Проектирование точки доступа Wi-Fi

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

Введение

1. Обзор технологий беспроводного доступа Wi-Fi

1.1 Структура

1.2 Классификация

1.3 Приемущества

1.4 Основные стандарты

1.4.1 Стандарт IEEE 802.11g

1.4.2 Стандарт IEEE 802.11a

1.4.3 Стандарт IEEE 802.11n

2. Разработка структурной схемы модуля Wi-Fi

2.1 Конфигурирование точки доступа

2.2 Выбор элементной базы точки доступа

3. Разработка принципиальной схемы модуля усилителя

3.1 Расчёт каскадов усилителя мощности

3.1.1 Расчёт оконечного каскада

3.1.2 Расчёт предоконечного каскада

3.2 Расчет выходного фильтра

3.3 Описание принципиальной схемы передатчика

4. Безопасность жизнедеятельности

4.1 Наличие опасных и вредных факторов

4.2 Требования к рабочему месту оператора

4.3 Требования к микроклимату

4.4 Требования к освещению

4.4 Шум, ультразвук и вибрация

4.6 Электробезопасность

4.7 Пожарная безопасность

Заключение

Приложения

Список использованной литературы



Введение

Во всем мире, с удивительной скоростью, растёт потребность в беспроводных системах коммутации, в частности, в сфере IT технологий и бизнеса. Пользователи, имеющие беспроводной доступ к информации везде и всегда могут работать более эффективно и производительно, чем их коллеги, привязанные к проводным компьютерным и телефонным сетям, так как есть привязанность к определенной инфраструктуре коммуникаций.

Технология беспроводных сетей Wi-Fi более удобна в условиях требующих простоту установки и использования, а также мобильность. Wi-Fi является стандартом широкополосной беспроводной связи семейства 802.11, который был разработан в 1997г. В основном, технологию Wi-Fi используют для организации локальных беспроводных компьютерных сетей, а также формирования, так называемых «горячих» точек высокоскоростного доступа в Интернет.

Беспроводные сети занимают важную ступень в жизни людей, где бы они ни находились - дома, на работе или в общественном месте. Существует множество видов беспроводной связи, но основой беспроводных систем коммутации является то, что связь осуществляется непосредственно между ПК.

В зависимости от размера физической зоны, коммутацию с которыми они способны обеспечить, беспроводные сети делятся на несколько видов:

- беспроводная персональная сеть,

- беспроводная локальная сеть,

- беспроводная городская сеть,

- беспроводная глобальная сеть.

Цель данной работы проектирование точки доступа Wi-Fi (передающая часть).



1. Обзор технологий беспроводного доступа Wi-FI

1.1 Структура

Сети Wi-Fi строятся по любой из приведённых ниже топологий:

· ESS, Extended Service Sets (Расширенные).

· BSS, Basic Service Sets (Базовые);

· IBSS, Independent Basic Service Sets (Независимые базовые);

Инфраструктуры BSS могут быть связанны через их интерфейсы восходящего канала. В том месте, где стандарт 802.11 приходит в действие, интерфейс восходящего канала соединяет BBS с системой распределения (Distribution System, DS). Несколько BBS, связанных между собой через систему распределения, образуют расширенную зону обслуживания (ESS). Восходящий канал к системе распределения не должен обязательно пользоваться проводным соединением. На рисунке 1.1 представлено практическое воплощения ESS. Спецификация стандарта 802.11 делает возможным реализацию этого канала в беспроводном виде. Но чаще всего к системе распределения, восходящие каналы представляют собой технологию проводной сети Ethernet.

Рисунок 1.1 - Расширенная зона обслуживания ESS беспроводной сети

усилитель передатчик мощность беспроводной



Базовые зоны обслуживания (BSS) - это группы станций, связывающиеся одна с другой и работающие по стандарту 802.11. Технология BSS включает в себя «особую» станцию, название которой, точка доступа AP (Access Point). Точка доступа является центральным пунктом связи для всех BSS станций. Клиентские станции не коммутируются непосредственно между собой. Вместо этого они коммутируются с данной точкой доступа, а уже она, в свою очередь, отправляет кадры к станции-адресату. AP (Access Point) имеет в наличии порт восходящего канала (uplink port), с использованием которого осуществляется подключение BSS к проводной сети (к примеру, восходящий канал Ethernet). И в связи с этим, BSS принято называть BSS инфраструктурой. На рисунке 1.2 представлена стандартная BSS инфраструктура.

Рисунок 1.2 - Инфраструктура локальной беспроводной сети BSS

Независимые базовые зоны обслуживания (IBSS) - это группа непосредственно связывающихся между собой станций и работающих в соответствии со стандартом 802.11. На рисунке 1.3 представлено, как станции, оборудованные интерфейсными сетевыми беспроводными картами (network interface card, NIC) стандарта 802.11, формируют IBSS и связываются одна с другой напрямую.



Рисунок 1.3 - Ad-Hoc сеть (IBSS)

Независимая базовая зона обслуживания (IBSS) возникает, когда отдельные клиенты-устройства создают самоподдерживающуюся сеть не используя отдельные точки доступа (AP - Access Point). При формировании этих сетей не разрабатывают какие-либо развёртывания карты места и предварительные планы, в связи с этим, они чаще всего невелики и включают в себя ограниченную протяженность, которая является достаточной для передачи данных используемых совместно при необходимости их возникновения.

Так как в IBSS, точка доступа отсутствует, распределение времени (timing) в свою очередь, осуществляется нецентрализованно. Пользователь, начиная передачу в IBSS, задает некий сигнальный (маячковый) интервал (beacon interval) для формирования набора моментов времени передачи сигнального интервала (set of target beacon transmission time, TBTT). При завершении ТВТТ, клиенты IBSS выполняют следующее:

· Определяет случайную новую задержку;

· Приостанавливает все несработанные из предыдущего ТВТТ, таймеры задержки (backoff timer);

1.2 Классификация

В самом начале формирования радиотехники, термин "беспроводный" (wireless) использовался в качестве обозначения радиосвязи в самом широком смысле этого слова, то есть всегда, когда информация передавалась без проводов. Через некоторое время, это толкование практически не использовалось, и слово "беспроводный" употреблялось как некий эквивалент термину "радиочастота" (RF - radio frequency) или "радио" (radio). Сейчас эти два принято считать взаимозаменяемыми только тогда, когда речь идет о частотном диапазоне от 3 кГц до 300 ГГц. Но вопреки всему, термин "радио" так же используется и в качестве описания для уже существующих технологий (радиолокация, радиовещание, радиотелефонная связь, спутниковая связь и т. д.). А термин "беспроводный" в современное время относят к радиосвязи уже новых технологий, например таким, как абонентский доступ, сотовая и микросотовая телефония, пейджинг и т. п.

Существуют три типа сетей беспроводного доступа (рис. 1.4): WPAN (Wireless Personal Area Network), WLAN (Wireless Local Area Network) и WWAN (Wireless Wide Area Network),

При формировании сетей WPAN и WLAN, а также BWA (систем широкополосного беспроводного доступа) используются похожие технологии. Основное отличие друг от друга (рис. 1.5) - характеристики радиоинтерфейса и диапазон рабочих частот. Сети WPAN и WLAN работают в частотном диапазоне 2, 4 и 5 ГГц, которые являются нелицензионными, т. е. при их развертывании не требуется координации и частотного планирования с другими радиосетями, работающими на таком же диапазоне частот. Сети BWA (Broadband Wireless Access) используют как нелицензионные, так и лицензионные диапазоны (от 2 до 66 ГГц).



Рисунок 1.4 - Классификация беспроводных технологий

Основная цель при использовании беспроводных локальных сетей (WLAN) - формирование доступа к информационным ресурсам внутри здания. Сфера применения, которая является второй по значимости - это создание общественных коммерческих точек доступа (hot spots) в общественных местах, т.е. в аэропортах, гостиницах, кафе, а также создание временных сетей на время проведения мероприятий (семинаров, выставок).

Беспроводные локальные сети формируются благодаря семейству стандартов IEEE 802.11. Данные сети связи известны также как Wi-Fi (Wireless Fidelity). К слову, термин Wi-Fi в стандартах не прописан, но сам бренд Wi-Fi приобрёл в мире широкую популярность.

1.3 Преимущества

Беспроводные сети имеют, по сравнению с традиционными проводными сетями, довольно весомыми преимуществами, основными из которых, конечно же, является:

- Простота развёртывания;

- Гибкость архитектуры сети, когда при подключении, отключении и передвижении мобильных пользователей без больших потерь времени, возможно обеспечение динамического изменения топологии сети;

- Быстрота реализации и проектирования, что является значительной проблемой при жестких требованиях к времени построения сети;

- При организации беспроводной сети нет нужды в прокладке кабелей.

- Мобильным устройствам предоставляется доступ к сети.

- Излучение от Wi-Fi устройств, при передаче данных в 12 раз меньше, чем у обычного сотового телефона.

1.4 Основные стандарты

В современное время, чаще всего используется три стандарта группы IEEE 802.11 (приведены в таблице 1.1)

Таблица 1.1 - Основные характеристики стандартов группы IEEE 802.11

Стандарт	802.11g	802.11a	802.11n
Частотный диапазон, ГГц	2, 4-2, 483	5, 15-5, 25	2, 4 или 5, 0
Метод передачи	DSSS, OFDM	DSSS, OFM	MIMO
Скорость, Мбит/с	1-55	6-55	6-300
Совместимость	802.11 b/n	802.11 n	802.11 a/b/g
Метод модуляции	BPSK, QPSK OFDM	BPSK, QPSK OFDM	BPSK, 64-QAM
Дальность связи в помещении, м	20-50	10-20	50-100
Дальность связи вне помещения, м	250	150	500

1.4.1 Стандарт IEEE 802.11g

Стандарт IEEE 802.11g, принятый в 2003 году, является логическим развитием стандарта 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне, но с более высокими скоростями. Кроме того, стандарт 802.11g полностью совместим с 802.11b, то есть любое устройство 802.11g должно поддерживать работу с устройствами 802.11b. Максимальная скорость передачи данных в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с.При разработке стандарта 802.11g рассматривались две конкурирующие технологии: метод ортогонального частотного разделения OFDM, заимствованный из стандарта 802.11a и предложенный к рассмотрению компанией Intersil, и метод двоичного пакетного сверточного кодирования PBCC, предложенный компанией Texas Instruments. В результате стандарт 802.11g содержит компромиссное решение: в качестве базовых применяются технологии OFDM и CCK, а опционально предусмотрено использование технологии PBCC.

Идея сверточного кодирования (Packet Binary Convolutional Coding, PBCC) заключается в следующем. Входящая последовательность информационных бит преобразуется в сверточном кодере таким образом, чтобы каждому входному биту соответствовало более одного выходного. То есть сверточный кодер добавляет определенную избыточную информацию к исходной последовательности. Если, к примеру, каждому входному биту соответствуют два выходных, то говорят о сверточном кодировании со скоростью равной 1/2. Если же каждым двум входным битам соответствуют три выходных, то скорость сверточного кодирования будет составлять уже 2/3.

Выходные биты, формируемые в сверточном кодере, определяются операциями XOR между значениями входного бита и битами, хранимыми в запоминающих ячейках, то есть значение каждого формируемого выходного бита зависит не только от входящего информационного бита, но и от нескольких предыдущих битов.

Главным достоинством сверточных кодеров является помехоустойчивость формируемой ими последовательности. Дело в том, что при избыточности кодирования даже в случае возникновения ошибок приема исходная последовательность бит может быть безошибочно восстановлена. Для восстановления исходной последовательности бит на стороне приемника применяется декодер Витерби.

В отличие от технологий DSSS (коды Баркера, ССК-последовательности), в технологии сверточного кодирования не применяется технология уширения спектра за счет использования шумоподобных последовательностей, однако уширение спектра до стандартных 22 МГц предусмотрено и в данном случае. Для этого применяют вариации возможных сигнальных созвездий QPSK и BPSK.

Технология PBCC является опциональной в стандарте IEEE 802.11g, а технология OFDM -- обязательной. Суть её заключается в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется параллельно на всех таких подканалах. При этом высокая скорость передачи достигается именно за счет одновременной передачи данных по всем каналам, тогда как скорость передачи в отдельном подканале может быть и невысокой.

Благодаря тому что в каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать не слишком высокой, создаются предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции.

При частотном разделении каналов необходимо, чтобы отдельный канал был достаточно узким для минимизации искажения сигнала, но в то же время -- достаточно широким для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно расположить частотные подканалы как можно ближе друг к другу, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить их полную независимость. Частотные каналы, удовлетворяющие вышеперечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов ортогональны друг другу. Важно, что ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, и отсутствие межканальной интерференции.

Одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Конечно, сама по себе технология OFDM не исключает многолучевого распространения, но создает предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции.

Охранный интервал создает паузы между отдельными символами, и если его длительность превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает.

В протоколе 802.11g на низких скоростях передачи применяется двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK. При использовании BPSK-модуляции в одном символе кодируется только один информационный бит, а при QPSK-модуляции -- два информационных бита. Модуляция BPSK применяется для передачи данных на скоростях 6 и 9 Мбит/с, а модуляция QPSK -- на скоростях 12 и 18 Мбит/с.

Для передачи на более высоких скоростях используется квадратурная амплитудная модуляция QAM (Quadrature Amplitude Modulation), при которой информация кодируется за счет изменения фазы и амплитуды сигнала. В протоколе 802.11g применяется модуляция 16-QAM и 64-QAM. Первая модуляция предполагает 16 различных состояний сигнала, что позволяет закодировать 4 бита в одном символе; вторая -- 64 возможных состояния сигнала, что дает возможность закодировать последовательность 6 бит в одном символе. Модуляция 16-QAM используется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM -- на скоростях 48 и 54 Мбит/с.

1.4.2 Стандарт IEEE 802.11а

Стандарт IEEE 802.11а предусматривает скорость передачи данных до 54 Мбит/с. В отличие от базового стандарта спецификациями 802.11а предусмотрена работа в новом частотном диапазоне 5ГГц. В качестве метода модуляции сигнала выбрано ортогонально частотное мультиплексирование (OFDM), обеспечивающее высокую устойчивость связи в условиях многолучевого распространения сигнала.

В соответствии с правилами FCC частотный диапазон UNII разбит на три 100-мегагерцевых поддиапазона, различающихся ограничениями по максимальной мощности излучения. Низший диапазон (от 5, 15 до 5, 25 ГГц) предусматривает мощность всего 50 мВт, средний (от 5, 25 до 5, 35 ГГц) -- 250 мВт, а верхний (от 5, 725 до 5, 825 ГГц) -- 1 Вт. Использование трех частотных поддиапазонов с общей шириной 300 МГц делает стандарт IEEE 802.11а самым широкополосным из семейства стандартов 802.11 и позволяет разбить весь частотный диапазон на 12 каналов, каждый из которых имеет ширину 20 МГц, причем восемь из них лежат в 200-мегагерцевом диапазоне от 5, 15 до 5, 35 ГГц, а остальные четыре канала -- в 100-мегагерцевом диапазоне от 5, 725 до 5, 825 ГГц (рисунок 1.6). При этом четыре верхних частотных канала, предусматривающие наибольшую мощность передачи, используются преимущественно для передачи сигналов вне помещений.

Рисунок 1.5 - Разделение диапазона UNII на 12 частотных поддиапазонов

Стандарт IEEE 802.11a основан на технике частотного ортогонального разделения каналов с мультиплексированием (OFDM). Для разделения каналов применяется обратное преобразование Фурье с окном в 64 частотных подканала. Поскольку ширина каждого из 12 каналов, определяемых в стандарте 802.11а, имеет значение 20 МГц, получается, что каждый ортогональный частотный подканал (поднесущая) имеет ширину 312, 5 кГц. Однако из 64 ортогональных подканалов задействуется только 52, причем 48 из них применяются для передачи данных (Data Tones), а остальные -- для передачи служебной информации (Pilot Тones).

По технике модуляции протокол 802.11a мало чем отличается от 802.11g. На низких скоростях передачи для модуляции поднесущих частот используется двоичная и квадратурная фазовые модуляции BPSK и QPSK. При применении BPSK-модуляции в одном символе кодируется только один информационный бит. Соответственно при использовании QPSK-модуляции, то есть когда фаза сигнала может принимать четыре различных значения, в одном символе кодируются два информационных бита. Модуляция BPSK используется для передачи данных на скоростях 6 и 9 Мбит/с, а модуляция QPSK -- на скоростях 12 и 18 Мбит/с.

Для передачи на более высоких скоростях в стандарте IEEE 802.11а используется квадратурная амплитудная модуляция 16-QAM и 64-QAM. В первом случае имеется 16 различных состояний сигнала, что позволяет закодировать 4 бита в одном символе, а во втором -- уже 64 возможных состояния сигнала, что позволяет закодировать последовательность из 6 битов в одном символе. Модуляция 16-QAM применяется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM -- на скоростях 48 и 54 Мбит/с.

Последовательность обработки входных данных (битов) в стандарте IEEE 802.11а выглядит следующим образом. Первоначально входной поток данных подвергается стандартной операции скрэмблирования. После этого поток данных поступает на сверточный кодер. Скорость сверточного кодирования (в сочетании с пунктурным кодированием) может составлять 1/2, 2/3 или 3/4. Поскольку скорость сверточного кодирования может быть разной, то при использовании одного и того же типа модуляции скорость передачи данных оказывается различной. Рассмотрим, к примеру, модуляцию BPSK, при которой скорость передачи данных составляет 6 или 9 Мбит/с. Длительность одного символа вместе с охранным интервалом равна 4 мкс, а значит, частота следования импульсов составит 250 кГц. Учитывая, что в каждом подканале кодируется по одному биту, а всего таких подканалов 48, получаем, что общая скорость передачи данных составит 250 кГц x 48 каналов = 12 МГц. Если при этом скорость сверточного кодирования равна 1/2 (на каждый информационный бит добавляется один служебный), информационная скорость окажется вдвое меньше полной скорости, то есть 6 Мбит/с. При скорости сверточного кодирования 3/4 на каждые три информационных бита добавляется один служебный, поэтому в данном случае полезная (информационная) скорость составляет 3/4 от полной скорости, то есть 9 Мбит/с. Аналогичным образом каждому типу модуляции соответствуют две различные скорости передачи (таблица 1.2).

Таблица 1.2 - Соотношение между скоростями передачи и типом модуляции в стандарте 802.11a

Скорость передачи, Мбит/с	Тип модуляции	Скорость сверточного кодирования	Количество бит в одном символе в одном подканале	Общее количество бит в символе (48 подканалов)	Количество информационных бит в символе
6	BPSK	1/2	1	48	24
9	BPSK	3/4	1	48	36
12	QPSK	1/2	2	96	48
18	QPSK	3/4	2	96	72
24	16-QAM	1/2	4	192	96
36	16-QAM	3/4	4	192	144
48	64-QAM	2/3	6	288	192
54	64-QAM	3/4	6	288	216

После сверточного кодирования поток бит подвергается операции перемежения, или интерливинга. Суть ее заключается в изменении порядка следования бит в пределах одного OFDM-символа. Для этого последовательность входных бит разбивается на блоки, длина которых равна числу бит в OFDM-символе (NCBPS). Далее по определенному алгоритму производится двухэтапная перестановка бит в каждом блоке.

На первом этапе биты переставляются таким образом, чтобы смежные биты при передаче OFDM-символа передавались на несмежных поднесущих. Алгоритм перестановки бит на этом этапе эквивалентен следующей процедуре. Первоначально блок бит длиной NCBPS построчно (строка за строкой) записывается в матрицу, содержащую 16 строк и NCBPS/16 рядов. Далее биты считываются из этой матрицы, но уже по рядам (или так же, как записывались, но из транспонированной матрицы).

Затем следует этап второй перестановки битов, цель которого заключается в том, чтобы соседние биты не оказались одновременно в младших разрядах групп, определяющих модуляционный символ в сигнальном созвездии. То есть после второго этапа перестановки соседние биты оказываются попеременно в старших и младших разрядах групп. Делается это с целью улучшения помехоустойчивости передаваемого сигнала.

После перемежения последовательность бит разбивается на группы по числу позиций выбранного типа модуляции и формируются OFDM-символы.

Сформированные OFDM-символы подвергаются быстрому преобразованию Фурье, в результате чего формируются выходные синфазный и квадратурный сигналы, которые затем подвергаются стандартной обработке -- модуляции.

1.4.3 Стандарт IEEE 802.11n

Этот стандарт был утверждён 11 сентября 2009. 802.11n по скорости передачи сравнима с проводными стандартами. Максимальная скорость передачи стандарта 802.11n примерно в 5 раз превышает производительность классического Wi-Fi.

Можно отметить следующие основные преимущества стандарта 802.11n:

- большая скорость передачи данных (около 300 Мбит/с);

- равномерное, устойчивое, надежное и качественное покрытие зоны действия станции, отсутствие непокрытых участков;

- совместимость с предыдущими версиями стандарта Wi-Fi.

Недостатки:

- большая мощность потребления;

- два рабочих диапазона (возможная замена оборудования);

- усложненная и более габаритная аппаратура.

Увеличение скорости передачи в стандарте IEEE 802.11n достигается, во-первых, благодаря удвоению ширины канала с 20 до 40 МГц, а во-вторых, за счет реализации технологии MIMO.

Технология MIMO (Multiple Input Multiple Output) предполагает применение нескольких передающих и принимающих антенн. По аналогии традиционные системы, то есть системы с одной передающей и одной принимающей антенной, называются SISO (Single Input Single Output).

Стандарт IEEE 802.11n основан на технологии OFDM-MIMO. Очень многие реализованные в нем технические детали позаимствованы из стандарта 802.11a, однако в стандарте IEEE 802.11n предусматривается использование как частотного диапазона, принятого для стандарта IEEE 802.11a, так и частотного диапазона, принятого для стандартов IEEE 802.11b/g. То есть устройства, поддерживающие стандарт IEEE 802.11n, могут работать в частотном диапазоне либо 5, либо 2, 4 ГГц.

Рисунок 1.6 - Принцип реализации технологии MIMO

Передаваемая последовательность делится на параллельные потоки, из которых на приемном конце восстанавливается исходный сигнал. Здесь возникает некоторая сложность -- каждая антенна принимает суперпозицию сигналов, которые необходимо отделять друг от друга. Для этого на приемном конце применяется специально разработанный алгоритм пространственного обнаружения сигнала. Этот алгоритм основан на выделении поднесущей и оказывается тем сложнее, чем больше их число.

Единственным недостатком использования MIMO является сложность и громоздкость системы и, как следствие, более высокое потребление энергии. Для обеспечения совместимости MIMO-станций и традиционных станций предусмотрено три режима работы:

- Унаследованный режим (legacy mode).

- Смешанный режим (mixed mode).

- Режим зеленого поля (green field mode).

Каждому режиму работы соответствует своя структура преамбулы -- служебного поля пакета, которое указывает на начало передачи и служит для синхронизации приемника и передатчика. В преамбуле содержится информация о длине пакета и его типе, включая вид модуляции, выбранный метод кодирования, а также все параметры кодирования. Для исключения конфликтов в работе станций MIMO и обычных (с одной антенной) во время обмена между станциями MIMO пакет сопровождается особой преамбулой и заголовком. Получив такую информацию, станции, работающие в унаследованном режиме, откладывают передачу до окончания сеанса между станциями MIMO. Кроме того, структура преамбулы определяет некоторые первичные задачи приемника, такие как оценка мощности принимаемого сигнала для системы автоматической регулировки усиления, обнаружение начала пакета, смещение по времени и частоте.

Режимы работы станций MIMO. Унаследованный режим. Этот режим предусмотрен для обеспечения обмена между двумя станциями с одной антенной. Передача информации осуществляется по протоколам 802.11а. Если передатчиком является станция MIMO, а приемником -- обычная станция, то в передающей системе используется только одна антенна и процесс передачи идет так же, как и в предыдущих версиях стандарта Wi-Fi. Если передача идет в обратном направлении -- от обычной станции в многоантенную, то станция MIMO использует много приемных антенн, однако в этом случае скорость передачи не максимальная. Структура преамбулы в этом режиме такая же, как в версии 802.11а.

Смешанный режим. В этом режиме обмен осуществляется как между системами MIMO, так и между обычными станциями. В связи с этим системы MIMO генерируют два типа пакетов, в зависимости от типа приемника. С обычными станциями работа идет медленно, поскольку они не поддерживают работу на высоких скоростях, а между MIMO -- значительно быстрее, однако скорость передачи ниже, чем в режиме зеленого поля. Преамбула в пакете от обычной станции такая же, что и в стандарте 802.11а, а в пакете MIMO она немного изменена. Если передатчиком выступает система MIMO, то каждая антенна передает не целую преамбулу, а циклически смещенную. За счет этого снижается мощность потребления станции, а канал используется более эффективно. Однако не все унаследованные станции могут работать в этом режиме. Дело в том, что если алгоритм синхронизации устройства основан на взаимной корреляции, то произойдет потеря синхронизации.

Режим зеленого поля. В этом режиме полностью используются преимущества систем MIMO. Передача возможна только между многоантенными станциями при наличии унаследованных приемников. Когда идет передача MIMO-системой, обычные станции ждут освобождения канала, чтобы избежать конфликтов. В режиме зеленого поля прием сигнала от систем, работающих по первым двум схемам, возможен, а передача им -- нет. Это сделано для того, чтобы исключить из обмена одноантенные станции и тем самым повысить скорость работы. Пакеты сопровождаются преамбулами, которые поддерживаются только станциями MIMO. Все эти меры позволяют максимально использовать возможности систем MIMO-OFDM. Во всех режимах работы должна быть предусмотрена защита от влияния работы соседней станции, чтобы предотвратить искажения сигналов. На физическом уровне модели OSI для этого используются специальные поля в структуре преамбулы, которые оповещают станцию о том, что идет передача и необходимо определенное время ожидания. Некоторые методы защиты принимаются и на канальном уровне. В зависимости от используемой полосы пропускания режимы работы классифицируются следующим образом:

1. Наследуемый режим. Этот режим нужен для согласования с предыдущими версиями Wi-Fi. Он очень похож на 802.11a/g как по оборудованию, так и по полосе пропускания, которая составляет 20 МГц.

2. Двойной наследуемый режим. Устройства используют полосу 40 МГц, при этом одни и те же данные посылаются по верхнему и нижнему каналу (каждый шириной 20 МГц), но со смещением фазы на 90°. Структура пакета ориентирована на то, что приемником является обычная станция. Дублирование сигнала позволяет уменьшить искажения, повышая тем самым скорость передачи.

3. Режим с высокой пропускной способностью. Устройства поддерживают обе полосы частот -- 20 и 40 МГц. В этом режиме станции обмениваются только пакетами MIMO. Скорость работы сети максимальна.

4. Режим верхнего канала. В этом режиме используется только верхняя половина диапазона 40 МГц. Станции могут обмениваться любыми пакетами.

5. Режим нижнего канала. В этом режиме используется только нижняя половина диапазона 40 МГц. Станции также могут обмениваться любыми пакетами.

Передатчики и приемники 802.11n

В стандарте IEEE 802.11n допускается использование до четырех антенн у точки доступа и беспроводного адаптера. Обязательный режим подразумевает поддержку двух антенн у точки доступа и одной антенны и беспроводного адаптера. В стандарте IEEE 802.11n предусмотрены как стандартные каналы связи шириной 20 МГц, так и каналы с удвоенной шириной. Общая структурная схема передатчика изображена на рисунке 1.8. Передаваемые данные проходят через скремблер, который вставляет в код дополнительные нули или единицы (так называемое маскирование псевдослучайным шумом), чтобы избежать длинных последовательностей одинаковых символов. Затем данные разделяются на N потоков и поступают на кодер с прямой коррекцией ошибок (FEC). Для систем с одной или двумя антеннами N = 1, а если используются три или четыре передающих канала, то N = 2.

Рисунок 1.7 - Общая структура передатчика MIMO-OFDM

Кодированная последовательность разделяется на отдельные пространственные потоки. Биты в каждом потоке перемеживаются (для устранения блочных ошибок), а затем модулируются. Далее происходит формирование пространственно-временных потоков, которые проходят через блок обратного быстрого преобразования Фурье и поступают на антенны. Количество пространственно-временных потоков равно количеству антенн. Структура приемника аналогична структуре передатчика изображена на рисунке 1.9, но все действия выполняются в обратном порядке.

Рисунок 1.8 - Общая структура приемника MIMO-OFD



2. Разработка структурной схемы точки доступа Wi-FI

Точка доступа состоит из радиоплаты, обеспечивающей связь с отдельными пользовательскими устройствами беспроводной локальной сети, и проводной платы интерфейса сети, обеспечивающей взаимодействие с распределительной системой (distribution system), такой как Ethernet. Системное программное обеспечение точки доступа обеспечивает взаимодействие частей беспроводной локальной сети и распределительной системы точки доступа. Это программное обеспечение дифференцирует точки доступа по степени обеспечения управляемости, установки и функциям безопасности.

В большинстве случаев точка доступа обеспечивает http-интерфейс, позволяющий изменять ее конфигурацию с помощью пользовательского устройства, оборудованного сетевым интерфейсом, и Web-браузера. Некоторые точки доступа также оснащаются последовательным интерфейсом RS-232, благодаря чему их можно конфигурировать через последовательный кабель или пользовательское устройство, осуществляющее эмуляцию терминала и выполняющее программу Telnet (гипертерминал).

2.1 Конфигурирование точки доступа

Рассмотрим основные параметры конфигурирования радио тракта для точки доступа Cisco 350, которые применимы и к другим точкам доступа.

Одним из параметров, который нужно выбрать, является идентификатор набора служб (service set identifier, SSID). Этот идентификатор SSID предоставляет имя для конкретной беспроводной локальной сети, к которой привязывается пользователь. С целью обеспечения должного уровня безопасности значение параметра SSID устанавливается отличным от предлагаемого по умолчанию.

В большинстве случаев мощность передатчика точки доступа устанавливается на максимальный уровень, который для США составляет 100 мВт. Это позволяет увеличить радиус действия беспроводной локальной сети. В действительности максимальная эффективная мощность составляет 1 Вт, но меньшая мощность излучения позволяет применять антенны с высоким коэффициентом усиления и в то же время не нарушать установленные ограничения.

В США можно задавать работу точки доступа в одном из 11 -ти разрешенных каналов. Если устанавливается только одна точка доступа, не имеет значения, в каком именно канале она работает. При установке нескольких точек доступа или в случае, когда поблизости и в том же диапазоне работает другая беспроводная локальная сеть, следует выбирать неперекрывающиеся каналы (такие как 1, 6 и 11) для каждой точки доступа, находящейся в зоне действия другой точки доступа.

Как минимум, необходимо активизировать работу протокола шифрования в беспроводной связи (wired equivalent privacy, WEP) для обеспечения хотя бы первичного уровня защищенности. Для этого устанавливается ключ шифрования, необходимый для всех пользовательских устройств, имеющих право взаимодействовать с точкой доступа, позволяющей получать зашифрованные данные. При применении 40-разрядного ключа вводят 10 шестнадцатеричных символов, каждый из которых может принимать значение от 0 до 9 или от А до F. При использовании 104-разрядных ключей потребуется вводить 26 шестнадцатеричных символов. Следует иметь в виду, что 40-разрядные ключи соответствуют 64-разрядной системе шифрования, а 104-разрядные -- 128-разрядной системе шифрования в добавок к 24-разрядному вектору инициализации в обоих случаях. Структурная схема приёмо-передатчика показана на рисунке 2.1.



Рисунок 2.1 - Структурная схема приёмо-передатчика Wi-Fi.

2.2 Выбор элементной базы точки доступа

В соответствии с выбранным стандартом, возможно использование таких микросхем квадратурных модуляторов, как ADL5373 (Analog devices), ADL5374 (Analog Devices), ADL5375 (Analog Devices) и другие.

В данном работе в качестве модулятора приёмо-передатчика применяется микросхема STQ-3016 фирмы «Stanford micro devices». Функциональная схема микросхемы W3020, с обозначением контактных выводов, приведена на рисунке 1.8.

Квадратурный модулятор серии STQ охватывает диапазон 2500…4000 МГц (полоса сигнала при этом составляет от 0 до 500 МГц). Данный модулятор также хорошо сбалансирован по амплитуде и фазе, а кроме того, имеют низкий уровень собственных шумов: -153 дБм/Гц. Основные характеристики STQ­3016 представлены в таблице 6.

Таблица 2.1 Основные характеристики STQ-3016

Параметры	STQ-3016
Рабочий диапазон, МГц	2500…4000
Уровень выходной мощности, дБм	-12
Уровень 1 дБ компрессии по входу, дБ	2
Подавление несущей, дБ	40
Квадратурная фазовая ошибка, град.	±0, 5
Фазовый баланс вход/квадратурн., дБ	±0, 05
Напряжение питания, В	7
Рабочий ток, мА	73

Рисунок 2.2 - Функциональная схема микросхемы STQ­3016, с обозначением контактных выводов.

Таблица 2.2 Описание контактов микросхемы W3020

Контакт	Обозначение	Описание	Дополнительные комментарии
1	BBQP	Положительный Q-канал входного модулирующего сигнала.	Номинальные напряжения смещения постоянного тока составляет 1, 9 В
2	VCC	Питание (+5В)
3	VEE	Земля
4	LOP	Положительный входной сигнал гетеродина.	Номинальное напряжение постоянного тока 2.0 В.
5	LON	Отрицательный входной сигнал гетеродина.	Номинальное напряжение постоянного тока 2.0 В.
6	VEE	Земля
7	SD	Управление отключением	Логические уровни: высокий логический уровень = нормальная работа; Низкий логический уровень = остановка.
8	BBIP	I-канальный вход базовой полосы, положительный.	Номинальные напряжения смещения постоянного тока составляет 1, 9 В
9	BBIN	I-канальный вход базовой полосы, отрицательный.	Номинальные напряжения смещения постоянного тока составляет 1, 9 В
10	VCC	Питание (+5В)
11	VEE	Земля
12	RFN	ВЧ отрицательный выход.	Номинальное напряжение постоянного тока 2.4V. Выход должен быть по переменному току.
13	RFP	ВЧ положительный выход.	Номинальное напряжение постоянного тока 2.4V. Выход должен быть по переменному току.
14	VEE	Земля
15	VCC	Питание (+5В)
16	BBQN	Положительный Q-канал входного модулирующего сигнала.	Номинальные напряжения смещения постоянного тока составляет 1, 9 В.



3. Разработка принципиальной схемы модуля усилителя

Стандарт предусматривает выходную мощность точки доступа 100 мВт, с учетом потерь на фильтре и ключе (коэффициент полезного действия равен 50%), мощность усилителя должна быть 0, 2 Вт.

3.1 Расчет каскадов усилителя мощности

Электрический расчет режима работы транзистора состоит из двух этапов: расчет коллекторной цепи и расчет входной цепи. В схемах режим входной цепи (цепь возбуждения) выбирается таким образом, чтобы импульсы коллекторного тока были близки к отрезкам симметричной косинусоиды с углом отсечки и, равным 90°.

3.1.1 Расчет оконечного каскада

Расчет коллекторной цепи ведется при заданной колебательной мощности Р₁ (в двухтактных генераторах - при заданной мощности Р₁, приходящейся на один транзистор) и определенном напряжении коллекторного питания, а в ряде случаев - при заданном нагрузочном сопротивлении R_эк.

Расчет коллекторной цепи транзистора необходимо вести с учетом возможности рассогласования нагрузки. Для оконечного каскада передатчика нагрузкой является входное сопротивление ключа или согласующего устройства, устанавливаемого перед антенной. Нагрузкой предварительного каскада является входное сопротивление последующего каскада.

Входное сопротивление фильтра ПАВ в диапазоне рабочих частот может отличаться от номинального R_н.ном= R_к. Область возможных отклонений ?Z_н относительно R_н.ном определяется допустимым коэффициентом бегущей волны в нагрузке КБВ_н (или коэффициентом стоячей волны КСВ_н=1/КБВ_н). К оконечному каскаду фильтр ПАВ подключается через согласующие цепи передатчика, которые проектируются на заданный КБВ_ф в рабочей полосе частот. Для оценки результирующего рассогласования, создаваемого этими последовательно включенными цепями, нагруженными на комплексное сопротивление Z_н, надо в диапазоне рабочих частот f_н…f_в рассчитать результирующее входное сопротивление Z_вх, а затем оценить минимальный КБВ_вх на входе как наибольшее отклонение Р?Z_вхР входного сопротивления Z_вх относительно номинального сопротивления R_вх.ном, равного R_эк для транзисторов оконечного каскада. Поскольку расчет Z_вх оказывается очень трудоемким, ограничиваются приближенной оценкой КБВ_{вх min.}Значение КБВ_{вх min} в оконечных каскадах не должно быть ниже 0, 5…0, 6; а в предоконечном и предварительных каскадах допустимое снижение КБВ_{вх min} до 0, 2…0, 5. [4]

В соответствии с исходными данными, транзистор должен работать в полосе частот 2, 5 МГц, иметь напряжение питания 7 В и обеспечивать необходимую выходную мощность 0.2 Вт. Поэтому будет использоваться n-p-n транзистор 2Т643А-2 (его характеристики приведены в таблице 3.1).

Таблица 3.1 - Характеристики транзистора 2Т643А-2

rнас, Ом	rб, Ом	rэ, Ом	h21	Cк, пФ	Cэ, пФ	Lэ, нГн	Lб, нГн
0, 6	0	0	50	1, 2	4, 2	0, 55	0, 6
Lк, нГн	Uкб, В	Eбэ, В	Eп, В	Iк0доп(Iк max доп), А	P1ном, Вт
0, 5	18	1, 5	5	0, 12	0, 2

1. Амплитуда первой гармоники напряжения U_К1 на коллекторе

(3.1)

- где напряжение коллекторного питания Е_К считается заданным.

При полном использовании транзистора по напряжению (U_Кmax ?U_{к доп}) из условия

Е_К= U_{к доп}- U_К1max= U_{к доп}-(1, 2…1, 3) U_Кгр,

- где коэффициент 1, 2…1, 3 учитывает увеличение U_К1 при переходе в перенапряженный режим, и принимая U_Кгр=(0, 7…0, 9)Е_к, определяем

Е_К?(0, 45…0, 54)U_{к доп} (3.2)

7В<0, 54•30=16, 2 В

2. Максимальное напряжение на коллекторе не должно превышать допустимого:

U_Кmax = Е_К + (1, 2…1, 3) U_К1гр ? U_{к доп} (3.3)

U_Кmax = 7 + 1, 3 • 6, 931 = 16, 1 В

16, 1 В < 30 В

3. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока

I_К1=2?Р_1ном/U_К1гр (3.4)

I_К1=2•0, 2/6, 931 = 0, 058 А

4. Постоянная составляющая коллекторного тока

I_К0= (3.5)

5. Максимальный коллекторный ток



I_Kmax = I_K0/б₀(и) (3.6)

I_Kmax = 0, 031/0, 32 = 0, 115 А

6. Максимальная мощность, потребляемая от источника коллекторного питания,

Р_оmax=Р_0ном=Е_к•I_K0 (3.7)

Р_оmax=Р_0ном=7•0, 031=0, 259 Вт

7. Коэффициент полезного действия коллекторной цепи при номинальной нагрузке

з=Р_1ном/Р_оном (3.8)

з=0, 2/0, 259=0, 774=77, 4%

8. Максимальная рассеиваемая мощность на коллекторе транзистора

Р_Кmax? Р_0ном-P_1min= Р_0ном- Р_1ном? (3.9)

Р_Кmax?

9. Номинальное сопротивление коллекторной нагрузки (в двухтактных генераторах для транзистора в одном из плеч)

R_эк.ном=U²_К1гр/2Р_1ном (3.10)

R_эк.ном=6, 931²/(2•0, 2)=120, 088 Ом

Расчет входной цепи транзистора оконечного каскада:

Расчет входной цепи транзистора при включении с ОБ ведется в следующей последовательности:

1. Амплитуда тока базы

(3.11)

где

2. Напряжение смещение на эмиттерном переходе

(3.12)

Напряжение Е_отс принимают равным 0, 5…0, 7В - для кремниевых.

-0, 42В<2, 5В

3. Максимальное обратное напряжение на эмиттерном переходе

(3.13)

4. Постоянные составляющие базового и эмиттерного токов

(3.14)

(3.15)

5. В эквивалентной схеме входного сопротивления транзистора на рисунке 3.1. L_вхОЭ, r_вхОЭ, R_вхОЭ и С_вхОЭ находятся по формулам:



(3.16)

где

Рисунок 3.1 - Эквивалентная схема входной цепи транзистора

(3.17)

(3.18)

(3.19)

6.Резистивная и реактивная составляющие входного сопротивления транзистора Z_вх=r_вх+jx_вх:

(3.20)



7. Входная мощность

(3.21)

8. Коэффициент усиления по мощности транзистора

(3.22)

(3.23)

Предоконечный каскад должен обеспечить мощность, необходимую для возбуждения оконечного каскада P_вхок=0, 034 Вт. Расчет ведется по той же методике, что и расчет оконечного каскада.

3.1.2 Расчет предоконечного каскада

Для предоконечного каскада усилительного модуля выбираются n-p-n транзисторы типа КТ391Б2 (его характеристики приведены в таблице 3.2).

Таблица 3.2 - Характеристики транзистора КТ391Б2

R, кОм	rб·Cк, псек	Iк0, мкА	Cк, пФ	Cэ, пФ	Uкб, В	Uкэ, В	Uэб, В
10	3.7	0.5	0, 7	1	15	10	2

Методика расчета предварительных каскадов аналогична методике расчета оконечных каскадов.

Результаты расчета каскадов приведены в таблице 3.3.



Таблица 3.3 - Результаты расчета каскадов.

Каскад	оконечный	предоконечный
транзистор	2Т643А-2	КТ391Б2
P1ном, Вт	0, 2	0, 034
Uк1гр, В	6, 931	6, 988
Uкmax, В	16, 01	16, 085
Iк1, А	0, 058	0, 01
Iк0, А	0, 037	0, 006
Iкmax, А	0, 115	0, 019
P0max, Вт	0, 259	0, 044
з	0, 774	0, 78
Pкmax, Вт	0, 117	0, 02
Rэкном, Ом	120, 088	718, 186
Iэ, А	0, 124	0, 021
Еэ, В	0, 28	0, 09
Uбэmax, В	0, 846	0, 511
Iб0, мА	0, 739	0, 126
Iэ0, А	0, 038	0, 006
Lвхоб, нГн	1, 511	3, 269
rвхоб, Ом	-15, 373	-46, 516
Rвхоб, Ом	21, 922	73, 115
Cвхоб, пФ	2, 689	0, 073
rвх, Ом	4, 357	20, 561
Рвх, мВт	34	4, 416
КР	5, 96	7, 7
Ррасс, Вт	0, 151	0, 024

3.2 Расчет выходного фильтра

Широкое распространение фильтров на ПАВ объясняется тем, что они имеют существенное преимущество перед приборами, использующими объемные акустические волны. Имеется возможность простым путем формировать комплексную частотную характеристику приборов на ПАВ.

В простейшем случае фильтр на ПАВ имеет на пьезоэлектрической подложке два встречно-штыревых преобразователя (ВШП) и предназначенных для возбуждения ПАВ. Один из которых - входной - преобразует за счет пьезоэффекта приложенный электрический сигнал в ПАВ, а второй - выходной - осуществляет обратное преобразование. На выходной ВШП, имеющий N₂ электродов, от входного ВШП поступает акустический сигнал S(t). При прохождении ПАВ под i-м электродом на электроде из-за пьезоэффекта наводится заряд qi(t) пропорциональный S(t). На шинах, соединяющих электроды ВШП, наводимые заряды суммируются и электрический сигнал на выходном ВШП имеет вид:

(3.24)

где Si(t) - сигнал S(t), принимаемый I-элементом; Ai- коэффициент зависящий от материала подложки, геометрии электродов, способов соединения электродов между собой и т.д.

Рисунок 3.2 - Фильтр на ПАВ

Фильтры на ПАВ относятся к классу трансверсальных фильтров, поэтому рассмотрим селекцию частоты во временной области (рисунок 3.2). Поступающий на вход фильтра сигнал рассматривается как распространяющаяся волна.

Фильтрацию сигналов можно рассматривать как сложение задержанных, сигналов с соответствующими весовыми коэффициентами. В полосе пропускания задержанные сигналы складываются синфазно, а в полосе подавления - противофазно.

Фильтр имеет линию задержки с N отводами, причем каждый отвод характеризуется весовым коэффициентом А_n. Входной сигнал умножается на коэффициент а₁ и результат умножения проходит на общий выход. Затем входной сигнал проходит через линию задержки D₂ и умножается на коэффициент А_2, а результат умножения складывается с сигналом, прошедшим через первый отвод. Сумма взвешенных сигналов, снимаемых с отводов, образует выходное напряжение.

Электроды встречно-штыревого преобразователя, нанесенные на подложку, можно рассматривать как отводы линии задержки, а шины - как сумматоры.

Линия задержки

Вход

Выход

Рисунок 3.3 - Трансверсальный фильтр

В отличие от классического трансверсального фильтра у фильтра на ПАВ две системы отводов от линии задержки. Его характеристика определяется двумя преобразователями (входным и выходным), которые можно варьировать для формирования результирующей характеристики.

Если на входной ВШП фильтра подать д-импульс электрического напряжения, то от преобразователя будут распространяться поверхностные возмущения вида:



( 3.35)

где N₁ - число электронного входного преобразователя;

A_1i - "веса" электродов входного ВШП;

X_i - координаты точек максимального возбуждения ПАВ;

u - скорость ПАВ.

При прохождении возмущения под выходным ВШП за счет пьезоэффекта на электродах находятся заряды qi. Заряды возникают в моменты времени, соответствующие прохождению импульсов поверхностного напряжения под точками максимального возбуждения ПАВ.

Следовательно, сигнал на выходном преобразователе можно записать в виде:

(3.36)

Комплексная частотная характеристика четырехполюсника связана с его импульсной характеристикой h(t) Фурье преобразованием:

(3.37)

Фильтры на ПАВ относятся к классу неминимально-фазовых цепей, поэтому АЧХ и ФЧХ фильтра можно задавать независимо друг от друга. При постоянном шаге между штырями d можно реализовать АЧХ, симметричную относительно центральной частоты фильтра fо:



(3.38)

где х- скорость акустической волны в подложке; ?t- интервал дискретизации.

Кроме того, ВШП, симметричные относительно центрального электрода, имеют линейную ФЧХ:

(3.39)

По заданной передаточной функции определяется импульсная характеристика h(t) фильтра.

Обычно предполагают, что один из ВШП фильтра является широкополосным, а частотную характеристику формирует второй, полпсозадающий, ВШП. В таком случае широкополосный является преобразователем с малым числом отчетов импульсной характеристики и его полоса пропускания существенно превышает полосу пропускания второго ВШП. Импульсная характеристика широкополосного ВШП имеет малую длительность, поэтому импульсная характеристика всего фильтра совпадает с импульсным откликом второго ВШП.

В качестве фильтра-прототипа используют идеальный полосовой фильтр, частотная характеристика которого имеет вид:

H(f) = U_-1 (f - f₁) - U_-1 (f - f₂) (3.40)

где U_-1(x) = {0 при х < 0, 1 при х ? 0



Рисунок 3.4 - Частотная характеристика идеального полосового фильтра

Для импульсного отклика идеального полосового фильтра получаем:

(3.41)

где множитель е^j2рf₀^t соответствует переносу середины частотной характеристики на частоту f₀, множитель вида sin(х)/х является импульсной характеристикой h₀(t) низкочастотного прототипа фильтра.

Рисунок 3.5 - Импульсная характеристика идеального полосового фильтра

Из (3.31) следует, что



(3.42)

где х_n = рn(f₂ -f₁)/2f₀, т.е импульсная характеристика идеального полосового фильтра оказывается бескон...