реализована программно. Просматривается тенденция движения к пейджинговым системам, работающим с использованием множества различных протоколов или протоколов, имеющих общий интерфейс прикладного программирования (API). Наличие таких функций позволит разработать ряд человекомашинных интерфейсов, позволяющих работать со всеми возможными протоколами и реализовать широкий диапазон изделий.

    Использование архитектуры l2C, как правило, требует модификации стандартного программного обеспечения FLEXstack, но даёт выигрыш в объёме встроенного (on-chip) ОЗУ, необходимого для управления вспомогательными схемами. Кроме того, размер области хранения сообщений может быть расширен за счёт изменения объёма программируемого ПЗУ (EEPROM). Выбор схем, поддерживающих архитектуру l2C, настолько широк, что каждый конкретный проект может быть без труда оптимизирован по таким критериям как стоимость, технические характеристики, внешний вид и пользовательские функции.

    Другим общим требованием к разрабатываемому базовому проекту является возможность контролировать сигналы в интерфейсах между главными элементами системы. Эта возможность позволяет разработчику наблюдать сигналы, проходящие между декодером, микроконтроллером и приёмником, измерять их отдельные параметры и отслеживать прохождение информации. При отладке системы сравнение существующих сигналов с сигналами эталонного пейджера позволяет сделать вывод об общей работоспособности устройства.

    Ядром концепции разработки программного обеспечения пейджера является пользовательский интерфейс. Даже, если процесс проектирования начинается с получения пакета FLEXstack через Internet, основные процедуры извещения уже должны быть готовы. Наличие этих процедур позволяет разработчику вызывать готовые требуемые функции программного обеспечения пользовательского интерфейса.

    Наиболее важными функциями пользовательского интерфейса пейджера являются хранение и удаление принятых сообщений. Здесь особенно важны структуры прикладного интерфейса программирования (API) и функций управления, поэтому разработчик должен уделить этой части программного обеспечения наибольшее внимание. К другой категории функций управления пользовательского интерфейса относятся процедуры обработки декодером статусных сообщений, например, сообщения о разряженном состоянии батареи, наличии синхронизации, работе таймера. На рис. 3 показано, что программное обеспечение используется как связующее звено для различных элементов пейджинговой системы.

Рис. 3. Программное обеспечение - связующее звено между различными элементами пейджинговой системы

    Оптимальная разработка антенны пейджера позволяет значительно увеличить чувствительность приёмника. Для этого необходимо иметь специальные инструменты проектирования антенн и цепей согласования, учитывающих близость и электромагнитные эффекты человеческого тела.

Будущее

    Высокоскоростные пейджинговые системы ближайшего будущего обязательно будут поддерживать роуминг. Задачи программного и аппаратного обеспечения, связанные с роумингом, достаточно сложны и требуют развития новых подходов к проектированию. Главным элементом здесь будет разработка новых контроллеров и декодеров, которые смогут справляться с большей информационной нагрузкой, связанной с наличием более сложного программного обеспечения для поддержания роуминга.

    Важным новшеством будет создание пейджеров со встроенным синтезатором частот. Предполагается, что пейджер будет гибок не только по отношению к используемому оператором протоколу, но также и частотнонезависим в пределах определённого частотного диапазона. Цель состоит в том, чтобы создать пейджеры, которые будут работать автоматически не только на различных частотах, используемых в той или иной зоне обслуживания, но и обеспечивать синтез частоты гетеродинного сигнала. Такая система позволит использовать всего один кварцевый генератор для всего набора рабочих частот.

    Когда описанный уровень будет достигнут, станет возможным непрерывный конвейерный выпуск пейджеров, в отличие от сложившейся системы выпуска партий изделий. Акцент в этом случае ещё в большей степени сдвинется в сторону программного обеспечения, как основы для различных проектов. С появлением однокристальных систем обработки сигналов с высокой степенью интеграции важность программного обес-печения будет неуклонно возрастать.

Microwave Journal, май 1998 г.
Перевод Ю. Потапова