авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 |

«Межвузовский сборник «Радиоэлектронная техника» 2010 г. МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение ...»

-- [ Страница 6 ] --

Дышловенко Павел Евгеньевич, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры САПР Улья новского государственного технического университета. Область научных интересов: теория конденсированного состояния, физика коллоидных систем, компьютерное моделирование, высокопроизводительные вычисления.

6. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ И КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА _ УДК. 681.518: 681. В. Г. Анисимов, И. С. Сысоев СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО СБОРА И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В статье рассматриваются особенности построения системы автоматического сбора и обработки информации, используемой в системе контроля и управления уровнем жидкости.

Приводится структура системы.

Автоматический сбор информации и последующая ее обработка исполь зуется в различных системах, использующихся практически во всех отраслях науки и техники. Трудности могут возникать при необходимости сбора и об работки информации с контролируемых объектов в режиме реального време ни. Контролируемые объекты могут находиться вне зоны прямой видимости их из места обработки информации. Поэтому возникает проблема передачи информации через соседние объекты, причем эта передача должна происхо дить в режиме реального времени и не создавать помех объектам, через кото рые она передается.

Одной из областей применения рассмотренных выше систем является система учета объема жидкостей в хранилищах, расположенных на значитель ных площадях. Внедрение такой системы позволит в режиме реального вре мени учитывать исходящий и входящий объем жидкости, оперативно пере распределять нагрузку на резервуары, входящие в хранилище, управлять по токами транспорта, доставляющего жидкость, или своевременно делать запро сы на пополнение хранимой жидкости, более эффективно использовать по тенциал хранилища.

Подобные хранилища могут располагаться на территории предприятия или являться отдельным объектом.

Предлагается использовать для решения задач, связанных с оперативным управлением хранилищем, систему, структурная схема которой представлена на рис. 1.

Система включает в себя блок датчика, блок обработки и передачи инфор мации и блок контроля и управления.

Рис. 1. Система контроля и передачи информации об уровне жидкости Блок датчика содержит датчик уровня жидкости, зная который, можно вы числить объем конкретного резервуара.

Блок обработки и передачи информации содержит АЦП, микроконтроллер, приемо-передающий модуль ZigBee, запоминающее устройство и, при необхо димости, исполнительное устройство.

Блок контроля и управления содержит приемо-передающий модуль ZigBee, устройство индикации и устройство управления.

Блок датчика и блок обработки и передачи информации устанавливаются на подконтрольном резервуаре. Блок контроля и управления размещается в об служиваемом помещении.

Система работает следующим образом. Информация с датчика уровня пе редается в блок обработки, где она преобразуется в цифровой вид с помощью АЦП, обрабатывается микропроцессором, записывается в запоминающее уст ройство для хранения данных по конкретному резервуару за требуемый проме жуток времени и передается с помощью приемо-передающего модуля в блок контроля и управления. В блоке контроля и управления информация обрабаты вается с помощью ПК со специализированным программным обеспечением.

В зависимости от варианта реализации в данной системе может присутствовать устройство управления, с помощью которого можно управлять исполнитель ными устройствами, такими как насосы, клапаны, и т. д.

Особенностью данной системы, определяющей ее преимущество перед дру гими системами, является использование в качестве радиопередающих модулей ZigBee, позволяющих строить сеть передачи информации по технологии mesh (по принципу самоорганизующихся сетей) и обеспечить возможность построе ния беспроводной системы контроля и управления, охватывающей большую площадь, в которой расстояния между отдельными объектами могут достигать полутора-двух километров. Такой тип сетей позволяет распознавать резервуары, выбирать маршрут доставки информации, исходя из загруженности того или ино го пути передачи информации. В отличие от других типов сетей, например сото вой, трафик, передаваемый по данному типу сети, является бесплатным.

В настоящее время ведется проектирование системы контроля и управ ления уровнем жидкости и отдельных ее элементов. Система автоматическо го сбора и обработки информации является составной частью системы кон троля и управления. Работы проводятся в рамках гранта по программе «У.М.Н.И.К» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в науч но-технической сфере.

Анисимов Владимир Геннадьевич, старший преподаватель кафедры «Радиотехника»

Ульяновского государственного технического университета. Область научных интересов: ан тенны и устройства СВЧ, измерение характеристик отражающих покрытий. E-mail: rt@ulstu.ru.

Сысоев Игорь Сергеевич, студент Радиотехнического факультета Ульяновского госу дарственного технического университета. Область научных интересов: электрорадиоизмере ния, автоматизация измерений. E-mail: rt@ulstu.ru.

_ _ О. В. Урлапов, Е. А. Панов, В. А. Ламзин КОНТРОЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ КРИСТАЛЛА СБИС В ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ Показана актуальность проблемы тепловыделения и теплового контроля для современ ных СБИС. Рассмотрены методы оперативного контроля температуры кристалла в современ ных процессорах. Путем регистрации температуры встроенного термодиода микроконроллера 32F103 RET6 в процессе решения вычислительной задачи при различном расположении отла дочной платы продемонстрирована возможность контроля качества теплотвода СБИС.

Наиболее опасными с точки зрения физической надежности сверхбольших интегральных схем (СБИС) считаются две группы процессов. Первая – элек трохимическое разрушение металлизации (электромиграция), вторая – дегра дация окисла, обусловленная дрейфом и диффузией ионов примесей и загряз нений в диэлектрике. Процессы обеих групп существенно ускоряются с увели чением температуры активной области СБИС. По результатам ускоренных ис пытаний нескольких серий зарубежных ИС средний срок службы ИС малой степени интеграции составляет 50–75 лет при температуре 60°C и всего лишь 1000–1500 ч при температуре 125°C. Оценки среднего срока службы сложных ИС (процессоров, микроконтроллеров) оказываются гораздо пессимистичнее, чем в случае простых ИС – не более 1000-1500 ч при температуре всего 85-90°C. Повышенная температура приводит к снижению и функциональной надежности, поскольку вероятность ложного переключения логических эле ментов увеличивается с ростом температуры.

Типичное значение теплового сопротивления переход-корпус СБИС состав ляет величину 0,5–0,6 К/Вт, а значение теплового сопротивления корпус-среда в современных конструкциях микропроцессорных устройств составляет 0,9– 1,1 К/Вт. Без принудительного охлаждения температура перехода современных СБИС будет существенно превышать предельно допустимое значение (125 135°C), поэтому современные процессоры работают с принудительным охлажде нием. При рассеиваемой мощности процессоров Athlon XP в пределах 60-70 Вт, температура кристалла при внешнем охлаждении достигает 80°C. Старшие моде ли процессора Pentium 4 на ядре 0,18 мкм (Willamette) характеризуются макси мальной тепловой мощностью 90-95 Вт и максимальной рабочей температурой кристалла при внешнем охлаждении – 90-100°C. Однако в процессе эксплуатации температура кристалла может выйти за эти пределы. К сверхнормативному пере греву кристалла БИС приводят несколько основных причин:

- дефекты монтажа и в частности изменение консистенции термопасты (за грязнение, высыхание, расслоение и т. п.) или несоответствие ее физико химических свойств установленным требованиям;

- повышенное напряжение питания, которое является таким же мощным катализатором деградации окисла и электромиграции, как и повышенная тем пература;

причем при повышении напряжения питания рассеиваемая мощность растет пропорционально U2;

- отказ или нарушение функционирования принудительного охлаждения (кулера, центробежного насоса, элементов Пельтье и т. п.), при этом достаточ но нескольких секунд, чтобы тепловое сопротивление системы охлаждения увеличилось в разы до значений в условиях естественной конвекции теплоно сителя, которое может составить от 1.5 К/Вт и выше.

Таким образом, контроль температуры кристалла процессоров и микро контроллеров в эксплуатационных режимах является весьма актуальной зада чей. Измерение температуры кристалла СБИС в различных режимах работы может служить информативным параметром для контроля качества как самой БИС, так качества монтажа СБИС на плате.

Механизмы нагрева логических элементов СБИС Элементной базой процессоров и обеспечивающих их работу СБИС ди намической памяти, контроллеров управления памятью и периферией явля ются логические элементы на МОП-транзисторах. Их основой являются ключи с динамической нагрузкой (рис. 1), выполненные по комплиментарной (КМОП) технологии.

Рассмотрим работу КМОП ключа с динамической нагрузкой процессы.

Через инвертор протекает ток в момент переключения (Iн на рис. 2), который перезаряжает емкость нагрузки, при этом сквозной ток практически отсутству ет. При переходе в состояние «0» (транзистор Т1 открыт, Т0 закрыт), на его ак тивное сопротивление разряжается емкость нагрузки и энергия этого тока пере ходит в тепло. А при переходе в состояние «1» (транзистор Т0 открыт, Т1 за крыт), емкость нагрузки заряжается импульсом тока от источника питания и мощность, выделившаяся на сопротивлении канала полевого транзистора, пе реходит в тепло. Рассеиваемая мощность определяется по формуле:

P=fпCнЕ2, (1) где fп – частота переключения;

Cн – емкость нагрузки инвертора;

Е – напряже ние питания инвертора.

Емкость нагрузки Cн суммируется из Cн инвертора, плюс Смс – емкости межсоединений, плюс Сиз0 – емкость исток – затвор Т0, плюс Ссз1 – емкость сток – затвор Т1, плюс Спосл – входная емкость последующих логических эле ментов, которая обычно равна по крайней мере входной емкости 2-х логиче ских ячеек. Спосл = 2(Сзи1 + Сзс1). В состоянии «0» или «1» закрыто верхнее или нижнее плечо инвертора, соответственно, и сквозной ток отсутствует.

Из (1) видно, что мощность, рассеиваемая таким инвертором при заданной частоте переключения, прямо пропорциональна емкости его нагрузки и квадра ту напряжения питания. Эта известная зависимость используется разработчи ками современных процессоров для повышения тактовой частоты, если она ог раничена выделяемой мощностью, снижая емкость нагрузки КМОП ключа.

А при снижении напряжения питания в 2 раза рассеиваемая мощность снижает ся в 4 раза. Так, напряжения питания ядра современных процессоров снизилось до 1,2 В, а емкость нагрузки разработчик снижает за счет снижения линейных размеров ключей и применения изоляционных материалов с малыми диэлек трическими проницаемостями.

Рис. 1. КМОП инвертор Рис. 2. Эпюры токов и напряжений с динамической нагрузкой в КМОП-инвертор Дальнейшее снижение напряжения питания затруднительно по различным причинам, а вот снижение технологических норм возможно вплоть до 22 нм и ниже. Это должно приводить к снижению выделяемой процессором мощности, но одновременно растет число транзисторов на кристалле. В результате, вы полненный по 90 нм техпроцессу и имеющий 125 млн транзисторов, процессор Pentium-4 с ядром Prescott (для примера, предыдущая версия Northwood – 55 млн) с тактовой частотой ядра 3,2 ГГц рассеивает до 84 Вт. При росте числа транзи сторов в 2,2 раза рост потребляемой мощности составляет на 2,5%, а уменьше ние размеров в техпроцессе – в 2 раза.

Следует отметить, ситуация с nМОП структурами несколько отличается.

Это связано с тем, что в такой структуре динамической нагрузкой является транзистор такой же структуры, что и активный ключ. Мощность, потребляе мая такой структурой, имеет постоянную составляющую, обусловленную про текающими сквозными токами при состоянии «0» (открытом нижнем плече ин вертора). И общая потребляемая структурой мощность равна:

P = Pст + Pдин.

Динамическая составляющая определяется (1) Pдин = fпCнЕ2, а статическая:

Pст = 0,25 E b0 (E – U0)2, где b0 – относительная крутизна транзистора Т0;

U0 – пороговое напряжение транзистора, остальные обозначения совпадают с (1).

Измерение температуры кристалла СБИС Поскольку главная цель температурного контроля – предотвращение пере грева процессора, то интерес представляет максимальная температура, до кото рой может нагреться кристалл при работе. Чтобы получить значение макси мальной температуры, необходимо нагрузить процессор специальным тестом, разогревающим процессор больше, чем какая-либо еще программа.

Заметим, что любые методы прямых измерений термопарой, термистором, тепловизором не позволят оценить температуру кристалла, поскольку сам кри сталл в этом случае оказывается недоступным, а температура корпуса ИС силь но зависит от его конструкции и внешних условий.

Общая схема контроля такова: на кристалле процессора находится термо датчик (диод или, как правило, транзистор в диодном включении), меняющий свои электрические параметры при изменении температуры. Если в качестве температурочувствительного параметра (ТЧП) используется прямое падение напряжения, то его величина меняется линейно с изменением температуры и программы, которые обращаются «непосредственно» к этому диоду, при соот ветствующей калибровке показывают реальную температуру в зоне расположе ния последнего. Температуры в других зонах ядра процессора могут быть од новременно ниже (или выше) измеренной на десятки градусов.

Если в качестве ТЧП используется обратный ток термодиода, сигнал с это го диода не может быть напрямую использован в качестве термометра, так как величина снимаемого с него сигнала находится в нелинейной зависимости от температуры. Поэтому необходимо проводить калибровку показаний термодат чика, чтобы получить реальные значения температуры. Эта задача решается электронной схемой, расположенной на материнской плате.

После калибровки данные о температуре выводятся на специальные про граммные интерфейсы платы, откуда они считываются средствами BIOS платы и программами температурного мониторинга.

Диоды-термодатчики расположены либо только в зоне наибольшего нагре ва каждого из процессорных ядер (все процессоры семейств Pentium и Core, кроме «мобильного» Core Duo), либо еще и в точке, равноудаленной от каждого из нескольких ядер («мобильный» Core Duo). Таким образом, каждое ядро в процессоре имеет один диод, сигнал с которого используется для:

а) программного мониторинга температуры;

б) активации термозащиты, когда сраниваются показания диода с «зашиты ми» в процессор двумя пороговыми значениями (если первое оказывается равно или меньше взятого с диода, то включаются TM1 и/или TM2, если второе – про исходит аварийное выключение системы).

Температуру отслеживают следующие програмные средства: Intel Thermal Analysis Tool (TAT);

Core Temp;

RMClock SpeedFan;

MobileMeter (для мобиль ных платформ). Какая из программ показывает самые близкие к реальности по казания, сказать в общем нельзя (зависит от платы и процессора). Часто меньше всех «врут» программы системного мониторинга, поставляемые вместе с платой.

Системы мониторинга температуры в современных процессорах Разработчики процессора Pentium 4 для обеспечения температурного ре жима на макроуровне усовершенствовали корпус процессора (заменой FC-PGA на FC-PGA2), на микроуровне – ввели новый инструмент термоконтроля – Thermal Monitor.

Корпус FC-PGA2 имеет интегрированный теплорассеиватель (integrated heat spreader), установленный на поверхности процессорного ядра (медная пла стина толщиной около 2 мм, покрытая тонким слоем никеля), которое умень шает полное тепловое сопротивление теплоотвода.

Термодиод нашел применение в современных процессорах Intel Pentium II/Celeron и в AMD Athlon MP/XP. При всех достоинствах термодиода общепри нятая практика его использования не всегда оказывается эффективной. При нор мальном функционировании процессора вполне возможны резкие скачки темпе ратуры – 30-50°С/с, а цифровые схемы мониторинга обычно считывают показания термодиода с частотой 8 отсчетов в секунду, т. е. имеют время преобразования от 125 мс и выше. При наличии резких изменений температуры преобразованное значение «отстает» от реальной температуры кристалла.

Во всех процессорах Intel, начиная с Pentium Pro, присутствует температур ный датчик и аналоговая схема сравнения, предназначенные для детектирования катастрофического перегрева. Этот датчик представляет собой транзистор в ди одном включении, но тут используется уже зависимость обратного тока перехо да от температуры. Обратный ток диода сравнивается гистерезисным компара тором с током опорного источника, который отрегулирован таким образом, что бы компаратор срабатывал на определенное значение температуры. Время от клика подобной схемы обычно не превышает нескольких сотен наносекунд, по этому выход температуры за допустимые рамки будет обнаружен практически мгновенно. В итоге, если температура процессора Intel превышает 125-135°С, описанная схема сравнения немедленно дает команду прекратить подачу син хросигнала на все процессорные узлы и выдает сигнал о катастрофическом пере греве и отключении питания процессора.

Для повышения эффективности термоконтроля разработана технология Thermal Monitor. Термодиод размещен в наиболее теплонагруженных «убыст ренных» АЛУ Pentium 4 и включен в дополнительную схему сравнения;

введе ны еще один порог температуры кристалла (85-90°С в зависимости от модели процессора), блок модуляции синхросигнала (Thermal Control Circuit) и не сколько новых регистров MSR. Система при превышении температурного по рога не отключает процессор, а время от времени прекращает подачу синхро сигнала на все жизненно важные процессорные блоки для снижения выделяе мой тепловой мощности.

Thermal Monitor имеет два режима работы – «Автоматический»

(Automatic) и «По требованию» (On-Demand). Автоматический режим включа ется BIOS-м материнской платы, и в случае перегрева активизируется блок мо дуляции синхросигнала, который «тормозит» процессор на 50% (т. е. время хо лостого и нормального цикла одинаково). Режим «По требованию» может быть включен программным обеспечением в любое время и вне зависимости от тем пературных условий с немедленной активизацией блока модуляции синхросиг нала. Этот режим уже позволяет варьировать длительность холостого цикла от 12,5% до 87,5%.

Механизм Thermal Monitor не является полностью независимым от сис темной логики – блок модуляции синхросигнала должен быть включен BIOS ом или системным ПО. Если система Thermal Monitor окажется неактивизиро ванной, что крайне маловероятно, Pentium 4 по-прежнему располагает схемой защиты от катастрофического перегрева, а также стандартным термодиодом.

Во-первых, в отличие от процессоров типа Pentium (начиная с Pentium Pro и выше) процессоры типа Athlon XP (как и все его предшественники) лишен схемы защиты от катастрофического перегрева, которые сегодня присутствуют не только в Pentium, но даже и во многих простых микроконтроллерах. В ре зультате, Athlon XP оказывается незащищенным от тепловых скачков.

Во-вторых, хотя Athlon XP и обладает термодиодом, но подавляющее большинство вполне современных материнских плат его не поддерживают!

Лишь отдельные платы воспринимают термодиод Athlon XP, например, модель D1289 от Fujitsu Siemens Computers имеет качественную поддержку термодио да, построеную по «классической» схеме (CPU Throttling), аналогичной Thermal Monitor. На материнских платах без поддержки термодиода в качестве датчика температуры используется термистор в сокете. Но термистор неадекватно от ражает температуру ядра и динамику ее изменения: разница между показания ми термистора и реальной температурой ядра может достигать 20-40°С. В этих условиях схема мониторинга не в состоянии распознать даже значительный «уход» температуры кристалла за границы безопасного диапазона, и, соответ ственно, предпринять необходимые действия для ее понижения.

Контроль температуры кристалла микроконтроллера С целью изучения возможности применения методики теплового монито ринга для контроля температуры кристалла микроконтроллеров нами проведе ны исследования температурных режимов микроконтроллера типа STM 32F RET6. Этот микроконтроллер обладает развитой переферией, высокой тактовой частотой и оснащен термодатчиком, сигнал с которого можно вывести для опе ративного контроля по заданному алгоритму с помощью простых команд.

Микроконтроллер был смонтирован на стандартной отладочной плате.

Для изменения условий теплоотвода эксперимент проводился при двух вариан тах расположения платы: 1 – в горизональном положении на столе;

2 – в верти кальном положении перпендикулярно плоскости стола. Для разогрева кристал ла контроллер нагружался различными вычислительными задачами. Значения температуры выводились и записывались в память управляющего компьютера через каждые 100 мкс.

График данных термодатчика в течении первой секунды работы контрол лера при решении тестовой задачи Test Whenstone показан на рис. 3. Скачкооб разный разброс показаний датчика на рис. 3, а определяется погрешностью дискретизации АЦП, преобразующего сигнал термодатчика.

а) б) Рис. 3. Графики изменения температуры кристалла микроконтроллера при решении вычислительной задачи по показаниям встроенного термодатчика до сглаживания (а) и после сглаживания (б) После сглаживания графика показаний термодатчика на рис. 3, б можно выделить участок быстрого (от 0 до 0,15 с), среднего (0,15 с до 0,7 с) и мед ленного (после 0,7 с) роста температуры. При вертикальном положении отла дочной платы сглаженный график изменения температуры термодатчика идет несколько ниже графика температуры при горизонтальном положении. То есть метод является достаточно чувствительным к условиям теплоотвода.

Предложенный подход может быть использован для контроля качества сборки как отдельных процессоров и микроконтроллеров, так и качества сборки микропроцессорных и микроконтроллерных устройств.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Криницин, В. Тепловой режим процессоров Pentium 4 и Athlon XP / В. Криницин. – Режим доступа : www.ixbt.com.

2. Степаненко, И. П. Основы микроэлектроники / И. П. Степаненко. – М. :

Советское радио, 1980.

3. Температура процессоров. – Режим доступа : Intel // www.forums.overclo-ckers.ru.

4. Intel® Pentium® 4 Processor in the 478- pin Package at 1.50 GHz, 1.60 GHz, 1.70 GHz, 1.80 GHz, 1.90 GHz, and 2 GHz Datasheet.

5. Intel® Pentium® 4 Processor in the 478-Pin Package Thermal Design Guidelines.

6. AMD Athlon™ XP Processor Model 6 Data Sheet.

7. Methodologies for Measuring Temperature on AMD Athlon™ and AMD Duron™ Processors.

8. AMD Thermal, Mechanical, and Chassis Cooling Design Guide.

Урлапов Олег Владимирович, канд. техн. наук, научный сотрудник УФИРЭ им. В. А. Котельникова РАН. Область научных интересов: автоматизация измерений, диаг ностический контроль элементов и изделий радиоэлектроники. E-mail: ufire@mv.ru.

Панов Евгений Анатольевич, аспирант базовой кафедры «Радиотехника, опто- и наноэлектроника» УлГТУ при УФИРЭ им. В. А. Котельникова РАН. Область научных интересов: контроль качества элементов и изделий радиоэлектроники, автоматизация из мерений. E-mail: ufire@mv.ru.

Ламзин Владимир Александрович, аспирант базовой кафедры «Радиотехника, опто и наноэлектроника» УлГТУ при УФИРЭ им. В. А. Котельникова РАН. Область научных ин тересов: измерение параметров полупроводниковых изделий. E-mail: lamzinvl@gmail.com.

7. ПРОБЛЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ _ _ УДК 621.397.2.037. В. Л. Карякин, Д. А. Калиновский, Д. В. Карякин ТЕХНОЛОГИИ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ И СЕТЕЙ ТЕЛЕРАДИОВЕЩАНИЯ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ Рассмотрены и проанализированы базовые принципы построения систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2. Дано качественное и количественное сравнение ра боты сетей цифрового телевидения первого и второго поколения.

Правительственная комиссия по телерадиовещанию под председательством первого вице-премьера Игоря Шувалова 7 июля 2011 года одобрила внедрение нового стандарта цифрового вещания DVB-T2 [1] в Российской Федерации.

ФГУП «Российская телевизионная и радиовещательная сеть» (РТРС) до конца года организует зоны опытного вещания в новом стандарте в Сочи и Казани.

Кроме того, РТРС предстоит разработать план перехода существующих сетей DVB-T цифрового телерадиовещания на стандарт DVB-T2. В этой связи тема статьи, посвященной рассмотрению технологий построения систем и сетей цифрового телерадиовещания в стандарте DVB-T2, является актуальной.

Подготовка статьи осуществлена на основе стандарта DVB-T2 [1], мате риалов доклада Европейского вещательного союза EBU (The European Broad casting Union) [2], демонстрационных материалов компании Rohde & Schwarz, публикаций авторов: И. Шахнович [3], Ник Уэллес и Крис Нокс [4].

DVB-T2 (DVB system for Terrestrial broadcasting) является стандартом вто рого поколения цифрового наземного телевидения. Стандарт DVB-T2 имеет существенные преимущества по сравнению со стандартом DVB-T [2].

Появление DVB-T2 мотивируется более высокой спектральной эффектив ностью при переходе от аналогового телевидения к DVB-T2, или при переходе от DVB-T на DVB-T2. Повышение спектральной эффективности означает, что при фиксированной ширине спектра может быть передано в эфир большее коли чество программ, или такое же количество программ с высоким аудио/видео ка чеством. Кроме того, стандарт DVB-T2 обеспечивает расширение зоны покры тия, улучшает качество цифрового телерадиовещания. Особенно это важно в об ластях перекрытия зон обслуживания передатчиков при мобильном приеме.

1. Базовые характеристики стандарта DVB-T 1.1. Коммерческие требования к DVB-T Стандарт DVB-T2 должен:

использовать имеющиеся внутренние установки антенн, иметь возмож ность использования существующих инфраструктур передатчиков. Это требо вание исключено при применении методов MIMO, которые используют новые приемные и передающие антенны;

обеспечить, в первую очередь, целевые услуги операторов для фиксиро ванного и портативного приема;

обеспечить не менее, чем на 30% больше возможностей по сравнению с DVB-T с теми же ограничениями планирования и условий работы;

предусматривать возможность повышения производительности одно частотной сети (Single Frequency Network – SFN) по сравнению с DVB-T;

иметь механизм обеспечения надежности для предоставления конкрет ных служб, то есть должна быть возможность обеспечения различных уровней устойчивости к некоторым услугам по сравнению с другими. Например, в рам ках одного канала 8 МГц должна быть возможность обеспечения услуг для приема на крыше и других услуг для портативного приема;

обеспечивать гибкость по пропускной способности и полосе частот;

обеспечивать уменьшение отношения пиковой мощности к средней мощности передаваемого сигнала.

1.2. Сравнительная оценка DVB-T и DVB-T По сравнению с DVB-T в DVB-T2 стандарте расширены параметры COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing – частотное уп лотнение ортогональных несущих с кодированием) модуляции.

1. Новое поколение защиты от ошибок FEC (Forward Error Correction) по зволило увеличить кратность модуляции до 256-QAM. В результате, скорость передачи информации значительно увеличивается.

2. Число несущих частот OFDM увеличено с 8 к до 32 к. В результате за щитный интервал уменьшен по отношению к длительности символа примерно на 18%, что повышает эффективность передачи полезной информации.

3. Новые защитные интервалы GI (Guard Interval): 1/128, 19/256, 19/128.

4. Оптимизировано число пилотных несущих в соответствии с изменения ми защитного интервала GI. Уменьшение количества пилотных несущих в результате оптимизации составляет примерно 10%.

5. Расширена на 2% пропускная способность канала 8 МГц: 7,77 МГц вместо 7,61 МГц.

6. Расширено перемежение, в том числе перемежение бит, ячеек по време ни и частоте.

7. Имеется возможность использования трех новых полос пропускания сигнала: 1,7 МГц, 5 МГц и 10 МГц.

Расширенный диапазон параметров COFDM позволяет значительно повы сить спектральную эффективность телерадиовещания в стандарте DVB-T2 по сравнению со стандартом DVB-T.

В сочетании с улучшенной коррекцией ошибок кодирования стандарт DVB-T2 позволяет увеличить производительность одночастотных сетей SFN до 50%.

Для повышения гибкости и надежности в критических условиях приема стандарт DVB-T2 предоставляет также ряд новых возможностей:

вращение созвездия, которое обеспечивается в различных видах моду ляции, чтобы обеспечивать получение наивысшей кодовой скорости сигналов в сложных каналах передачи данных;

специальные методы уменьшения отношения пиковой к средней мощно сти (PAPR – Peak to Average Power Ratio) передаваемого сигнала, которые при водят к повышению эффективности высокочастотных усилителей мощности;

режим передачи MISO (multiple input single output – много входов, один выход) с использованием модифицированной формы кодирования Alamouti, позволяющей улучшить качество цифрового телерадиовещания в областях пе рекрытия зон обслуживания передатчиков.

1.3. Режим MISO Для одночастотных SFN сетей введен режим MISO, благодаря которому удается уменьшить интерференционные искажения сигналов в областях пере крытия зон обслуживания передатчиков.

Основное отличие вещания в режиме MISO и стандартного сетевого веща ния заключается в том, что в режиме MISO формируются две различные версии полезного сигнала в передатчиках соседних зон цифрового телерадиовещания.

Обработка сигнала в режиме MISO, осуществляемая с помощью модифи цированного алгоритма Alamouti, позволяет уменьшить пороговое отношение сигнал/шум, при котором обеспечивается почти безошибочный прием инфор мационного сигнала.

Режим MISO также обеспечивает уменьшение неравномерности границ зон обслуживания. Локальные впадины и неравномерность границ зон вещания образуется благодаря интерференционному взаимодействию сигналов соседних передатчиков одночастотной сети.

В портативных и мобильных сетях, как правило, кодирование Alamouti наиболее эффективно, поскольку сети содержат всенаправленные антенны приема, что увеличивает вероятность перекрытия зон обслуживания пере датчиков.

В фиксированных сетях приема с относительно высокой направленностью антенн режим MISO нецелесообразен, кроме случая, когда передающие антен ны расположены относительно близко друг к другу и излучение соседних пере датчиков попадает в пределы ширины пучка диаграмм направленности боль шинства приемных антенн.

2. Базовые принципы построения систем и сетей стандарта DVB-T Общая схема обработки сигналов в системе DVB-2T существенно услож няется (рис. 1-7) по сравнению с системой стандарта DVB-T.

Система DVB-T2 способна передавать несколько независимых мультиме дийных потоков, каждый со своей схемой модуляции, скоростью кодирования и временными интервалами. Возникает относительно сложная структура обра ботки сигналов как на логическом, так и на физическом уровне. Соответствен но, в системе DVB-T2 появляется новая функция – предварительная обработка входных потоков (рис.1).

Рис. 1. Обобщенная структурная схема системы стандарта DVB-T Здесь TS (Transport Stream) – транспортный поток, GS (Generic Stream) – общий поток.

Модуль входной обработки одиночного входного потока представлен на рис. 2. Он включает в себя режим адаптации данных и адаптацию потока.

Рис. 2. Cхема модуля входной обработки для режима «A» (один канал PLP) CRC (Cyclic Redundancy Check) – циклическая проверка избыточности, BB (BaseBandFrame) – кадры базового диапазона (BB–кадры), PLP (Physical Layer Pipe) – канал на физическом уровне.

8-разрядный кодер CRC-8 применяется для обнаружения ошибок на уров не пользовательских пакетов UP (User Packet).

Схема адаптации данных в режиме «B» для нескольких входных потоков представлена на рис. 3.

Модуль режима адаптации данных в режиме «B» включает в себя вход ной интерфейс, за которым следуют три дополнительных подсистемы:

синхронизации входного потока;

удаления нулевого пакета;

циклической проверки избыточности.

Модуль режима адаптации может обрабатывать входные данные в одном из двух режимов: в обычном режиме (Normal Mode, NM) или в режиме высокой эффективности (High Efficiency Mode, HEM).

Рис. 3. Адаптация данных в режиме «B» (несколько каналов PLP) С выходов модуля адаптации данных входные потоки поступают на мо дуль адаптации потоков (рис. 4).

Рис. 4. Адаптация потоков в режиме «B» (несколько PLP) Сформированные в виде потоковых кадров данные обрабатываются в мо дуле (рис. 5) перемежения бит, кодирования и модуляции – BICM (Bit Inter leaved Coding and Modulation).

Рис. 5. Перемежение бит, кодирование и модуляция (BICM) BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem multiple error correction binary block code) – блоковый кодер Боуза-Чоудхури-Хоквингема, LDPC (Low Density Parity Check) – низкоплотностный код с проверкой на четность.

Этот модуль выполняет внешнее кодирование BCH, внутреннее кодиро вание LDPC, перемежение бит, перемежение ячеек и временное перемежение.

В модуле введена также процедура вращения модуляционных символов на комплексной плоскости. Угол вращения зависит от числа уровней модуляции (29° для QPSK, 16,8° – для 16-QAM, 8,6° для 64-QAM и arctg(1/16) для 256-QAM).

Перед началом вращения квадратурная (Q) координата каждого модуляци онного символа циклически сдвигается в рамках одного кодового слова (т. е.

берется из предыдущего символа этого слова, Q-компонента первого символа становится равной Q-компоненте последнего). После поворота сигнального со звездия каждая точка имеет уникальные Q- и I-координаты, что существенно снижает вероятность их одновременной деградации как из-за случайных им пульсных помех, так и по причине селективных затуханий в канале.

В составе модуля BICM имеются блоки сигнализации L1, обеспечивающие прием и декодирование и получение доступа к физическим каналам. С выходов мо дуля BICM обработанные потоки данных поступают на входы формирователя кад ров (рис. 6). В функции формирователя кадров входит создание исходных массивов ячеек PLP и L1 для OFDM символов, которые составляют общую структуру кадра.

Формирователь кадров работает в соответствии с динамической информации, под готовленной диспетчером и конфигурацией кадровой конструкции.

Рис. 6. Формирователь кадров В функции модуля гененерации OFDM сигнала (рис. 7) входит формиро вание пилотных частот, позволяющих приемнику компенсировать искажения, вносимые каналом передачи, обеспечить синхронизацию приемника, а также передачу необходимых канальных параметров. Затем вставляются защитные интервалы и, если необходимо, применяются специальные методы PAPR уменьшения отношения пиковой к средней мощности передаваемого сигнала.

Рис. 7. Генерация OFDM Режим передачи MISO с применением модифицированной формы кодиро вания Alamouti используется опционно. Он позволяет улучшить качество циф рового телерадиовещания при взаимном влиянии передатчиков в зонах обслу живания. Для указания типа и основных параметров передачи вставляется сиг нальный символ P1 (рис. 7).

1. Актуальность изучения технологий построения цифрового ТВ в стан дарте DVB-T2 в настоящее время определяется решением правительства РФ и руководства РТРС 7 июля 2011 года о переходе на второе поколение цифрового наземного телерадиовещания, обеспечивающего более высокую спектральную эффективность и качество вещания по сравнению со стандартом DVB-T перво го поколения.

2. Сформулированные на основе стандарта [1] и доклада Европейского ве щательного союза EBU [2] реализуемые коммерческие требования к DVB-T позволяют дать качественное и количественное сравнение работы сетей ЦТВ первого и второго поколения.

3. Проанализированы новые режимы работы сетей цифрового ТВ второго по коления, позволяющие обеспечить высокую кодовую скорость передачи данных, уменьшить отношение пиковой к средней мощности, улучшить качество цифрово го телерадиовещания в областях перекрытия зон обслуживания передатчиков.

4. На основе стандарта DVB-T2 [1] рассмотрены и проанализированы ба зовые принципы построения систем и сетей телерадиовещания:

схема модуля входной обработки для режима «A» (один канал PLP);

адаптация данных в режиме «B» (несколько каналов PLP);

адаптация потоков в режиме «B» (несколько PLP);

перемежение бит, кодирование и модуляция (BICM);

формирование кадров;

генерация OFDM.

5. Анализ базовых принципов построения ЦТВ в разделе 2 позволяет сформулировать основные отличия методов обработки сигналов в сетях DVB 2T по сравнению с сетями стандарта DVB-T, которые заключаются в способно сти передавать несколько независимых мультимедийных потоков, в отличие алгоритмов внешнего и внутреннего кодирования, перемежения и технологии формирования сигнальных созвездий.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. ETSI EN 302 755 V1.2.1 (2011-02), "Digital Video Broadcasting (DVB);

Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televi sion broadcasting system (DVB-T2)", ETSI, Sophia Antipolis, 2011. – 177 p.

2. EBU, “Frequency and Network Planning Aspects of DVB-T2", Status: Re port, Geneva, 2011. – 89 p.

3. Шахнович, И. Новый стандарт цифрового телевизионного вещания / И. Шахнович // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. – 2009. – №6. – С. 30-35.

4. Уэллес, Н. DVB-T2: Новый стандарт вещания для телевидения высокой четкости / Н. Уэллес, К. Нокс // Теле-Спутник. – 2008. – №11. – С. 92-97.

Карякин Владимир Леонидович, д-р техн. наук, профессор кафедры РРТ Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики. Область научных интере сов: цифровые системы связи и телекоммуникационные сети. E-mail: karyakin@psati.ru.

Карякин Дмитрий Владимирович, канд. техн. наук, менеджер по эксплуатации де партамента магистральной сети ОАО Мегафон. Область научных интересов: цифровые сис темы связи и телекоммуникационные сети. E-mail: karyakin@psati.ru.

Калиновский Дмитрий Анатольевич, директор филиала РТРС «Самарский ОРТПЦ».

Область научных интересов: цифровые системы связи и телерадиовещательные сети.

_ _ УДК 621.397.2.037. В. Л. Карякин, Д. А. Калиновский, Д. В. Карякин СПЕЦИФИКАЦИЯ РЕЖИМОВ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ И СЕТЕЙ ТЕЛЕРАДИОВЕЩАНИЯ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ Представленная спецификация режимов цифрового телерадиовещания раскрывает принципы работы систем и сетей стандарта DVB-T2. Позволяет более глубоко изучить тех нические возможности нового стандарта. Является продолжением статьи «Технологии по строения цифровых систем и сетей телерадиовещания второго поколения».

Материал данной работы, посвященной рассмотрению режимов работы цифрового телерадиовещания, является логическим продолжением статьи ав торов «Технологии построения цифровых систем и сетей телерадиовещания второго поколения». Актуальность темы очевидна в связи с решением прави тельственной комиссии по телерадиовещанию под председательством первого вице-премьера Игоря Шувалова 7 июля 2011 года о внедрении нового стандар та цифрового вещания DVB-T2 [1] в Российской Федерации.

Подготовка статьи осуществлена на основе стандарта DVB-T2 [1], мате риалов доклада Европейского вещательного союза EBU (The European Broad casting Union) [2], демонстрационных материалов компании Rohde & Schwarz, публикаций авторов: И. Шахнович [3], Ник Уэллес и Крис Нокс.

Настоящая статья дополняет рассмотренные в предыдущей работе авторов базовые принципы построения систем и сетей телерадиовещания.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИСТЕМ И СЕТЕЙ ТЕЛЕРАДИОВЕЩАНИЯ СТАНДАРТА DVB-T BB-кадры и помехоустойчивое кодирование В стандарте различаются три основных типа потоков: транспортный поток (Transport Stream – TS), обобщенный инкапсулированный поток (Generic Stream Encapsulation – GSE) и обобщенный непрерывный поток (Generic Continuous Stream – GCS). Каждый поток представляет собой последовательность пользо вательских пакетов (UP – User Packet).

Транспортный поток TS – это последовательность пакетов фиксированной длины (пакеты MPEG-2 длиной 188 байт).

Поток GSE характеризуется пакетами переменной или фиксированной длины, которая указывается в заголовках этих пакетов.

Поток GCS представляет собой непрерывный поток битов. Реально, это или последовательность пакетов без указания их длины, или пакеты макси мально возможной длины 64 Кбит.

Пакеты каждого магистрального потока объединяются в потоковые ВВ –кадры (рис.1).

Рис. 1. Структура потокового BB-кадра ВВ-кадр содержит ВВ-заголовок (80 бит), поле данных и поле выравнива ния. В последнем можно передавать данные внутриканальной сигнализации.

В заголовке пакета содержится информация о типе транспортного потока, раз мере пользовательского пакета (при необходимости) и всего поля данных, на личии режимов удаления пустых пакетов.

Стандарт DVB-T2 ориентирован на передачу телевизионных потоков, в которых для выравнивания скорости потока используются пустые пакеты. По этому в DVB-T2 предусмотрены средства удаления этой избыточной информа ции, но с возможностью ее восстановления на приемном конце.

При канальном кодировании в DVB-T2 используется, как и в DVB-T, кас кадное включение внешнего и внутреннего кодеров. Как отмечалось ранее, в ка честве внешнего применен блоковый кодер Боуза-Чоудхури-Хоквингема (ВСН).

Внутренним является кодер LDPC с проверкой на четность. Эффектив ность исправления ошибок в системах стандарта DVB-T2 благодаря каскадно му включению кодеров BCH и LDPC (BCH&LDPC) значительно выше по сравнению с кодерами Рида-Соломона и Витерби, применяемыми в системах стандарта первого поколения DVB-T. В результате, в системах и сетях SFN стандарта DVB-T2 скорость кодирования может быть намного выше, и общая пропускная способность канала существенно возрастает.

Структура потокового FEC-кадра с BCH&LDPC кодированием представ лена на рис. 2. Полная длина кадра с наложенным помехозащитным кодирова нием составляет 64 800 бит.

В качестве опции допускается и более короткий вариант FEC-кадра дли ной в 16 200 бит. Он может применяться для уменьшения задержек приема низ коскоростных услуг.

Рис. 2. Структура потокового FEC-кадра Модуляция При разработке DVB-T2 проводились сравнения нескольких вариантов модуляции. В результате, был выбран вариант COFDM c защитными интерва лами GI (Guard Interval), который используется в DVB-T.

В COFDM каждый символ содержит большое количество ортогональных не сущих, модулируемых одновременно по фазе и амплитуде. В частности, DVB-T предусматривает два режима: 2k и 8k. Эти цифры отражают размерность обратно го быстрого преобразования Фурье IFFT (Inverse fast Fourier transform), исполь зуемого для формирования сигнала с множественными несущими.

Длина защитного интервала выбирается в зависимости от протяженности эфирного тракта и других параметров сети передачи. Более длинные защитные интервалы требуются в одночастотных сетях, где сигналы с соседних передат чиков могут приходить на приемник со значительным запаздыванием относи тельно основного сигнала. Защитный интервал представляет собой надстройку в символе, уменьшающую долю транспортного ресурса. В DVB-T эта над стройка может занимать до 1/4 общего объема передаваемых данных.

C целью уменьшения доли защитного интервала в общем объеме данных в DVB-Т2 введены два новых режима: 16k и 32k с соответствующем увеличени ем числа ортогональных несущих частот.

Рис. 3 иллюстрирует переход к режиму с большим числом несущих частот.

В данном случае абсолютная величина защитного интервала сохраняется, но его доля в общем объеме снижается с 25% до 6%, что значительно повышает производительность системы передачи данных.

Рис. 3. Сравнительная оценка доли защитного интервала GI в общей длительности символа для режимов 8k и 32k Максимальная длительность защитного интервала в DVB-Т2 превышает 500 мкс, что вполне достаточно для строительства крупной региональной одно частотной сети.

Таким образом, DVB-Т2 предлагает более широкий ряд размерностей IFFT и защитных интервалов. А именно:

размерности IFFT: 1k, 2k, 4k, 8k, 16k, 32k;

относительная длительность защитных интервалов: 1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128, 1/4.

Как уже отмечалось, в COFDM каждая несущая модулируется по фазе и амплитуде. В стандарте DVB-T высшей является 64-позиционная квадратурная амплитудная модуляции (64 QAM), при которой обеспечивается передача 6 бит информации одной несущей.

В DVB-Т2 число позиций увеличено до 256. При этом передается одной несущей 8 бит информации. Увеличение числа позиций модуляции неизбежно приводит к уменьшению помехозащищенности. Однако, благодаря кодирова нию LDPC&FEC, удается значительно снизить вероятность ошибок и увели чить эффективность использования канала по сравнению с DVB-T до 50%.

Расширенный спектр в режиме 32k стандарта DVB-Т2 имеет низкий уровень внеполосных составляющих, соизмеримый с уровнем нормального (не расширен ного) спектра, и значительно ниже по сравнению с уровнем в режиме 2k (рис. 4).

Расширение на 2% пропускной способности канала 8 МГц (7,77 МГц вме сто 7,61 МГц) позволяет дополнительно повысить производительность системы передачи данных.

Распределенные пилот-сигналы Пилот-сигналы служат для передачи служебной информации и несут деко деру информацию о параметрах сигнала, используются для синхронизации, оценки качества канала передачи данных и компенсации канальных искажений.

Рис. 4. Фрагмент теоретического DVB-T2 спектра канала 8 МГц, GI = 1/ Различают непрерывные пилот-сигналы, передаваемые на одной и той же несущей, и распределенные, передаваемые на нескольких несущих, пилот сигналы закрытия кадров. Переменные пилот-сигналы, используемые в DVB T2 для оценки качества канала, должны располагаться достаточно плотно для слежения за изменениями в каждой из ячеек символов в зависимости от часто ты и времени. В DVB-T2 возможен выбор из 8 различных моделей пилот сигналов РР1 - РР8, что дает возможность системе адаптироваться к конкрет ным сценариям канала.

Наиболее устойчивой к интерференции является модель PP1 (рис. 5), имеющая небольшое расстояние между пилот-сигналами.

Рис. 5. Шаблон PP1 (MISO) распределенных пилот-сигналов В то же время, благодаря увеличению этого расстояния модели PP6 (рис. 6) и PP7 являются наиболее уязвимыми к интерференции, но обеспечивают более высокую производительность передачи информации.

Рис. 6. Шаблон PP6 (MISO) распределенных пилот-сигналов Выбор определенной модели распределения пилот-сигналов должен быть осуществлен исходя из компромисса между качеством передаваемой информа ции (вероятностью ошибок на бит) и производительностью работы системы (скоростью передачи данных).

В результате, если в DVB-T распределенные пилот-сигналы составляют 8% всех несущих (фиксированная модель), то в DVB-T2 этот показатель варьи руется в пределах от 1% до 4%.

Структура кадра DVB-T2 и дифференцированная помехоустойчивость отдельных услуг Структура кадра DVB-T2 показана на рис. 7. На верхнем уровне структура кадра состоит из суперкадров, которые делятся на DVB-Т2 кадры (в дальней шем сокращенно – T2 кадры), состоящие из символов OFDM. Суперкадр мо жет иметь часть для будущего расширения кадра FEF (Future Extension Frame).

Рис. 7. Структура кадра DVB-T2: суперкадры, кадры и OFDM символы Кадр физического уровня T2 (рис. 7) начинается с преамбулы Р1, являю щейся OFDM символом (рис. 8) с дифференциальной фазовой модуляцией DBPSK (Differential phase shift keying), защитными интервалами с двух сторон (в сумме 1/2 длительности символа). Для канала 8 МГц общая длительность символа 224 мкс, включающая длительность полезной части «А» символа TPA = 112 мкс плюс два защитных интервала «С» и «B» длительностью TP1C = 59 мкс и TP1B = 53 мкс (рис. 8). Символ P1 служит для синхронизации, идентификации потока DVB-T2, а также содержит информацию о Т2 кадре, а именно число но минальных несущих в OFDM (1k–32k) и формат передачи следующей за Р преамбулы Р2 (режимы MISO или SISO).

Рис. 8. Структура символа P Вся остальная информация о Т2 кадре (длина, модуляция, скорость коди рования и т. п.) передается в преамбуле Р2, которая может занимать несколько OFDM-символов. Далее следует поле данных (информационные OFDM симво лы). Замыкает Т2 кадр специальный завершающий OFDM-символ (рис. 5, 6).

Коммерческие требования к DVB-T2 включали обеспечение различных уровней помехоустойчивости для разных услуг. Это может обеспечиваться ис пользованием разных схем модуляции и степени помехоустойчивого кодирова ния. В DVB-T2 это достигается путем группировки OFDM символов внутри кадра так, что каждая услуга передается цельным блоком, занимающим в кадре определенный слот (рис. 9).

Общий PLP – это информация, общая для группы из нескольких PLP (напри мер, таблицы программ и сервисов PSI/SI для нескольких транспортных потоков).

Потоки PLP типа 1 в Т2-кадре не подразделяются на фрагменты – иными словами, в каждом Т2-кадре может быть только один фрагмент каждого PLP типа 1.

Наконец, потоки типа 2 могут в пределах Т2-кадра разделяться на не сколько фрагментов (от 2 до 6480).

Рис. 9. Структура объединения услуг в T2 кадре Перемежение В DVB-T2 используется три каскада перемежений. Это практически гаран тирует, что искаженные элементы, в том числе при пакетных ошибках, после деперемежения в декодере будут рассосредоточены по LDPC FEC-кадру. Это должно позволить декодеру LDPC выполнить восстановление.


Перечислим эти каскады:

а) битовый перемежитель: рандомизирует биты в пределах FEC-блока;

б) временной перемежитель: перераспределяет данные FEC-блока по сим волам в рамках кадра DVB-T2. Это повышает устойчивость сигнала к импульс ному шуму и изменению характеристик тракта передачи;

с) частотный перемежитель: он рандомизирует данные в рамках OFDM символа с целью ослабить эффект селективных частотных замираний.

Поворот сигнального созвездия и циклические Q задержки DVB-T2 использует QPSK, 16 QAM, 64QAM и также 256QAM. Кроме того, сигнальное созвездие может быть повернуто в I/Q системе координат (рис. 10).

Такой поворот может существенно повысить устойчивость сигнала к воздейст вию помех эфира. Благодаря повороту диаграммы на точно подобранный угол для каждого вида модуляции (29° – для QPSK, 16,8° – для 16-QAM, 8,6° – для 64-QAM и arctg(1/16) для 256-QAM) созвездие приобретает уникальные I,Q ко ординаты (рис. 10).

Рис. 10. Повернутое созвездие для 16-QAM модуляции Перед началом вращения квадратурная (Q) координата каждого модуляци онного символа циклически сдвигается, т. е. берется из предыдущего символа.

Сеть в режиме MISO Как отмечалось ранее, для одночастотных SFN сетей введен режим MISO, благодаря которому удается уменьшить интерференционные искажения сигна лов в областях перекрытия зон обслуживания передатчиков.

Общая конфигурация сети MISO показана на рис. 11. Из схемы видно, что одним из основных пунктов отличия MISO и стандартного сетевого вещания в том, что в MISO сети передается две различных версии полезного сигнала од новременно. Обычно передатчики географически отделены друг от друга. Пе редача нескольких версий полезного сигнала в режиме MISO позволяет повы сить отношение сигнал/шум в сети или увеличить скорость передачи данных.

Стандарт DVB-T2 основан на модифицированном виде схемы Alamouti, одном из целого ряда различных возможностей. Одним из основных преиму ществ этой конкретной схемы является то, что он может быть реализован отно сительно простым способом. Использование только одной приемной антенны схема Alamouti позволяет получить значительное улучшение сигнал/шум.

Рис. 11. Обобщенная сеть DVB-T2 MISO Основные операции Alamouti в сети на основе MISO можно понять, обра тившись к рис. 11. Каждый из нескольких передатчиков сети входит в одну из двух групп, где каждый передатчик рассматривается как источник полезной информации в паре ячеек.

Источники сигнала первой группы передают немодифицированную вер сию каждого созвездия, такой, какой они были бы в «стандартных» SFN. Пер вая пара ячеек показана как C0 и C1 на схеме.

Источники сигнала во второй группе передают измененную версию пары каждого созвездия в обратном порядке. 2-я группа передает C1* и С0*, где * означает операцию сопряжения.

Приемник восстанавливает компоненты из комбинированных сигналов относительно простым способом, который не требует больших дополнительных сложностей по сравнению со стандартным приемником без обработки по алго ритму MISO.

На схеме также показаны две части оборудования, которые необходимы для того, чтобы сеть работала правильно: T2 шлюз и DVB-T2 модуляторы. T2 шлюз (интерфейс T2 модуляторов) производит T2-MISO поток, который содержит всю информацию, необходимую для описания содержания и меток времени Т2 кад ров. T2-MISO поток подается на Т2 модуляторы, которые обеспечивают тре буемые задержки и Alamouti кодирование. Все передатчики в MISO сети привя заны к базовой частоте. Таким образом, сигналы синхронизированы по частоте и времени так же, как в «стандартной» сети SFN. Обычно для этой цели ис пользуется GPS. Стоит также отметить, что на рисунке показано неограничен ное количество передатчиков на группу. Хотя это возможно, это не бывает на практике. При построении DVB-T2 MISO сети на каждую группу приходится два или три передатчика.

Уменьшение отношения пиковой к средней мощности передачи Значительную долю расходов на передачу составляет стоимость электри чества, питающего передатчики. COFDM сигналы характеризуются относи тельно высоким отношением пиковой к средней мощности. В связи с этим в DVB-T2 включены две технологии PAPR, позволяющие снизить это отношение примерно на 20%. А это, в свою очередь, существенно снижает расходы на электропитание. Речь о следующих двух технологиях:

1. Резервирование тона. В этом случае 1% несущих остается в резерве, не перенося никаких данных, но может использоваться передатчиком для введе ния сигналов, размазывающих пики.

2. Активное расширение сигнального созвездия. В этом случае часть край них точек созвездия отводится дальше от центра так, что это уменьшает пики сигналов. Так как изменения касаются только крайних точек, уводимых в об ласть, свободную от других точек, это не оказывает существенного влияния на способность ресивера декодировать данные.

Дополнительные функции Спецификация Т2 включает два дополнительных инструмента, которые в перспективе можно будет использовать для расширения кадра. Во-первых, структура кадра Т2 предусматривает возможность введения сигнализации для еще несуществующих типов кадров, которые будут предназначены для пока еще не определенных типов сигналов (рис. 12).

Рис. 12. Сосуществование T2 кадров и расширение FEF То есть содержание кадров будущего расширения FEF (Future Extension Frames) пока не определено. Включение соответствующей сигнализации в спе цификацию Т2 позволит ресиверам первого поколения распознать и проигно рировать FEF фрагменты. Но забронированное уже сегодня место обеспечит обратную совместимость первых систем передачи с будущими, в которых эта сигнализация будет переносить информацию о новых типах содержимого.

DVB-T2 также включает сигнализацию, необходимую для будущего при менения частотно-временных срезов TFS (Time Frequency Slicing). Хотя основ ная спецификация предусматривает прием без применения TFS, в сигнализа цию включены метки, которые позволят будущим ресиверам, оснащенным двумя тюнерами, работать с TFS-сигналами.

Такой сигнал будет занимать несколько РЧ-каналов, и разные фрагменты каждой из услуг будут в общем случае передаваться на разных частотах. Реси вер будет скачками перестраиваться с канала на канал, собирая фрагменты дан ных, относящихся к принимаемой услуге. Это позволит формировать пакеты с размерами, значительно превышающими допустимые для одного РЧ-канала, что, в свою очередь, даст возможность выигрыша благодаря статистическому мультиплексированию значительного количества каналов и гибкости частотно го планирования.

В связи с решением правительственной комиссии под председательством первого вице-премьера Игоря Шувалова 7 июля 2011 года о переходе Россий ской Федерации к стандарту телерадиовещания второго поколения тема статьи, являющейся логическим продолжением работы авторов «Технологии построе ния цифровых систем и сетей телерадиовещания второго поколения», безус ловно, актуальна.

Представленная спецификация режимов цифрового телерадиовещания раскрывает принципы работы систем и сетей стандарта DVB-T2, что дополняет рассмотренные в предыдущей работе базовые принципы построения сетей те лерадиовещания и позволяет более глубоко изучить технические возможности нового стандарта.

Основные результаты, изложенные в двух статьях авторов, посвященных рассмотрению технологии цифрового телерадиовещания в стандарте DVB-T2, будут полезны для специалистов, занимающихся проектированием, разработ кой и эксплуатацией телевизионных систем и сетей второго поколения в зонах опытного вещания.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. ETSI EN 302 755 V1.2.1 (2011-02), "Digital Video Broadcasting (DVB);

Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televi sion broadcasting system (DVB-T2)", ETSI, Sophia Antipolis, 2011. 177 p.

2. EBU, “Frequency and Network Planning Aspects of DVB-T2", Status : Re port, Geneva, 2011. 89 p.

3. Шахнович, И. Новый стандарт цифрового телевизионного вещания / И. Шахнович // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. – 2009. – №6. – С. 30-35.

Карякин Владимир Леонидович, д-р техн. наук, профессор кафедры РРТ Поволжско го государственного университета телекоммуникаций и информатики. Область научных ин тересов: цифровые системы связи и телекоммуникационные сети. E-mail: karyakin@psati.ru.

Карякин Дмитрий Владимирович, канд. техн. наук, менеджер по эксплуатации де партамента магистральной сети ОАО Мегафон. Область научных интересов: цифровые сис темы связи и телекоммуникационные сети. E-mail: karyakin@psati.ru.

Калиновский Дмитрий Анатольевич, директор филиала РТРС «Самарский ОРТПЦ».

Область научных интересов: цифровые системы связи и телерадиовещательные сети.

_ _ УДК 621. И. В. Ханин, Е. В. Мартяшин АВТОНОМНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО МОНИТОРИНГА СОТОВОЙ СЕТИ Рассматриваются основные принципы построения автономного комплекса для непре рывного мониторинга сотовой сети. Приведены алгоритмы работы составных частей комплек са, рассмотрены отличительные особенности работы системы в целом.

Для снижения затрат на перманентный мониторинг сотовой сети создана модель информационно-измерительной сети, где в качестве измерительного комплекса выступает автономный терминал, установленный на транспортное средство. Совокупность множества автономных терминалов представляет со бой распределенную измерительную сеть. Схема данной сети с одним термина лом представлена на рис. 1.

  Рис. 1. Структурная схема сети Основу мобильного терминала составляет одноплатный компьютер, ко торый осуществляет первичное накопление и обработку информации, а также отвечает за формирование пакетов и их отправку на сервер по доступному ка налу связи. Процессор Atom является x86 совместимым, что позволяет реализо вывать довольно сложные алгоритмы первичной обработки с использованием высокоуровневых языков, что невозможно реализовать на микроконтроллерах или ПЛИС. Питание АПК осуществляется от бортовой сети транспортного уст ройства через конвертер питания, что позволяет нормализовать уровень и ста билизировать скачки напряжения, возникающие в процессе эксплуатации транспортного средства. Вычисление текущего местоположения осуществляет ся при помощи GPS-приемника, подключенного к USB-порту компьютера.


Временная синхронизация с сервером также осуществляется с помощью GPS приемника. Сбор измерительной информации производится модемом, подклю ченным к USB- порту компьютера. Модем определяется системой как COM порт;

обмен ведется с использованием стандартного интерфейса.

Рассмотрим работу системы более подробно. Алгоритм работы клиента представлен на рис. 2.

Рис. 2. Алгоритм работы клиентской части системы Клиент начинает свою работу с загрузки первичных настроек из файла.../set.css. В начале определяется режим работы клиента, это может быть режим измерения скорости интернет соединения в сетях 2G или 3G, режим измерений параметров речевого вызова в сети GSM-второго поколения. Данный файл удаленно контролируется с серверной части системы, но также возможен и локальный контроль файла. Структура данных в файле следующая:

время сессии до выхода на связь клиента с сервером;

время проведения измерений при активном голосовом вызове;

время проведения измерений в режиме ожидания;

режим работы клиента.

После считывания первоначальных данных из файла происходит инициализация модема и GPS-приемника. В процессе инициализации запус кается подпрограмма WorkHard. Данная подпрограмма предназначена для получения имен последовательных портов, как физических, так и виртуальных, работающих в данный момент в системе. Получение имен портов выполняется посредством использования WMI (Windows Management Instrumentation) – инструментария управления Windows. Выбран именно такой способ решения поставленной задачи, так как использование WMI является наиболее быстрым и теоретически верным способом получения информации о системе Windows.

WMI построен по объектно-ориентированному принципу, то есть все данные операционной системы представлены в виде объектов и их свойств и методов.

Все классы группируются в пространства имен (множества уникальных идентификаторов), которые иерархически упорядочены и логически связаны друг с другом по определенной технологии или области управления. Для обращения к объектам WMI используется специфический язык запросов WMI Query Language (WQL), который является одним из разновидностей SQL.

Общий синтаксис запроса WQL выглядит так:

SELECT свойства FROM имя_класса WHERE свойство оператор значение.

Серийный порт описывается классом Win32_SerialPort, являющимся подклассом по отношению к классуWin32_PnPEntity, который представляет все установленные устройства Plug-and-Play. Оба этих класса находятся в пространстве имен ROOT\\CIMV2 (это пространство имен WMI по умолчанию на компьютерах с операционной системой Windows).

Итак, подпрограмма подключается к пространству имен ROOT\\CIMV2, а затем производит WQL;

SELECT * FROM Win32_PnPEntity WHERE Name LIKE '%COM[0-9]%'".

То есть выбирается коллекция указателей на объекты класса Win32_PnPEntity с фильтром имен COM(1-9) (в имени объекта обязательно должно присутствовать сочетание символов «COMцифра от 0 до 9»). Такая маска обеспечит нахождение серийных портов со всеми допустимыми номерами. Запрос возвращает указатель для коллекции COM-объектов (IEnumWbemClassObject*), причем COM здесь употребляется в значении Component Object Model – объектная модель компонентов (техноло гический стандарт от компании Microsoft, предназначенный для созда ния программного обеспечения на основе взаимодействующих компо-нентов, каждый из которых может использоваться во многих программах одновременно), а не COM-порт как ранее. Затем создается указатель на объект класса IWbemClassObject – COM-объект. С помощью метода Next класса IEnumWbemClassObject перебираются найденные объекты, причем в указатель на объект класса IWbemClassObject записывается адрес текущего объекта.

И уже для каждого объекта с помощью метода Get класса IWbemClassObject, считывается значение интересующего поля – Name, которое печатается в стандартный поток вывода данных. Таким образом, формируется список имен всех найденных серийных портов.

После завершения работы WorkHard начинается работа основного цикла программы, написанной в LabView, с помощью VISA открываются 3 потока.

Первый поток открывает User interface, по которому передаются АТ команды.

Данные команды используются для перевода модема из сети 3G в сеть 2G и обратно, это необходимо для выбора оптимального режима передачи данных, а также для выбора диапазона, в котором производится контроль сети.

Команда представляет собой буквенно символьное сочетание вида:

AT^SYSCFG=13,1,3FFFFFFF,2,4, где первая позиция – режим сотовой сети;

вторая позиция – порядок перевыбора сотовой сети;

третия позиция – цифро-символьной комбинация, диапазон работы;

четвертая позиция – роуминг;

пятая позиция – домен работы (CS, PS).

Второй поток открывает Diagnostic Mode, по которому передаются контрольные команды и возвращаются ответы в шестнадцатиричном виде, далее ответы дешифруются и выводятся в соответствующие таблицы. Третий поток открывает порт GPS-приемника, по которому передаются команды в формате imea. После инициализации модем регистрируется в сети командой CREG и CPAS. Все используемые команды стандартизированы и уверждены ETSI TS 100 911 V8.5.0 (2000-10), поэтому описанный алгоритм должен работать на подавляющем большинстве модемов в операционной среде Windows, начиная с версии XP. Далее начинает осуществляться сбор данных, алгоритм работы которого представлен на рис. 3.

Сбор данных начинается с проверки условия режима работы клиентской части модуля. Если режим работы определен, как 3Gps, т. е. пакетная передача данных в сетях третьего поколения, то клиентская часть будет работать следующим образом: формируется файл объемом 512 кбайт и начинает передаваться на удаленный ftp-сервер. Настройки данного сервера храняться в текстовом файле ftp.ini. Структура файла следующая:

адрес удаленной папки, где хранятся Log файлы и управляющие файлы;

логин пользователя;

пароль пользователя.

Данная структура является однообразной и неизменной для всех клиентских модулей, также все модули используют одно общее хранилище log файлов.

Рис. 3. Алгоритм сбора данных Во время передачи файла происходят измерения скорости передачи дан ных. Скорость передачи файла измеряется с помощью модема, стандартные прошивки модемов позволяют легко получать сведения о скорости передачи данных с помощью получения структурированной служебной информации:

^DSFLOWRPT: N1, N2, N3, N4, N5, N6, N7, где N1 время соединения в секундах;

N2 измеренная скорость выгрузки данных;

N3 измеренная скорость загрузки данных;

N4 объем переданных данных;

N5 объем загруженных данных;

N6 максимально возможная ско рость выгрузки данных;

N7 максимально возможная скорость загрузки данных.

Вычисляются мгновенные значения скорости передачи данных, и среднее значение, которое рассчитывается следующем образом:

1n S sk, n k где sk мгновенные значения скорости;

S средняя скорость в данной точке, при этом средняя скорость вычисляется и записывается в файл для каждого от счета. По окончании передачи файла на ftp-сервер начинается скачивание фай ла объемом 1024 кбайт с ftp-сервера. Скорость передачи измеряется и высчиты вается аналогичным образом, как и для скорости выгрузки данных.

В режиме работы 2Gps измерения происходят аналогично 3Gps с той разни цей, что передача данных осуществляется в сети второго поколения, а не третьего.

В режиме работы 2Gcs происходят параллельные запросы по двум портам:

1 User Interface;

2 Diagnostic Mode.

По первому порту происходит передача AT-команд и прием ответных сооб щений. Вычисление уровня сигнала от сервисной ячейки происходит посредством команды CSQ в качестве ответа приходит два числа, первая это уровень сигнала, второе это качество принимаемого сигнала. Уровень вычисляется по формуле:

U 113 (u 2), где U уровень сигнала, приведенный ко входу модема, u цифровое значе ние, полученное с модема.

Качество сигнала или процент ошибок, приходящихся на сообщение, ин терпретируется в соответствии с таблицей:

0 менее 0,2%;

1 от 0,2% до 0,4%;

2 от 0,4% до 0,8%;

3 от 0,8% до 1,6%;

4 от 1,6% до 3,2%;

5 от 3,2% до 6,4%;

6 от 6,4% до 12,8%;

7 более 12,8%.

99 неизвестное или неопределяемое.

Далее с помощью команды-запроса CREG получается информация о кон троллере локальной зоны (Local Area Controller,) и идентификаторе соты (Cell ID).

Запросы Diagnostic Mode представляют собой шестнадцатbричные после довательности, которые дешифруются с помощью специальных алгоритмов.

В результате этих запросов получается информация о расстоянии до базовой станции клиентской части системы о 6 соседних сотах.

После окончания всех вышеуказанных действий происходит запись ре зультатов в LOG файл на жесткий диск. После истечения времени до выхода на связь с сервером происходит остановка измерения, соединение с интернетом и передача данных на удаленный ftp-сервер. После получения подтверждения о удачной передаче данных происходит прием управляющих файлов с удаленно го сервера. Далее происходит проверка на флаг завершения работы, и, если флаг отсутствует, инициализация комплекса происходит снова согласно только что полученному файлу настроек.

Алгоритм работы серверной части системы представлен на рис. 4. Данное приложение общается с программой Google Earth посредством инструментария activeX. Оно позволяет загружать и отображать на карте базовые станции со всеми параметрами, выполнять трассировку пройденного пути, загружать из хранилища файлы, формировать управляющие файлы клиентской части, а так же показывать подробную информацию о всех проведенных замерах. Програм ма работает по событиям, которые инициирует сам пользователь. Поэтому рас сматривать алгоритм работы стоит событийно в зависимости от требуемого действия.

Первое событие, без которого невозможна корректная работа комплекса это доставка LOG файлов с измерительной информацией с удаленного сервера на локальный компьютер, на котором запущена серверная часть программы.

Событие происходит по выбору контекстного меню в основном окне програм мы, начинается инициализация сервера далее проверка логина и пароля пользо вателя, далее загрузка Log файлов на локальный компьютер.

Рис. 4. Алгоритм работы основных событий серверной части программы Событие, которое отвечает за отражение на карте координат и измеренной информации, вызывается также из главного меню. Выбранный Log файл разби вается на отдельные замеры и структурируется особым образом так, чтобы син таксис файла соответствовал KML структуре. KML язык разметки на основе XML для представления трехмерных геопространственных данных в программе «Google Earth». После завершения создания структуры происходит ее портиро вание в Google Earth. Портированные данные отображаются во временных мет ках в пункте Mobile Station.

Отображение на карте базовых станций происходит по соответствующему событию, которое вызывается из главного меню программы. В нем также форми руется соответствующая KML структура и передается в программу Google Earth.

Существует еще ряд сервисных функций, которые не являются основными, но существенно облегчают работу со всеми измеренными данными. Это трас сировка местоположения измерения, последовательное воспроизведение всех измеренных точек, детальный просмотр точки измерения, вызов цветовой легенды.

Таким образом возможно получить простую в эксплуатации и открытую для расширения систему распределенного сбора данных. Основным преимуще ством такой системы является использование стандартных комплектующих, что позволяет легко масштабировать систему в зависимости от потребностей конечного заказчика. Возможна доработка АИК-3С для сбора информации с дополнительных датчиков, подключенных к мобильным комплексам.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Heger. GSM vs. CDMA. GSM Global System for Mobile Communications.

Proceedings of the GSM Promotion Seminar 1994 GSM MoU Group in Cooperation with ETSI GSM Members. 15 December 1994. p.p. 3.1-1 – 3.1-18.

2. Громаков, Ю. А. Сотовые системы подвижной радиосвязи / Ю. А. Грома ков // Технологии электронных коммуникаций. М. : Эко-Трендз, 1994.

Ханин Илья Владимирович, аспирант кафедры «Радиотехника и радиоэлектронные сис темы» Пензенского государственного университета. Область научных интересов: мониторинг сотовых сетей. E-mail: rtech@pnzgu.ru.

Мартяшин Егор Викторович, студент Пензенского государственного университета.

Область научных интересов: мониторинг сотовых сетей. E-mail: rtech@pnzgu.ru.

УДК 621. Д. И. Морозов, П. Г. Андреев, И. Ю. Наумова ЗАЩИТА РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ОТ ВЛИЯНИЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ Рассматриваются общие вопросы влияния климатических факторов на эксплуатацию радиоэлектронных средств (РЭС) и способы их защиты от подобного влияния. Работа носит обзорный характер.

Во время эксплуатации на РЭС влияет значительное количество внешних воздействующих факторов, среди которых можно выделить следующие основ ные группы: механические, климатические, биологические, термические, а также специальные среды, электромагнитные, радиационные и космические среды, представленные на рисунке 1 [1].

Рис. 1. Факторы, воздействующие на РЭС Влияние климатических факторов на конструкционные материалы выража ется, главным образом, в возникновении процессов коррозии, потере механиче ских и диэлектрических свойств, изменении электропроводности. Реакция на воз действующий фактор, степень и скорость изменения свойств конструкционного материала в зависимости от его состава различны. Процесс коррозии у металлов имеет химическую или электрохимическую природу, но причина в этих случаях одинакова: переход металла в более стабильное природное состояние.

Процесс коррозии связан с отдачей энергии, что указывает на самопроиз вольный ход реакции без затраты энергии извне. Процесс химической коррозии протекает без участия влаги. При электрохимической коррозии растворение ме талла и возникновение новых соединений происходит с участием электролита, т. е. воды.

Различают три вида коррозии: равномерную, неравномерную и межкри сталлическую. При равномерной коррозии процесс распространяется постепен но от отдельных коррозирующих мест по всей поверхности металла. Неравно мерная коррозия ограничивается отдельными местами и возникает, например, вследствие нарушения защитного покрытия. Коррозия межкристаллическая ха рактеризуется проникновением вглубь металла путем разрыва структуры и рас пространением вдоль границ кристаллов. Наличие в атмосфере кислот, щело чей, солей ускоряет процессы коррозии.

Воздействие агрессивной атмосферы на изоляционные материалы выража ется в поглощении ими влаги, ухудшении диэлектрических свойств и посте пенном разрушении. Изоляционных пластмасс, не поглощающих влаги, не су ществует. Количество проникшей влаги и время ее проникновения неодинако вы для различных материалов. Проникновение влаги в изоляционные материа лы может быть капиллярное и диффузионное.

Капиллярное проникновение имеет место в случае наличия в материале грубых микроскопических пор, трещин и других дефектов. Так как в микро электронике применяют только высококачественные изоляционные материалы, то они практически свободны от таких дефектов.

Существенно большее значение имеет процесс диффузионного проникно вения, который заключается в заполнении промежутков между молекулами ма териала молекулами воды. При этом перемещение молекул воды происходит в сторону меньшей их концентрации. При повышенной влажности молекулы во ды проникают внутрь материала (поглощение влаги), а в сухой теплой атмо сфере – из материала (высыхание). Поглощение влаги диэлектриком ведет к уменьшению его сопротивления, увеличению диэлектрических потерь, набуха нию, механическим повреждениям.

Отрицательно воздействовать на работоспособность аппаратуры могут плес невые грибки, один из сильнейших биологических факторов. Для развития плесе ни необходимы большая относительная влажность воздуха (80–100%) и темпера тура 25–37°С. Такие условия естественны для стран с тропическим влажным кли матом, однако они могут возникнуть искусственно в помещениях, где эксплуати руется аппаратура. Для борьбы с плесенью применяют три способа.

Первый способ заключается в использовании материалов, не склонных к образованию на них плесени (применение этого метода ограничивается воз можностями выбора материалов).

Второй способ предполагает изменение внутреннего климата в аппарату ре, имеющее цель лишить плесневые грибки благоприятной базы для развития (здесь, главным образом, требуется принимать меры к снижению влажности воздуха, так как саморазогрев как отдельных микросхем, так и полностью всей аппаратуры лишает грибки благоприятной температуры).

Третий способ: добавление в состав лака или эмали, которыми покрывают поверхность деталей, специальных химических веществ, называемых фунгицидами.

Среди материалов, применяемых в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), наибольшее воздействие плесень оказывает на те, которые имеют органическую основу, и, в частности, на изоляционные материалы проводных соединений.

Для защиты поверхности металлических и неметаллических материалов от агрессивной внешней среды применяют различные покрытия, которые по на значению делят на три группы: защитные, защитно-декоративные и специальные.

Защитные покрытия предназначены для защиты деталей от коррозии, ста рения, высыхания, гниения и других процессов, вызывающих выход аппарату ры из строя.

Защитно-декоративные покрытия наряду с обеспечением защиты деталей придают им красивый внешний вид.

Специальные покрытия придают поверхности деталей особые свойства или защищают их от влияния особых сред.

По способу получения все покрытия разделяют на металлические и неме таллические.

Металлические покрытия – покрытия, нанесенные горячим способом, гальванические, диффузионные и металлические на диэлектриках.

Неметаллические покрытия – покрытия лаками, эмалями, грунтовками, а также противокоррозионное покрытие пластмассами.

Выбор того или иного вида покрытия в каждом конкретном случае зависит от материала детали, ее функционального назначения и условий эксплуатации.

От прямого воздействия влаги стационарная и транспортируемая РЭА, как правило, не защищена и не должна эксплуатироваться в этих условиях. Однако на работающую аппаратуру воздействуют пары влаги окружающего воздуха. Нор мальной считается относительная влажность 60...75% при температуре 20...25°С.

Выпадение росы (конденсация на холодных поверхностях конструкции) вызывается понижением температуры, которое практически всегда имеет место при отключении и последующем хранении аппаратуры. Например, если в тече ние дня влажность внутри РЭА составляла 70%, то точка росы оказывается все го на 5°С ниже температур, которые имели место внутри РЭА.

Интенсивное нагревание переохлажденной аппаратуры перед приведением ее в рабочее состояние также приводит к конденсации влаги на холодных элементах конструкции. Капли конденсата будут собираться в местах «ловушек влаги». В ре зультате, аппаратура будет находиться под постоянным воздействием влаги.



Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.