Современная электроника №2 (2021)

Реклама

КОМПЕТЕНТНОЕ МНЕНИЕ Юрий Широков, Здравствуйте, уважаемые читатели! главный редактор У всех на слуху продолжающийся мировой дефицит поставок чипов в автомобильной промышленности. По данным института маркетинговых исследований IHS Markit, толь- ко в первом квартале 2021 года производство порядка шестисот с лишним тысяч новых автомобилей в мире будет в той или иной степени осложнено дефицитом специфиче- ских для автопрома чипов. Так что несмотря на коронавирусную пандемию, произво- дители электронных чипов чувствуют себя вполне уверенно. А в числе пострадавших уже сегодня такие гиганты как, Volkswagen, Daimler и Audi. Узкое место в значительной степени обусловлено концентрацией производства автомобильных чипов всего на не- скольких фабриках. К примеру, около 70% микросхем для автомобильной электроники производится тайваньской TSMC, чьи мощности перегружены заказами. Потребность в высокопроизводительном телекоммуникационном оборудовании под- хлёстывает развитие оптических технологий. Nokia Bell labs впервые продемонстри- ровала оптоволоконную широкополосную пассивную оптическую сеть со скоростью передачи 100 Гбит/с. Системы с такой пропускной способностью станут коммерчески доступными и крайне востребованными уже во второй половине десятилетия, с прибли- жением эры 6G. Очередной качественный скачок в эволюции вычислительных систем многие связыва- ют с квантовыми процессорами и вычислениями. Действующий квантовый компьютер вполне может быть создан в ближайшие 4 года в рамках баварской «квантовой инициа- тивы». В общей сложности в исследования будет вложено 300 миллионов евро. В проекте принимает участие Infineon Technologies с физиками-экспериментаторами из Инсбрук- ского университета. В рамках проектов PIEDMONS и QUASAR специалисты создают про- тотип чипа в рамках проектов PIEDMONS и QUASAR. Подобными разработками занима- ются также Intel и IBM. Технологии 3D-печати из разряда забавных диковинок уверенно шагнули в лаборатории и производственные цеха. Исследователи из Сколковского института науки и техноло- гий и Технологического института Карлсруэ в Германии использовали 3D-печать для соз- дания датчика, способного обнаруживать небольшие количества химических веществ в воздухе и напитках. Датчик был создан путём нанесения на многоэлектродном чипе на- нокристаллических слоёв толщиной 70 нм из восьми различных оксидов металлов с ис- пользованием марганца, церия, циркония, цинка, хрома, кобальта, олова и титана. Летающие дроны – тоже уже не детские игрушки. Например, система Beyond Visual Line of Sight (BVLOS) позволит осуществлять непрерывный дистанционный контроль и монито- ринг промышленных и городских объектов. Координацию в полёте рою беспилотников обеспечит искусственный интеллект на графических процессорах Nvidia. В очередной раз удивили мир создатели SpaceX, с помощью одного носителя выведя на околоземную орбиту рекордное число (143 штуки) европейских спутников. Тем временем Nokia и Ericsson возглавили проект Hexa-X по разработке технологий и новых стратегий для беспроводной связи поколения 6G. Своевременное начало оценки технологий и новых концепций, по мнению участников проекта, необходимо даже если некоторые из них всё ещё находятся на низком уровне готовности. О видении компани- ей Nokia кибер-будущего эпохи 6G читайте в этом журнале! На YouTube-канале «Современной электроники» тоже много нового: смотрите у нас ро- лики-интервью на интересные темы с интересными людьми и подписывайтесь на наш канал! Всего вам доброго! СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 WWW.SOEL.RU 1

ЖУРНАЛ 2/2021 CONTENTS MARKET Журнал «Современная электроника» 4 Russian Market News Издаётся с 2004 года MODERN TECHNOLOGIES Главный редактор Ю. В. Широков 8 Communication in the 6G Era. Заместитель главного редактора Д. А. Трофимов Редакционная коллегия А. Е. Балакирев, В. К. Жданкин, Part 1 С. А. Сорокин, Р. Х. Хакимов Harish Viswanathan, Preben Mogensen Вёрстка А. М. Бабийчук 12 CCell and Vicor Collaborate to Power New Coral Reef Growth Обложка Д. В. Юсим Rory Baxter Распространение А. Б. Хамидова ([email protected]) 14 Necessary – Read, Unnecessary – Don’t Read Реклама И. Е. Савина ([email protected]) Maxim Selivanov Учредитель и издатель ООО «СТА-ПРЕСС» INSTRUMENTS AND SYSTEMS Генеральный директор К. В. Седов 16 Innovations in the Production of Testing of 5G Millimeter-Wave Адрес учредителя и издателя: 117279, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 108, пом/ком/эт I/67/тех Base Stations Почтовый адрес: 119313, Москва, а/я 26 Norm Smith Тел.: (495) 232-0087 • Факс: (495) 232-1653 [email protected] • www.soel.ru ENGINEERING SOLUTIONS 20 High-Resolution Digital Voltmeter Производственно-практический журнал Выходит 9 раз в год. Тираж 10 000 экз. Цена свободная Part 4. Device Configuration Alexey Kuzminov Журнал зарегистрирован в Федеральной службе 24 Electronic Reducer. How to Increase the Torque of an AC Brushed по надзору за соблюдением законодательства в сфере Motor at Low RPM. массовых коммуникаций и охране культурного наследия Part 2 (свидетельство ПИ № ФС77-18792 от 28 октября 2004 г.) Alexey Kuzminov Отпечатано: ООО «МЕДИАКОЛОР». DESIGN AND SIMULATION Адрес: Москва, Сигнальный проезд, 19, бизнес-центр Вэлдан 30 Testing the 5G Devices for Electromagnetic Compatibility: Тел./факс: (499) 903-6952 Needs and Current Opportunities Перепечатка материалов допускается только с письменного Nikolay Lemeshko, Dmitry Bogachenkov разрешения редакции. Ответственность за содержание 40 Formal Deductive Analysis of an Automaton Algorithm for Controlling рекламы несут рекламодатели. Ответственность за an Endogas Generator Using the Rodin Platform. содержание статей несут авторы. Материалы, переданные Part 3. Building a Formal Theory for a Control Algorithm редакции, не рецензируются и не возвращаются. Мнение Maxim Neizov редакции не обязательно совпадает с мнением авторов. 44 The Practice of Using the Built-in ADC in FPGAs of the MAX10 Family. Все упомянутые в публикациях журнала наименования Part 1. Reference Information on the FPGA ADC MAX10 продукции и товарные знаки являются собственностью Pavel Redkin соответствующих владельцев. THEORY QUESTIONS © СТА-ПРЕСС, 2021 54 The Reverse Current in Synchronous Rectifiers ПОДПИСКА Victor Zhdankin БЕСПЛАТНАЯ ПОДПИСКА ДЛЯ СПЕЦИАЛИСТОВ 58 Attenuation of Electron Fluxes of the Earth's Radiation Belts на электронную версию журнала. Условие сохранения та- кой подписки – своевременное её продление каждый год. by Protective Shields Based on W-Cu Composite A.S. Yakushevich, Yu.V. Bogatyrev, S.S. Grabchikov, S.B. Lastovsky, ПЛАТНАЯ ПОДПИСКА на печатную версию – N.A. Vasilenkov, A.E. Kozyukov, G.A. Protopopov это гарантированное получение журнала по любому указанному вами адресу! PAGES OF HISTORY 64 The Tragic Fate of the Brilliant Inventor Edwin Armstrong. С УСЛОВИЯМИ ОФОРМЛЕНИЯ ПЛАТНОЙ ПОДПИСКИ МОЖНО ОЗНАКОМИТЬСЯ НА САЙТЕ WWW.SOEL.RU Dedicated to the 130th Anniversary of the Birth Vladimir Bartenev СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 EVENTS 68 Results of the ‘Russian Week of High Technologies 2020’ 2 WWW.SOEL.RU

СОДЕРЖАНИЕ 2/2021 РЕКЛАМОДАТЕЛИ РЫНОК XP Power . . . . . . . . . . . .7, 11 4 Новости российского рынка Schaefer. . . . . . . . . . . . . . 21 ICAPE GROUP. . . . . . . . . . . 29 СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Delta Design. . . . . . . . . . .4, 23 ТЕСТПРИБОР . . . . 2-я стр. обл, 59 8 Коммуникации в эпоху 6G. Mentor . . . . . . . . . . . . . . 43 Часть 1 Rohde & Schwarz . . 6, 7, 4-я стр. обл. Морион . . . . . . . . . . . . . . .6 Хариш Вишванатан, Пребен Могенсен LITEMAX . . . . . . . . . . . . 5, 6 Экспоэлектроника . . . . . . . . 19 12 Решение для энергоснабжения системы выращивания коралловых ChipExpo . . . . . . . . . . . . . 34 рифов CCell и Vicor Radel . . . . . . . . . . . . . . . 39 Связь . . . . . . . . . . . . . . . 53 Рори Бакстер Смотрите на YouTube-канале: 14 Нужное – читать, ненужное – не читать Интервью с идеологом спутниковой Максим Селиванов системы глобальной безопасности Николаем Моисеевым. ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Автор рассказывает о возможностях системы, её потенциальной пользе и 16 Инновации в производственных испытаниях базовых станций 5G перспективах реализации проекта миллиметрового диапазона Норм Смит ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 20 Цифровой вольтметр с высоким разрешением Часть 4. Настройка устройств Алексей Кузьминов 24 Электронный редуктор. Как кардинально увеличить крутящий момент коллекторного двигателя переменного тока на низких оборотах. Часть 2 Алексей Кузьминов ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 30 Тестирование устройств 5G для обеспечения электромагнитной совместимости: потребности и современные возможности Николай Лемешко, Дмитрий Богаченков 40 Формальный дедуктивный анализ автоматного алгоритма управления генератором эндогаза с помощью платформы Rodin. Часть 3. Построение формальной теории для алгоритма управления Максим Нейзов 44 Практика использования встроенного АЦП в ПЛИС семейства MAX10 Часть 1. Справочная информация по АЦП ПЛИС MAX10 Павел Редькин ВОПРОСЫ ТЕОРИИ 54 Обратный ток в синхронных выпрямителях Виктор Жданкин 58 Ослабление потоков электронов радиационных поясов земли защитными экранами на основе композита W-Cu А.С. Якушевич, Ю.В. Богатырев, С.С. Грабчиков, С.Б. Ластовский, Н.А. Василенков, А.Е. Козюков, Г.А. Протопопов СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ 64 Трагическая судьба гениального изобретателя Эдвина Армстронга. К 130-летию со дня рождения Владимир Бартенев СОБЫТИЯ 68 Итоги «Российской недели высоких технологий-2020» СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 WWW.SOEL.RU 3

РЫНОК На правах рекламы Новости российского рынка РЫНОК КОМПАНИЯ ЭРЕМЕКС ГОТОВА формационной безопасности, навигации, рованного проектирования электроники, авионики и другие. но по ряду параметров уже превосходит и ПРЕДЛОЖИТЬ ДОСТОЙНУЮ опережает их. АЛЬТЕРНАТИВУ ЗАРУБЕЖНЫМ В категорию под названием «Проекти- рование, разработка и производство элек- САПР Delta Design 3.0 от ЭРЕМЕКС от- САПР ЭЛЕКТРОНИКИ троники» включено программное обеспе- вечает современным требованиям разра- чение для разработки, производства или ботчиков радиоэлектронной аппаратуры В новом году на фоне ужесточения экс- использования электронных устройств, от- (РЭА). Система реализует сквозной цикл портных ограничений в отношении России вечающих ряду условий. Это, в частности, проектирования изделия с поддержкой отечественные продукты для разработ- означает, что поставки определённым пред- ГОСТов. Проектные данные могут быть ки электроники будут пользоваться повы- приятиям не только оборонного сектора, но импортированы из других современных шенным интересом, считают специалисты и работающим над задачами двойного на- САПР. Delta Design оснащается библио- ЭРЕМЕКС. значения, осуществляются по новым пра- текой электронных компонентов, в кото- вилам дополнительного лицензирования. рую входят как распространённые, так С середины прошлого года действуют Новые ограничения будут действовать и и специализированные компоненты от новые торговые ограничения США на по- на поставки систем автоматизированного российских производителей. Для конеч- ставки товаров в Россию. В конце 2020 го- проектирования электроники. ного пользователя усилия по переходу с да был расширен список компаний, попа- САПР иностранного происхождения на дающих под торговые ограничения. Бюро На протяжении нескольких лет компания российскую Delta Design 3.0 минимизи- промышленности и безопасности (BIS) ми- ЭРЕМЕКС предлагает российским разра- рованы. При необходимости специали- нистерства торговли США включило в не- ботчикам электроники САПР Delta Design, сты ЭРЕМЕКС выполняют работу по ин- го 45 российских организаций, в том числе которая не только является достойным теграции новой САПР в существующую предприятия, работающие по заказам ВПК: аналогом зарубежных систем автоматизи- ИТ-инфраструктуру предприятия и про- ПАО «Объединённая авиастроительная ком- водят обучение пользователей. пания», «Рособоронэкспорт», «Роcтех» и другие организации, включая научно-иссле- Помимо обширного инструментария, для довательские институты. А в марте текуще- разработки и производства печатных плат го года вступят в силу ограничения на по- Delta Design 3.0 интегрируется в единый ком- ставки для структур военной разведки. Все плекс управления жизненным циклом изде- эти события повлияют на дальнейшее раз- лия (PLM-комплекс), созданный участниками витие различных сегментов российского ИТ- консорциума ИТ-разработчиков «РазвИТие» рынка, включая сегмент инженерного ПО. (www.plmrussia.ru). Все совместные уси- лия участников консорциума «РазвИТие» Список продуктов, подпадающих под обя- направлены на локализацию и обеспечение зательное дополнительное лицензирование импортонезависимости инженерного ПО с можно найти на сайте Института правовой учётом реальных задач промышленности и информации Корнельского университета развития критически важных отраслей. (Legal Information Institute, LLI). В перечень включены материалы и установки для атом- www.eremex.ru ной промышленности, определенные про- дукты для телекоммуникаций, систем ин- В БИБЛИОТЕКУ ЭЛЕКТРОННЫХ поненты библиотеки для этих резисторов: мим производителем – АО НПО «ЭРКОН» КОМПОНЕНТОВ DELTA DESIGN УГО, посадочное место и 3D-модель. (www.erkon-nn.ru). Это расширяет возмож- 3.0 ВОШЛИ ПРОДУКТЫ ности инженеров при разработке электрон- АО НПО «ЭРКОН» САПР Delta Design теперь поддержива- ного оборудования на отечественной эле- ет защищённые библиотеки, подписанные ментной базе. Библиотека электронных компонентов разработчиком и/или поставщиком такой Delta ЭКБ дополнена продуктами отече- библиотеки. Защищённая библиотека раз- www.eremex.ru ственного разработчика и производителя решает пользователям использовать ком- резисторов промышленного и специально- поненты в своих проектах без возможности го назначения АО НПО «ЭРКОН». внесения изменений как в саму библиоте- ку, так и в её компоненты. Сейчас библиотека содержит несколько серий СВЧ-резисторов Р1-85, Р1-158, Р1- В результате сотрудничества двух рос- 160, серию низкоомных резисторов Р2-105 и сийских компаний в новый продукт компа- чип-индуктивности серий КИФ и КИК. Поль- нии ЭРЕМЕКС для проектирования РЭА зователи САПР Delta Design 3.0 теперь мо- была интегрирована электронная библи- гут применять в своих проектах все ком- отека компонентов, разработанная са- 4 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021

РЫНОК На правах рекламы ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 85″ ЖК-ДИСПЛЕЙ С ЯРКОСТЬЮ пропусканием, что обеспечивает низкую ● низкая потребляемая мощность; 2000 КД/М2 И ФОРМАТОМ потребляемую мощность. Дисплей пред- ● высокое насыщение цвета, великолепная ИЗОБРАЖЕНИЯ UHD назначен для применения в информацион- ных киосках, демонстрации рекламных ро- яркость изображения; Компания LITEMAX Electronics Inc. ликов, пунктах продажи, конференц-залах, ● длительная работа в режиме 24/7; предлагает 85\" TFT-дисплей семейства студийной аппаратуре. ● элегантная низкопрофильная конструкция; DURAPIXEL серии DLH8500-INU-N01, снаб- ● среднее время наработки до отказа жённый высокопроизводительной платой Основные свойства: управления AD2796DHP, разработанной ● считывание изображения при прямом сол- (MTBF) системы подсветки: 100 000 ч. специально для поддержки промышлен- Более детальные характеристики ных приложений с высокой яркостью. Пла- нечном свете; DLH8500-INU-N01: та обеспечивает управление параметра- ● светодиодная система подсветки; ● рабочее поле экрана 1872 × 1053 мм; ми дисплея (яркость, контрастность, цвет, ● высокое разрешение 4K, 2K; ● яркость 2000 кд/м2; фаза, синхронизация) через экранное ме- ● высокая устойчивость к воздействию ме- ● разрешение 3840 × 2160 пикселей (фор- ню с помощью 5-кнопочной клавиатуры, и мат изображения UHD); поддерживает работу с источниками виде- ханических ударов и вибраций; ● контрастность 4000:1; оинформации DVI-D, HDMI, DP. Дисплей ● шаг пикселя 0,4875 × 0,4875 мм; DLH8500-INU-N01 способен обеспечить ● угол обзора 178° в горизонтальной и вер- яркость свечения экрана до 2000 кд/м2, а тикальной плоскостях; драйвер светодиодной системы подсветки ● время электрооптического отклика 9,5 мс; LID85C обеспечивает регулировку яркости ● потребляемая мощность 827 Вт; в широком диапазоне. ● входное напряжение 100…240 В пере- менного тока; В конструкциях дисплея применяются ● габариты: 1092 × 1083 × 103,62 мм; светофильтры с высоким коэффициентом ● вес 58 кг. пропускания, поляризаторами с высоким www.prochip.ru 27″ ЖК-ДИСПЛЕЙ ВЫСОКОЙ 12 мс. Дисплей имеет входы: VGA (2), (передовое оптическое соединение): воз- ЯРКОСТИ С ПРОЕКЦИОННО- DVI-D (2), HDMI (1), DP (1), USB (1), ком- душное пространство между стеклом пе- позитный сигнал (1) и RS-232 (1). Сте- редней панели и жидкокристаллическим ЁМКОСТНЫМ СЕНСОРНЫМ пень защиты корпуса из прочного алю- модулем заполняется специальным ве- ЭКРАНОМ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ миниевого сплава IP65 (по передней ществом, при этом обеспечивается от- В МОРСКОЙ АППАРАТУРЕ поверхности). Дисплей NPD2706-ATA-P1 личное качество изображения. способен работать в диапазоне температур Компания Litemax Electronics расширила –10…+50°C, диапазон температур хране- Основные технические характеристики серию NAVPIXEL™ жидкокристаллических ния –20…+70°С. Питание от сети постоян- NPD2706-ATA-P01: дисплеев высокой яркости для применения ного напряжения с диапазоном 9…36 В. ● размер экрана по диагонали 27\"; в морской аппаратуре моделью NPD2706- Среди достоинств новинки: длительный ● рабочее поле 597,6 × 336,15 мм; ATA-P01 с размером диагонали 27″, осна- ресурс и низкая потребляемая мощность ● яркость 1200 кд/м2; щённой проекционно-ёмкостным сенсорным (62 Вт). Высокая надёжность и длитель- ● контрастность 3600:1; экраном (прозрачность 90%). Преимущества ный ресурс обеспечивается применени- ● разрешение 1920 × 1080 пикселей; мониторов с сенсорными экранами хоро- ем технологии Advanced Optical Bonding ● шаг пикселя 0,311 × 0,311 мм; шо известны: ● угол обзора 178° в горизонтальной и ● взаимодействие с компьютером посред- вертикальной плоскостях; ством касания упрощает работу и значи- ● количество отображаемых цветов тельно ускоряет ввод данных; ● при наличии грамотно реализованно- 16,7 млн; го интерфейса, с ними может работать ● время электрооптического отклика даже неопытный компьютерный поль- зователь; 5 мс; ● они позволяют создавать физически за- ● плата управления AD8220GDHPVR; щищённую интерактивную систему. ● степень защиты IP65 по передней пане- Яркость изображения новой моде- ли 1200 кд/м2 обеспечивается светоди- ли при установке в консоль; одной системой подсветки. Обеспечи- ● установка заподлицо в панель, VESA со- вается разрешение 1920 × 1080 точек (поддержка всех видео форматов вы- вместимость; сокой чёткости – Full HD). Контраст- ● габариты алюминиевого корпуса, Ш×В×Г: ность изображения: 3600:1. Угол обзора по горизонтали и вертикали со- 660 × 445 × 67 мм; ставляет 178°. Активная площадь экрана ● вес 12,5 кг; 597,6 × 336,15 мм. Время отклика ● напряжение питания от 9 до 36 В посто- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 WWW.SOEL.RU янного тока; ● потребляемая мощность 62 Вт; ● диапазон рабочих температур –10…+50°C; ● диапазон температур хранения – 20…+70°C. 5

РЫНОК На правах рекламы 15,6\" ЖК-ДИСПЛЕЙ нологии Advanced Optical Bonding (пере- ● размер экрана по диагонали 15,6″; довая оптическое соединение): воздушное ● рабочее поле экрана 344,16 × 193,59 мм; С ЯРКОСТЬЮ СВЕЧЕНИЯ пространство между стеклом передней па- ● яркость 1800 кд/м2; нели и ЖК-модулем заполняется специ- ● контрастность 1200:1; 1800 КД/М2 ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ альным веществом, при этом обеспечи- ● разрешение 1920 × 1080 пикселей (фор- вается отличное качество изображения. В АППАРАТУРЕ МОРСКОЙ Дисплей поддерживает функцию picture- мат изображения FullHD); ТЕХНИКИ to-picture, обеспечивающую возможность ● шаг пикселя 0,17925 × 0,17925 мм; отображения картинки одновременно ● угол обзора 170° в горизонтальной и вер- Компания LITEMAX Electronics расши- от двух источников. Функция «ночного ре- рила семейство мониторов NAVPIXEL™, жима» позволяет мгновенно снизить уро- тикальной плоскостях; предназначенных для применения в мор- вень яркости до минимального значения ● количество отображаемых цветов 16,2 млн; ской технике, моделью NPD1569-ITA-P01 0,5 кд/м2. ● время электрооптического отклика 25 мс; с размером экрана по диагонали 15,6″. ● входы: VGA ×1, DVI-D ×1, HDMI ×1, DP×1, Монитор оснащён проекционно-ёмкост- Основные технические характеристики ным сенсорным экраном, который управ- NPD1569-ITA-P01: композитный сигнал ×1, RS232×1, USB×1; ляется через порт USB. Прозрачность ● плата управления AD8220GDHPVR; экрана 90%. Сенсорный экран обеспечи- ● степень защиты IP65 по передней пане- вает прочному промышленному монито- ру c яркостью свечения экрана 1800 кд/м2 ли при установке в консоль; дружественный интерфейс и чёткость изо- ● установка заподлицо в панель, VESA- бражения при ярком прямом свете. Низко- профильный корпус монитора изготовлен совместимость; из алюминия и выполнен фрезерованием, ● габариты, Ш×В×Г: 393,9 × 285 × 61,2 мм; что обеспечивает небольшой вес и водо- ● масса 5,2 кг; непроницаемость. Кроме того, высокая ● напряжение питания от 9 до 36 В посто- энергетическая эффективность и низкая рассеиваемая мощность обеспечивает янного тока; стабильность и долговечность, требуе- ● потребляемая мощность 32 Вт; мые в ответственных приложениях. Вы- ● диапазон рабочих температур от –30 до сокая надёжность и длительный ресурс обеспечивается также применением тех- +80°C; ● диапазон температур хранения от –30 до +85°C. www.prochip.ru ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ящее время диапазон частот до 60 ГГц ис- нераторам сигналов SMA100B для контроля пользуется в стандартах передачи данных и компенсации потерь, вызванных неравно- НОВЫЕ ДИОДНЫЕ ДАТЧИКИ IEEE802.11ay, 802.11ad WiGig Wireless LAN, мерностью АЧХ высокочастотных кабелей СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ ДО 67 ГГЦ линиях передачи миллиметрового диапазо- в диапазоне частот до 67 ГГц. на на малые расстояния и спутниковых си- Компания Rohde&Schwarz представила стемах связи. Датчики мощности NRP67S/ Больше информации можно найти на сай- новые диодные датчики средней мощности SN могут выводить данные измерений на те компании www.rohde-schwarz.com NRP67S c USB-интерфейсом и NRP67SN с ПК с бесплатным ПО или модуль индикации LAN-интерфейсом для измерений мощно- NRX. Блок индикации NRX позволяет произ- сти СВЧ-излучения в коаксиальном тракте водить высокоточные измерения отношений 1,85 мм в диапазоне частот от 50 МГц пиковой мощности с нескольких датчиков до 67 ГГц. Широкий диапазон частот, диапа- благодаря специальным линиям синхрони- зон измеряемых мощностей –70…+20 дБмВт, зации АЦП, встроенном в каждый датчик. высокие скорость (до 10 тысяч измерений Также NRP67S/SN могут подключаться к ге- в секунду) и точность выгодно отличают прибор Rohde&Schwarz на фоне датчиков мощности других производителей. В насто- ТЕРМОСТАТИРОВАННЫЕ теристики генераторов, работающих на пря- Подробнее с данным генератором можно ГЕНЕРАТОРЫ ГК205 мой частоте резонатора. При этом обеспечи- ознакомиться на сайте www.morion.com.ru ОТ АО «МОРИОН» вается подавление субгармоник на выходе генератора до уровней –55 дБ и более по от- АО «Морион» серийно выпускает термоста- ношению к основному сигналу. тированные генераторы ГК205 на диапазон ча- стот 20…50 МГц, отличительной особенностью В частности, данные генераторы на часто- которых является использование умножения ты 22,5792 и 24,576 МГц, а также 45,1584 и частоты кварцевого резонатора. Это позволя- 49,152 МГц находят широкое применение в ет получить характерные для низкочастотных топовых моделях аудиоаппаратуры. Пример генераторов жёсткие параметры долговремен- типовых фазовых шумов для генератора с ум- ной и температурной стабильности частоты, ножением на четыре на частоту 49,152 МГц а также фазовых шумов при отстройке (12,288×4) приведён справа. Габариты гене- на 1 Гц, значительно превосходящие харак- ратора 27×36×12,7 мм. 6 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021

РЫНОК На правах рекламы НОВЫЙ ГЕНЕРАТОР КОМПАНИИ не превышает 0,2 дБ, модуль вектора сигналы распространённых видов модуляций ROHDE&SCHWARZ SMM100A ошибки EVM на частоте 28 ГГц не более (таких как BPSK, QPSK, QAM, APSK, FSK 0,8%, что является превосходным показа- и т.д.) в реальном времени прямо из меню Компания Rohde&Schwarz представила но- телем. Данный генератор стоит в среднем прибора, не прибегая к использованию внеш- вый генератор среднего класса SMM100A. на 15–20% дешевле генератора высшего него ПК. Большинство опций в генераторе До настоящего времени в среднем классе класса SMW200A с аналогичным функцио- открываются постоянными или временными векторных генераторов компании были мо- налом, что делает его привлекательным программными ключами, что позволяет гибко дели SMBV100B и SGT100A с частотным для использования в условиях производ- планировать бюджет на контрольно-измери- диапазоном до 3 ГГц или до 6 ГГц. ства. Низкий фазовый шум на уровне тельное оборудование по мере необходимо- Новый генератор дополняет линей- –134 дБн/Гц (тип) на частоте 1 ГГц при от- сти. Обязательными аппаратными опциями ку моделями до 6/7/12,75/20/31,8/44 ГГц, стройке 20 кГц от несущей позволяет те- являются только опции выбора частотного с полосой формируемых сигналов стировать радарные системы тем пользо- диапазона, генератора произвольных форм до 120/240/500/1000 МГц (в зависимости от вателям, кто пишет свои сигналы в среде и фазовой когерентности. Больше информа- опций). Сочетание высокой частоты несу- MATLAB. Наличие опции SMW-K520 наде- ции можно узнать на сайте компании. щей, широкой полосы сигналов и большой ляет генератор возможностью формировать глубины памяти генератора произвольных www.rohde-schwarz.com сигналов (до 2 млрд отсчётов) позволяет использовать генератор SMM100A для испытаний устройств в области телеком- муникаций (в том числе устройств 5G в диапазонах частот FR1 и FR2), приёмни- ков сигналов стандарта 802.15.4z, WLAN IEEE802.11be, модемов для спутниковой связи, радиорелейных линий. Отличитель- ной особенностью новой модели является высокое качество формируемых цифровых сигналов – измеренное значение неравно- мерности АЧХ в полосе модуляции 1 ГГц на частотах несущей от 5 ГГц до 35 ГГц ПРОГРАММИРУЕМЫЕ удобную регулировку выходного напря- changeable Virtual Instruments). Источники 1500-ВАТТНЫЕ ИСТОЧНИКИ жения и тока. Так как органы управле- питания серии PLS1500 сертифицированы ПИТАНИЯ AC/DC ния чувствительны к скорости, медленное также на соответствие требованиям комму- вращение позволяет производить точ- никационного стандарта LXI (LAN eXtensions ДЛЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ную настройку с точностью 0,1%. Встро- for Instrumentation) для промышленной сети И ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ енные 12-разрядный цифро-аналоговый и на базе стандартных сетей Ethernet. аналого-цифровой преобразователи позво- Компания XP Power представляет про- ляют также измерять напряжение и ток с Внешняя обратная связь позволяет ис- граммируемые источники питания AC/DC аналогичной степенью точности. Эта воз- пользовать источники питания с нагрузка- серии PLS1500, которая является дополне- можность экономит средства и простран- ми, которые расположены на удалении от нием 600-ваттных источников питания се- ство для дополнительных измерительных них. Для исключения повреждений испыту- рии PLS600 и предназначенные для более приборов. емых устройств функции защиты от перена- мощного силового оборудования в обширном пряжений, перегрузки по току и мощности ряде промышленных и лабораторных приме- Установленные на задней панели пор- ограничивают ток и напряжение на выходе. нений. Типичными применениями новых ис- ты позволяют осуществлять дистанцион- точников питания являются автомобильное и ное управление через USB, Ethernet и ана- Все модели серии PLS1500 сертифициро- авиационно-космическое испытательное обо- логовые входы управления. Входы USB ваны на соответствие требованиям стандар- рудование, производство полупроводников, и Ethernet совместимы со стандартными тов безопасности IEC60950-1 и IEC62368-1 теле- и радиовещательное, медицинское и те- командами для программируемых прибо- (EN/UL/CSA). В соответствии с требова- лекоммуникационное оборудование. ров (Standard Commands for Programmable ниями к электромагнитной совместимо- Instruments, SCPI). Источники поддержи- сти Directive89/336/EEC по Class A модули Пять источников питания серии PLS1500 ваются драйверами LabVIEW™ и IVI (Inter- имеют маркировку CE. с выходной мощностью 1500 Вт обеспечи- вают выходные напряжения 30, 50, 100, 200 www.prochip.ru и 400 В. До четырёх блоков питания могут быть соединены параллельно (режим «веду- щий/ведомый») для обеспечения более вы- сокой мощности (6 кВт) и до двух блоков мо- гут быть соединены последовательно для формирования более высокого напряжения (до 800 В) и мощности. Цифровые поворотные элементы управ- ления на передней панели обеспечивают СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 WWW.SOEL.RU 7

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Коммуникации в эпоху 6G Часть 1 Хариш Вишванатан, Пребен Могенсен (Nokia Bell Labs) ция начнёт отображаться в цифровом и виртуальном мирах, что откроет новые, В статье рассматриваются перспективы внедрения сети 6G, при сверхчеловеческие возможности. этом внимание уделяется не только технологиям, но и человеческой трансформации, которая ожидается с приходом шестого поколения Связь будущего – это бесшовная инте- связи. Такой подход помогает получить представление о требованиях грация различных миров (см. рис. 1), к производительности и принципах проектирования 6G. призванная создать единый опыт для людей или, скажем, интернет-кибор- Вступление приблизит наступление четвёртой гов. При рассмотрении такого будуще- промышленной революции (инду- го в дополнение к новым коммуника- В то время как развёртывание систем стрии 4.0) за счёт дигитализации и под- ционным потребностям возникает ещё 5G идёт полным ходом, специалисты ключения всех устройств в одну экоси- несколько тем: в области разработки систем комму- стему. Цифровые двойники различных 1. тема конечных устройств: от единич- никации всё больше внимания уде- объектов, созданные в облаке, составят ляют будущим вызовам, связанным с фундамент будущего цифрового мира. ных до совокупности множества ло- 6G. Как известно, поколения сотовых Миры физических и биологических кальных сущностей, действующих систем меняются раз в 10 лет. Ожида- цифровых двойников объектов станут как единый механизм, человеко-ма- ется, что стандартизация и развёрты- важной платформой для новых цифро- шинный интерфейс; вание связи шестого поколения прои- вых услуг будущего. Реализация всеобъ- 2. тема повсеместных универсальных зойдёт к 2030 году. емлющего цифрового мира, который вычислений, распределённых меж- является полным и истинным пред- ду несколькими локальными устрой- Авторы статьи попытались нари- ставлением мира физического в каж- ствами и облаками; совать картину коммуникационных дом пространственном и временном 3. системы знаний, которые хранят, об- потребностей и технологий во време- моменте, потребует огромной пропуск- рабатывают и преобразуют данные на появления 6G. Возможно, некоторые ной способности при малой задержке. в практические знания; из требований уже могут быть выполне- 4. точное определение положения и ны за счёт добавления новых техноло- Цифровизация также проложит путь приведение в действие устройств гий в структуру 5G. Для удовлетворения к созданию новых виртуальных миров с для управления физическим миром. растущих запросов к производитель- цифровыми представлениями вообра- Авторы статьи рассматривают уни- ности в рамках эволюции 5G ожида- жаемых объектов, которые могут быть кальную и более широкую перспективу ется введение модификаций, которые в различной степени смешаны с миром внедрения сети 6G, фокусируясь не толь- могут быть внесены обратно совме- цифровых «близнецов», что создаст тем ко на технологиях, но и на человеческой стимым образом и по разумной цене. самым смешанную реальность, сверх- трансформации. Такой подход помогает С другой стороны, модификации, явля- физический мир. получить представление о требованиях к ющиеся фундаментальными и несовме- производительности и принципах про- стимыми с существующей структурой Со временем умные часы и пульсоме- ектирования 6G. Технологические преоб- 5G, могут быть включены только ценой тры преобразятся в пластыри для кожи, разования будут охватывать и те области, высоких затрат для сети или устройств. пищевые добавки, имплантаты для тела. в которых развивается 5G. Также преоб- Все биологические процессы внутри разования могут произойти в процедурах Ожидается, что, помимо усовер- человека можно будет точно и непре- стандартизации, необходимых для рабо- шенствованной мобильной широко- рывно отслеживать. При этом информа- ты с открытыми платформами. полосной связи для потребителей, 5G Во втором разделе статьи будет более подробно рассмотрено, каким может Рис. 1. 6G для взаимодействия физического, биологического и цифрового миров стать мир в 2030-х годах, и на основа- нии этого продуманы сценарии исполь- зования 6G. В третьем разделе указаны потенциальные требования и показате- ли эффективности, которые будут отли- чать 6G от систем связи прошлых поко- лений. В четвёртом разделе обсуждены некоторые новые фундаментальные аспекты, которые следует учитывать при проектировании радиоинтерфей- сов 6G. В пятом разделе рассматрива- ются технологии, которые могут лечь в основу сотовых сетей нового поколе- ния. В шестом обсуждается взаимодей- 8 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ствие открытой платформы будущего мени машины будут управляться без работки на локальный сервер. С уве- и мобильных сетей, направленное на участия человека, однако в некото- личением количества устройств по- удовлетворение всё более специали- рых случаях всё же без удалённого высятся требования и к пропускной зированных требований для эволю- водителя или пассажира за рулём не способности домашних сетей; ции стандартизации. Шестой раздел обойтись. Массовое использование ● здравоохранение претерпит суще- завершается кратким резюме. автопилотов существенно увеличит ственные изменения: круглосуточ- время для потребления контента из ный мониторинг жизненно важных Для каких целей будет Интернета: развлечений, социальных параметров как для здоровых, так и использоваться 6G сетей и образовательных медиа. Са- для больных людей с помощью мно- ми автомобили также начнут потре- гочисленных носимых устройств. Как будет выглядеть жизнь и циф- блять значительно больше информа- Мониторинг состояния здоровья бу- ровое общество после 2030 года? Нач- ции. Данные датчиков транспортных дет осуществляться с помощью вну- нём с устройств, использующихся для средств будут загружаться в Сеть в ре- тренних и внешних устройств. подключения к Сети. Несмотря на то жиме реального времени, будут авто- Переход к индустрии 4.0 и пер- что смартфоны и планшеты всё ещё матически загружаться карты с вы- вая волна автоматизации с поддерж- будут существовать, вероятно, появят- соким разрешением, а находящиеся кой беспроводной связи произойдут ся новые, человеко-машинные интер- рядом автомобили станут напрямую до 2030-х годов. Сети 5G, обеспечива- фейсы, которые сделают получение и связываться друг с другом; ющие сверхнадёжную связь с малой контроль информации гораздо более ● в качестве датчиков будут массово ис- задержкой (URLLC), упростят для обла- удобными. Авторы статьи ожидают, что: пользоваться беспроводные камеры. ков обработку данных в реальном вре- ● носимые устройства, такие как на- Благодаря достижениям в области ис- мени. Однако промышленные вари- кусственного интеллекта (ИИ) и ма- анты использования, основанные на ушники-вкладыши и гаджеты, встро- шинного зрения, компьютер уже мо- гораздо более жёстких требованиях енные в одежду, умные кожные пла- жет распознавать людей и объекты к беспроводной связи, потребуют 6G: стыри и биоимплантаты, станут (или, в более общем плане, автома- ● голографическое дистанционное обычным явлением; тически выделять информацию из присутствие станет нормой как для ● возможно, люди начнут полагаться изображений и видео). Камера станет работы, так и для социального вза- на новые сенсоры мозга для приве- универсальным датчиком, используе- имодействия. Например, человек ве- дения машин в действие. Появится мым повсеместно. Проблемы конфи- щает из офиса, а на самом деле – из несколько носимых устройств, лег- денциальности будут решены путём салона автомобиля. Будут созданы ко взаимодействующих с человеком ограничения доступа к данным и ано- системы, объединяющие реальные через интуитивно понятные интер- нимизации информации. Кроме то- выражения лица с виртуальным «я» фейсы. На рисунке 2 показана потен- го, для сбора информации об окру- в цифровом представлении любого циальная эволюция устройств; жающей среде будет использоваться физического мира; ● набор текста на сенсорном экране, радиозондирование, а также другие ● массовое использование мобильных скорее всего, устареет. Жестикуля- методы определения положения, в роботов и дронов в различных отрас- ция и голосовой ввод станут нормой; частности с помощью акустики; лях: гостиничном бизнесе, здравоох- ● устройства, используемые сегодня, бу- ● в системах безопасности будут ис- ранении и логистике; дут полностью контекстно-зависимы. пользоваться передовые методы. ● динамические цифровые двойники Сеть продолжит усложняться для более Комбинация различных способов станут точными и будут синхронизи- точного прогнозирования потребно- восприятия будет использоваться роваться с физическим миром. стей человека. Понимание устройства- для идентификации людей в толпе Основываясь на приведённой ранее ми контекста в сочетании с новыми не только у входов в общественные концепции будущего, можно предполо- человеко-машинными интерфейса- здания. Радиозондирование окажет- жить следующие ключевые варианты ми сделает взаимодействие с физи- ся важным компонентом для реше- использования устройств (см. таблицу). ческим и цифровым мирами гораз- ния этой задачи; до более понятным и эффективным. ● цифровые деньги и ключи станут Шесть требований и ключевых Вычисления, необходимые для этих нормой, поскольку транзакции как показателей эффективности 6G устройств, скорее всего, не все будут в физическом, так и в цифровом ми- производиться в самих устройствах. ре станут проводиться с помощью Множество новых сценариев исполь- Такое решение будет обусловлено множества устройств. Сеть будущего зования будут определять требования, форм-фактором и более экономичным должна обеспечивать безопасность и которые должны быть учтены в 6G. потреблением батареи в устройствах. конфиденциальность – эти два крите- Ключевые показатели производитель- Скорее всего, для выполнения задач за рия имеют фундаментальное значе- ности (KPI) 5G (скорость, пропускная пределами облака гаджетам придётся ние для цифровой трансформации; способность, объём передачи данных, полагаться на вычислительные ресурсы ● бытовых роботов станет больше, и задержка, надёжность, масштабируе- локального компьютера. Всё это гово- это будут не только роботы-пылесосы мость и гибкость) будут важными пока- рит о том, что сети начнут играть зна- и газонокосилки. Новые устройства зателями производительности и для 6G. чительную роль в человеко-машинном смогут группироваться для выпол- Несколько новых характеристик также интерфейсе завтрашнего дня. нения более серьёзных задач. Робо- станут значимыми: на рисунке 2 сгруп- Потребителей ожидает следующее: ты будут оснащены видеокамерами с пированы требования для 6G. Всего там ● автомобили с автономным управ- потоковой передачей данных для об- шесть категорий – три категории с KPI, лением выйдут на масс-маркет к аналогичными 5G, и три новые: 2030-м годам. Большую часть вре- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 WWW.SOEL.RU 9

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Таблица. Примеры использования 6G 5G 6G Задачи низкого разрешения и высокого уровня Высокое разрешение, мультисенсорные и подробные Вариант использования (возможности) Высокое качество видео, ограниченный масштаб Внешнее зондирование, ограниченная автоматизация задачи, совместный дизайн Дополненная реальность для промышленности Смешанная голографическая реальность Задачи микросекундного уровня Интегрированное, полностью автоматизированное Телеприсутствие (ёмкость) Наблюдение за безопасностью, обнаружение дефектов Нет радиообнаружение Задачи наносекундного уровня с более высокой (позиционирование и зондирование) Нет Распределённые вычисления, автоматизация Нет точностью Может быть (синхронизация времени) Ограничено Да Динамические цифровые двойники и виртуальные миры Да (мультисенсорное картографирование и рендеринг в реальном времени) Да Беспроводная связь в центре обработки данных (пиковые Да скорость и ёмкость) Да Устройства с нулевым энергопотреблением (обратное рассеяние) Группирование роботов и дронов Искусственный интеллект и биосенсоры Устройства, которые мы используем сегодня, радикально эволюционируют в будущем 3. настоящая революция с приходом 6G произойдёт в конечных устройствах. Смартфоны и вспомога- Интегрируемые в текстиль Устройства Имплантируемые Во многих сценариях они начнут раз- тельные устройства Гибкие/эластичные ткани с возможностью в тело виваться как сеть устройств или под- вживления в кожу сеть, осуществляющая соединение Киборг нескольких частей одной машины. Появится гораздо более интуитивно Рис. 2. Вероятная эволюция устройств понятный интерфейс с управлением посредством жестов, а не набора тек- Устройство Пропускная способность и ёмкость ста. Также, вероятно, активно начнут продвигаться на рынок устройства с Нулевое потребление энергии > 100 Гбит/с очень низким энергопотреблением Интуитивный интерфейс 5 Гбит/с для конечных устройств и даже, возможно, без батарей, по- скольку для питания устройства бу- Задержка и надёжность дет использоваться сеть. 0,1 мс Шесть основных аспектов проектирования сетей 6G Время отклика адаптируемости Масштабируемость и гибкость Как и до появления 5G, три основных 1с Глобальное покрытие параметра (измерение спектра, спек- Автонастройка параметров 10 млн устройств/км2 тральная эффективность и простран- Платформа с интегрированными сервисами ственное повторное использование) задавали путь наращивания пропускной Точность и аккуратность способности (см. рис. 3). Тенденция про- сантиметры должится и с развёртыванием 6G. Ради- очастотные технологии будут продви- < 1% пропуск объектов/ложные срабатывания гаться к экономичному использованию спектра на ещё более высоких частотах. Рис. 3. Основные требования и характеристики 6G. Обнаружение объекта характеризуется числом Есть возможность как минимум десяти- пропущенных объектов и ложными срабатываниями кратного увеличения спектра за счёт пере- хода в терагерцовые диапазоны частот. 1. локализация и обнаружение с помо- 2. сети начнут проектировать с исполь- щью сети связи окажутся важной осо- зованием искусственного интеллек- Спектральная эффективность улуч- бенностью 6G. Точность и аккурат- та, встроенного в различные узлы. То, шится путём использования массив- ность – главные критерии качества насколько быстро ИИ адаптируется ного многопользовательского много- локализации и обнаружения. Будет до- к новым условиям в сети, является канального обмена данными (MIMO) стигнута точность позиционирования важным показателем. Сетевая авто- не только в сантиметровых (cmWave), до сантиметра. Также точность обна- матизация станет нормой, и поэто- но и в миллиметровых (mmWave) диа- ружения объекта станет измеряться с му другим важным критерием станет пазонах по мере перехода от аналого- точки зрения вероятности пропуска то, насколько близка сеть к полной вого к гибридному/цифровому форми- обнаружения (missed detection – MD), автоматизации, для которой вооб- рованию луча в нижних диапазонах. ложной тревоги (false alarm – FA) и ще не требуется человеческое вме- Поскольку стоимость массового MIMO ошибок оценки параметров; шательство; падает, для дальнейшего повышения спектральной эффективности могут быть развёрнуты ещё более крупные массивы. 10 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Данные сети и датчиков станут основными ресурсами, которые будут использоваться для повышения производительности системы 6G Данные Спектр Космос Новой темой станет использование Интеллектуальная Потребление энергии в сетях отдельных от устройств вычислений, инфраструктура и устройствах будет тщательно доступных в локальной сети изучено Вычисления Энергия Эффективность Рис. 4. Три новых фундаментальных аспекта проектирования системы Уплотнение сети, несомненно, продол- чество транзисторов, которые можно жится не только ради пропускной спо- упаковать в единицу объёма, что огра- собности. Уплотнение необходимо для ничивает вычислительную мощность обеспечения большего покрытия в более устройств. Вторая тенденция: для рас- высоких частотных диапазонах, с более ширения возможностей восприятия высокими скоростями передачи данных человека будет использовано множе- и большей надёжностью. Кроме того, рас- ство гаджетов, таких как очки, науш- ширится и доступ к частотному спектру. ники и другие носимые устройства, Совместное использование оператора- имеющие очень малые форм-факторы ми лицензированного спектра на осно- и, следовательно, ограниченные по ве программно-определяемого радио вычислительным возможностям. (SDR), ИИ и машинного обучения (МО) позволит многократно использовать Текущий подход к вычислениям, произ- спектр частот. Эффективное повторное водимым в облаке, вряд ли будет достаточ- использование спектра особенно важно ным для удовлетворения потребностей в в нижних диапазонах, поскольку послед- синхронных вычислениях на различных ние обладают хорошими характеристи- устройствах. Использование локально ками распространения вне зоны прямой доступных, но отдельных от устройств видимости (NLOS). Ресурсы спектра в вычислений станет новой темой. Вычис- этих диапазонах ограничены. ления должны рассматриваться как ещё одно важное измерение, определяющее Шестое поколение связи будет корен- дизайн новой системы связи. ным образом отличаться от предыдущих поколений тем, что в дополнение к упо- Энергоёмкость каждого элемента сети мянутым трём традиционным измере- будет определять производительность. ниям появятся ещё три (голубой тре- У некоторых типов устройств затраты угольник на рис. 3). Эти измерения энергии будут близки к нулю: на базо- представляют собой фундаментальные вых радиостанциях будут выставлены ресурсы данных, вычислений и энергии. ограничения по энергопотреблению, а также ограничения по мощности в цен- Методы ИИ и машинного обучения трах обработки данных. основаны на обработке данных. Тот, кто имеет доступ к большим объёмам пред- К 2030-м годам предметом присталь- метно-ориентированных данных, будет ного внимания станут решения в обла- успешнее применять эти методы. Фунда- сти изменения климата, растущее ментальное значение в проектировании энергопотребление сетей и устройств. систем 6G будут иметь ИИ и МО. Сетевые Энергоэффективность становится ещё и сенсорные данные станут базовыми одним важным аспектом при разработ- ресурсами, использующимися для повы- ке 6G. Качество связи шестого поколе- шения производительности системы. ния будет оцениваться шестью фунда- ментальными параметрами. Именно эти Хотя вычислительная мощность всег- параметры необходимо изучить иссле- да была важным параметром для сото- дователям для достижения целевых вых систем, два тренда указывают на показателей эффективности (см. рис. 4). то, что вычислительная мощность как ресурс постепенно ограничивается. В продолжении статьи мы расска- Первая тенденция – это растущее коли- жем о шести ключевых технологиях, на которых будет базироваться 6G. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 WWW.SOEL.RU 11

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Решение для энергоснабжения системы выращивания коралловых рифов CCell и Vicor Рори Бакстер (Vicor Corporation) Ещё одна цель CCell – использовать для энергоснабжения систем выращи- В статье рассказывается об инновационном способе энергосбережения вания рифов возобновляемые источни- в системе, которая помогает восстанавливать коралловые рифы для ки энергии, такие как солнце, ветер и сохранения береговой линии и защиты проживающих на ней людей. волны. Выбор источника обычно опре- деляется расстоянием от рифа до бере- По последним данным, более 70% Исследования показывают, что общая говой линии. Для эффективной борь- береговых линий на планете разру- энергия волн растёт на 0,4% в год из-за бы с эрозией океанские волны должны шаются в результате эрозии, при этом потепления океанических вод. Если рассеиваться примерно за 300 м до жизнь 200 миллионов человек во всём сократить энергию волн на 5–8%, вос- берега. мире зависит от защиты, создаваемой станавливая и создавая рифы, то мож- коралловыми рифами. Есть мнение, но снизить ударное воздействие волн Для выращивания 360 м2 коралло- что 99% существующих рифов исчезнут на берег до уровня примерно 20-лет- вого рифа требуется около 2 кВт энер- к 2040 году. Это создаёт серьёзные риски ней давности и полностью остановить гии. Теоретически волновые энер- для проживания и благополучия людей береговую эрозию. гетические установки (см. рис. 1) в Мексике, Индонезии и множестве мел- могут быть дороже солнечных пане- ких островных поселений во всём мире. Для этого следует предоставить лей, однако чем дальше от берега они известняковую основу без посторонних располагаются, тем выше эффектив- Цель проекта CCell Renewables – примесей, на которой растут кораллы. ность преобразования энергии волн. борьба с береговой эрозией и разви- Она должна иметь прочную молекуляр- В нескольких проектах, над которы- тие морских экосистем путём восста- ную структуру и быстро расти. Процес- ми сейчас работает CCell, преобра- новления повреждённых коралловых су электролиза требуется точность, и он зователи располагаются на рифах рифов и выращивания новых. не должен идти слишком быстро или дальше 700 м от берега. Помимо медленно. Если слишком медленно – использования своей системы для Доктор Вольф Гильберц изобрёл ничего не вырастет, слишком быстро – восстановления повреждённых участ- революционную методику, основан- известняк не удастся заселить. ков рифов, компания обсуждает ную на электролизе морской воды. устройство трёхсотметрового рифа Методика позволяет всего за 5 лет соз- Точность и энергетические всего в 70 м от берега. Эта система дать невероятно прочную известняко- трудности будет питаться солнечной и волно- вую скалу, на формирование которой вой энергией. в обычных условиях потребовались Масштабное выращивание устойчи- бы сотни лет. Гильберц выращивал вых коралловых рифов вдалеке от раз- Все возобновляемые источники энер- небольшие рифы, а CCell сегодня соз- витой инфраструктуры и в нескольких гии имеют одно общее свойство: при даёт намного более крупные структуры, сотнях метров от берега связано со выработке электроэнергии выходное которые окажут значительное положи- множеством трудностей. Однако инже- напряжение крайне нестабильно из-за тельное влияние на прибрежную эко- нерам CCell удалось разработать для постоянно меняющихся окружающих систему. такой задачи инновационное решение. условий. Лопасть из композитного материала Гидравлический поршень Узел отбора мощности и силовая электроника Опорная конструкция Рис. 1. Главный силовой генератор CCell, основанный Рис. 2. Сеть энергоснабжения CCell на преобразователе волновой энергии компании Vicor СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 12 WWW.SOEL.RU

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Главный силовой генератор CCell чиков сети энергоснабжения к несколь- большое расстояние, поэтому требуе- основан на инновационном преобра- ким проблемам: мая мощность составляет почти 2 кВт, зователе волновой энергии, в котором 1. входное напряжение, меняющееся в однако повышенное напряжение прочная лопасть приводит в движение помогает уменьшить сечение кабе- элементы гидравлической системы и диапазоне от 30 до 70 В, преобразо- ля и таким образом экономить энер- вырабатывает электричество. Эта уста- вывается и регулируется для управ- гию. Регулятор PRM не только рабо- новка требует точной регулировки для ляющей системы на берегу, а элек- тает в широком диапазоне входных выращивания коралла. тролитическая установка находится напряжений, но и оптимизирован на рифе; для передачи более высоких регули- Помимо необходимости в норма- 2. обеспечение передачи электроэнер- руемых напряжений и последующего лизации широких колебаний входно- гии высокой мощности (2 кВт) на преобразования модулем VTM. го напряжения, в процессе электроли- морскую электролитическую уста- за нужно учитывать состав морской новку, находящуюся на расстоянии VTM представляет собой резонанс- воды, температуру и скорость потока до 700 м от берега; ный высокочастотный нерегулиру- через электроды (анод и катод), кото- 3. передача высокого тока (примерно емый преобразователь напряжения, рые образуются стальной рамой. Все до 1700 А) и поддержание напряже- выходное напряжение которого рав- эти переменные нужно внимательно ния на нужном уровне. Напряжение но входному напряжению, умножен- отслеживать, измерять и контролиро- между электродами стальной сет- ному на постоянный коэффициент. вать, чтобы разность потенциалов меж- ки должно находиться в диапазоне Коэффициент преобразования назы- ду анодами и катодами обеспечивала 1,2...4 В, а система энергоснабжения вается K-коэффициентом. VTM рабо- точно рассчитанный ток сквозь мор- должна уметь быстро корректиро- тает как трансформатор DC-DC: если скую воду. Это нужно, чтобы оптими- вать напряжение и ток при посто- K-коэффициент равен 1:8, то выходное зировать процесс электролиза и гаран- янно меняющихся условиях. напряжение составляет 1/8 от входно- тировать рост прочных и устойчивых Компания Vicor порекомендовала го, а усиление по току становится вось- известняковых отложений (из карбо- свою проверенную факторизованную микратным. Два модуля работают вме- ната кальция) из растворённых в мор- архитектуру электропитания (FPA), сте: PRM точно регулирует напряжение ской воде минералов. поскольку полностью была уверена, для рифа, а VTM преобразует и переда- что та соответствует всем требовани- ёт ток на электроды. Рост рифов управляется за счёт точ- ям и может обеспечить высокую плот- ного контроля разности потенциалов ность тока для минимизации размеров PRM будет регулировать входное электрического поля между электрода- системы энергоснабжения, развёрну- напряжение в диапазоне 36...70 В с ми в пределах «обитаемой зоны», кото- той в океане. FPA включает мультипли- учётом измеренных падений напря- рая для системы CCell составляет от 1,2 катор тока, который также характеризу- жения в силовых кабелях до рифа. до 4 В в зависимости от упомянутых ется способностью быстро реагировать Получаемое от преобразователя вол- условий окружающей среды. на переходные процессы. новой энергии напряжение преобра- зовывается и подаётся на вход моду- Сеть энергоснабжения Факторизованная система лей VTM мощностью 9,6...32 В, которые электропитания с K-коэффициентом 1:8 выдают напря- Для выращивания 360 м2 кораллово- жение 1,2...4 В. В зависимости от посто- го рифа требуется около 2 кВт энергии. Стандартный преобразователь DC-DC янно меняющихся условий окружа- Преобразователи волновой энергии, из выполняет две функции, реализован- ющей среды PRM регулирует подачу которых состоит морская электростан- ные в одном устройстве: преобразова- напряжения на модули VTM, чтобы на ция, размещаются в местах максималь- ние и регулирование. Разработка Vicor выходе получалось напряжение задан- ного выхода энергии вблизи береговой факторизует (разделяет) функцию пре- ного уровня. линии. Выходное напряжение преоб- образователя DC-DC на два отдельных разователей меняется в диапазоне от модуля: регулятор PRM и мультиплика- Выверенная подача электроэнергии 35 до 70 В. тор тока VTM. Архитектура и топология на стальную раму обеспечивает извле- каждого устройства идеально подходят чение из морской воды минералов, Сеть энергоснабжения (см. рис. 2) для нетривиальных задач энергоснаб- которые осаждаются на раме и форми- строится по следующему принципу: жения, стоящих перед CCell. руют прочную известняковую структу- на первом этапе происходит преоб- ру. После ручного засеивания кораллов разование, за которым следует регу- Во-первых, регулятор напряжения на известняк, CCell может ускорить рост лирование в точке снятия мощности PRM способен повышать и пони- коралла на известняковой скале так, что для систем мониторинга и управляю- жать стабилизируемое напряжение коралл будет расти в 3 раза быстрее, чем щей электроники. Энергия передаётся в широком диапазоне изменений в природных условиях. по длинному кабелю к системе электро- напряжения на входе. Благодаря лиза, размещающейся очень близко к топологии, при которой переключе- Сегодня CCell создаёт в Мексике стальной раме на дне океана, где вос- ние силовых транзисторов происхо- новый риф, размер которого составит станавливается или создаётся риф. дит при нулевом напряжении (ZVS), 200×6 м. Процесс выращивания хорошо регулятор обладает очень высокими проходит в регионах с тёплой водой, При мощности 2 кВт и разности КПД и удельной мощностью, а так- таких как Мексиканский залив и Кариб- потенциалов между электродами в зоне же позволяет легко создавать парал- ское море, там известняк в сочетании с оптимальных значений (1,2...4 В) систе- лельные массивы для энергоснабже- карбонатом кальция растворяется мед- ма питания электролитической уста- ния большей мощности. Передача леннее. В будущем предстоит решить новки должна выдавать ток до 1666 А энергии до рифа осуществляется на аналогичную задачу для более холод- на нижней границе диапазона напря- ных вод. жений. Эти условия привели разработ- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 WWW.SOEL.RU 13

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Нужное – читать, ненужное – не читать Максим Селиванов ([email protected]) ● «4» – это защита от конденсата и не- прямого попадания; В статье рассказывается о наиболее распространённых в России RFID-терминалах сбора данных (ридерах и считывателях), ● «7» – полная защита от влаги и воды: а также об их основных характеристиках. оборудование может быть погруже- но в воду, на него может воздейство- Локации применения рая – от влаги). Для эксплуатации на вать струя из брандспойта; открытых пространствах нужны риде- Считыватели RFID делятся на две ры с IP67 или 68. В России представле- ● «9» – стойкость к воде под давлением: принципиальные категории: стацио- ны модели считывателей для помеще- нахождение под водой на глубине 1 м нарные и мобильные. Стационарные ний торговых марок Zebra (см. рис. 1), в течение часа в рабочем состоянии. постоянно находятся на одном месте Impinj и др., для улицы – SICK, Hopeland, Кстати, в защитных параметрах и идентифицируют движущиеся объ- Feig. Это производители, имеющие екты. представительства в России, что важ- мобильных ридеров учтены особен- но по многим причинам. ности использования в условиях мор- В свою очередь, стационарные счи- ского порта, где воздействие оказыва- тыватели можно разделить на два типа: Всё оборудование для ввоза в Рос- ет ещё и соляной туман. те, которые соответствуют климатиче- сию должно быть сертифицировано. ским условиям улицы и другим слож- Обычно сертификацией занимает- Обязательное условие, предъявляе- ным условиям; и те, которые соответ- ся представительство компании или мое к мобильным терминалам, – стой- ствуют офисным, складским, цеховым дистрибьюторы. Терминалы являют- кость к падению и ударам. Терминалы и прочим условиям, характерным для ся активным оборудованием, излуча- этого типа должны не только не разби- внутренних помещений. ющим радиосигнал. Уличные терми- ваться, но и исправно выполнять свои налы и терминалы для помещений функции после многократных паде- Также стационарные считыватели используют разные частоты, к каждо- ний. Более того, в российском климате различаются по классу защиты от пыли му терминалу радиочастотный коми- важным фактором является стабильная и влаги IP (Ingress Protection Rating – тет предъявляет особые требования. работа считывающего оборудования степень защиты оболочки). Для поме- Используемые частоты указываются при отрицательных температурах. щений в основном используются ста- в разрешительных документах. Совмещение этих, прямо скажем, не ционарные ридеры, соответствующие самых приятных воздействий не долж- классу IP54 (первая цифра – индекс сте- Мобильные терминалы сбора данных но сказываться на считывающих свой- пени защиты от твёрдых частиц, вто- применяются для идентификации раз- ствах терминала. личных объектов (как движущихся, так и неподвижных) и классифицируют- Например, оборудование от Zebra ся по условиям эксплуатации. Мобиль- можно неоднократно ронять при тем- ные терминалы гораздо лучше защище- пературе –20°C, и при этом оно оста- ны от воды и брызг дождя. Например, нется работоспособным; устройство если рассматривать вторую цифру в IP сделано с большим запасом прочно- мобильных терминалов: сти и стойкости к перепадам темпера- тур. «Силтэк» проводил эксперимент: замораживал терминал Zebra до –60°C. При этом оборудование оставалось в Рис. 1. ТСД после 10 минут при температуре –60°С Рис 2. Стационарный считыватель Zebra FX9600 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 WWW.SOEL.RU 14

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Рис. 3. Мобильный терминал Chainway C71 рабочем состоянии достаточное вре- перечисленных марок на российском Рис. 4. Стационарный считыватель Chainway URA8 мя для кратковременного сканирова- рынке есть достойные модели компа- ния (см. рис. 2). При работе на морозе ний Nordic и Cloud. Терминалы могут тывания. Ридеры с маленькими антен- было выделено несколько слабых мест не только считывать метки, но и про- нами считывают метки на расстоянии устройства: экран, аккумулятор и пере- граммировать их. Главное, чтобы этот 0,5...1,5 м. Мощные большие антенны зарядка аккумулятора. Наиболее опти- функционал был заложен в программ- «добивают» на 15...20 м. Так, мобиль- мально этот вопрос решён у моделей ном обеспечении. ный терминал Zebra RFD8500 считы- Zebra МС3390R и МС3330. После нажа- вает метку на расстоянии 16 м в обыч- тия двух защёлок аккумулятор вытаски- Стационарные ридеры всегда работа- ных офисных условиях. В среднем все вается, так же легко вставить новый. Все ют в компьютерной сети предприятия и RFID-метки создаются с параметрами, настройки и данные при этом никуда взаимодействуют с сервером. Антенны позволяющими «видеть» их на дистан- не исчезают, терминал продолжает могут встраиваться и являются частью ции 5...8 м. Этого достаточно для 90% работать с той же самой точки, на кото- моноблока (Nordic, SICK, Hopeland). логистических операций. рой остановился, практически мгно- Или, как вариант, ридеры могут иметь 24 венно. Никакой перезагрузки данных антенных выхода. На рынке также пред- Считывать метки на расстоянии не требуется. Внутренняя бэкап-бата- ставлены стационарные ридеры отече- 20 м зачастую не имеет смысла, рея позволит сохранить сеанс в рабо- ственных производителей, например потому что в поле ридера попадёт чем состоянии на время перезарядки устройства ОКБ «Планета» концерна РТИ. очень большое количество меток. аккумулятора. Такое происходит, например, на К ридерам Zebra антенны всегда под- складе. Многие думают, что нуж- Антенна, мощность, дальность соединяются отдельно, с помощью но выбирать самую мощную антен- коаксиальных кабелей длиной от 1 до ну и самую чувствительную метку, Размер антенны и излучаемая ею 9 м и диаметром 5 мм. Если стационар- чтобы с их помощью налаживать мощность имеют большое влияние на ные считыватели не соединены со сво- эффективный процесс инвентари- потребительские характеристики тер- ей антенной, они имеют выходы для зации. Однако когда ридеру одно- миналов. При этом мощность должна внешних антенн. Кроме того, в стацио- временно «ответят» 10 тыс. меток со строго соответствовать предписаниям нарных терминалах применяются раз- всех углов склада, коллапса не избе- действующего законодательства. множители сигнала, тогда использует- жать. Подобные системы, работаю- ся 4 порта выходов на антенну и можно щие на дальние расстояния, хоро- Мобильные терминалы имеют мощ- дополнительно подключить коммута- шо использовать в режиме поиска ность в несколько раз ниже, чем стацио- торы. Такое решение позволяет полу- какого-то маркированного актива. нарные. Исходя из этого, они считыва- чить суммарно 16 или даже 32 антенны. Мобильному ридеру задаётся номер, ют метки на более близком расстоянии. Каждый ридер работает на определён- далее с помощью мощной антенны В мобильных ридерах используются ной операционной системе. На данный определяется направление, в кото- антенны различных размеров. Напри- момент самыми популярными являют- ром находится товар на складе. Для мер, у Zebra MC3390R одна из самых ся Linux-подобные системы. Но бывают инвентаризации, наоборот, уменьша- дальнобойных антенн, имеющая фор- и модели из прошлого на базе Windows ют мощность ридеров, и считывают му ковша и работающая чувствительно CE. Или, наоборот, прорыв в будущее: только то, что лежит в зоне осмотра. и направленно. ридер Chainway URA8 (см. рис. 4), кото- рый работает на OS Android 9.0 и к кото- Читать нужное и не читать ненуж- У терминала Chainway С71 (см. рис. 3) рому можно подключить через порт ное – самая главная задача всех тер- – одна из самых компактных антенн, HDMI монитор. миналов. благодаря которой терминал име- ет небольшой размер и его можно От компактности антенны и излучае- носить в нагрудном кармане. Кроме мой мощности зависит дальность счи- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 WWW.SOEL.RU 15

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Инновации в производственных испытаниях базовых станций 5G миллиметрового диапазона Норм Смит (Keysight Technologies) станций LTE четвёртого поколения, которые работали в диапазонах ниже В статье рассказывается об инновациях в выносных радиомодулях 6 ГГц. миллиметрового диапазона, а также об ужесточении требований к характеристикам систем тестирования базовых станций. Кроме того, из-за компактной кон- струкции и отсутствия доступа к эле- Вступление Ужесточение требований ментам антенны базовой станции для к характеристикам систем оценки соответствия высокочастотных Пандемия COVID-19 нарушила гло- тестирования базовых станций характеристик стандартам 3GPP тре- бальные рынки сбыта, что предсказу- буется тестирование по радиоэфиру. емо повлияло на производственные Специалисты по производству ВЧ Оно выполняется в безэховой камере, цепи оборудования 5G. Это привело к сетевого оборудования знают, что такой как CATR от Keysight Technologies тому, что некоторые страны объявили тестирование базовых станций в (см. рис. 2). о задержках в своих планах по развёр- диапазоне FR2 (см. рис. 1) предъяв- тыванию сетей 5G. ляет повышенные требования к при- Требование выполнять тестирование борам для измерения таких радиоча- по радиоэфиру означает, что интерфей- Несмотря на сложную глобальную стотных характеристик, как модуль сом взаимодействия с тестируемым экономическую ситуацию, вызван- вектора ошибки (EVM) и относитель- устройством теперь является измери- ную пандемией, производители сете- ный уровень мощности в соседнем тельная антенна внутри безэховой вого оборудования (NEM) и сетевые канале (ACLR) в миллиметровом диа- камеры, которая может быть распо- операторы реализуют план по нара- пазоне. ложена в нескольких метрах от кон- щиванию производства и развёрты- трольно-измерительного оборудова- ванию сетей. Первое установленное На высоких частотах наблюдается ния. От контрольно-измерительного оборудование 5G в основном было неизбежное увеличение шума полу- оборудования требуются более высокие рассчитано на работу в диапазоне FR1 проводниковых приборов и гармони- выходная мощность и чувствительность (от 410 МГц до 7,125 ГГц). На следую- ческих искажений в ВЧ компонентах и для компенсации потерь при прохожде- щем этапе будет внедряться оборудова- подсистемах базовой станции. Это зна- нии сигнала миллиметрового диапазо- ние диапазона FR2 (от 24,25 до 52,6 ГГц), чительно усложняет выполнение тре- на в свободном пространстве по кабелю. а точнее – 24,25...43,5 ГГц. бований к высокой производительно- сти систем 5G. Например, выполнение Поскольку несущие 5G NR диапазона В связи с этим внимание акцентиру- требования относительно сверхмалой FR2 могут иметь полосы 50, 100, 200 или ется на проблемах увеличения объёмов задержки требует значительно мень- 400 МГц, то следующую проблему пред- производства высокопроизводитель- шей ошибки фазы и более точной син- ставляет собой измерение EVM и ACLR ных базовых станций 5G NR и развёр- хронизации на гораздо более высоких для более широкополосных сигналов. тывания малых сот миллиметрового частотах, чем у предыдущих базовых Это особенно актуально при исполь- диапазона. зовании агрегирования несущих, что Рис. 1. Пример базовой станции 5G-диапазона FR2 Рис. 2. Безэховая камера Keysight CATR430 16 WWW.SOEL.RU Рис. 3. Система тестирования базовых станций Keysight S9130A-TR1 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ увеличивает требования к полосе про- Рис. 4. Результаты измерения ACLR сигнала 8CC на частоте 28 ГГц с помощью S9130A-TR1Keysight пускания контрольно-измерительного S9130A-TR1 оборудования. Выполнение измерений по радио- эфиру связано с большими потерями в радиоканале. Эти потери заставляют использовать даже самые высокопро- изводительные лабораторные изме- рительные приборы вне оптимально- го диапазона мощности, что ухудшает точность измерений ACLR и EVM. Кроме того, в схему измерений по радиоэфи- ру требуется вводить внешние компо- ненты, такие как усилители мощно- сти и малошумящие усилители. Также необходимы антенные коммутато- ры для переключения сигналов между антеннами с горизонтальной и верти- кальной поляризацией с различными приборами при тестировании приём- ника и передатчика. Калибровка раз- личных трактов и компонентов в таких системах тестирования, собранных из традиционных лабораторных прибо- ров миллиметрового диапазона, может занять очень много времени. Кроме того, количество таких систем слож- но увеличивать при наращивании объ- ёмов производства. Всё это приводит к удорожанию стендов для производ- ственных испытаний оборудования миллиметрового диапазона и увели- чению производственных площадей. Это происходит из-за необходимо- сти использовать большие безэховые камеры для тестирования в диапазоне FR2. В целом по сравнению с измере- ниями в радиоканале, которые обычно выполняются в диапазоне FR1, вся сре- да тестирования по радиоэфиру в FR2 является более комплексной и труднее масштабируется. Инновации в выносных Рис. 5. Результаты измерения EVM сигнала 8CC на частоте 39 ГГц с помощью S9130A-TR1 радиомодулях миллиметрового диапазона камеры и соединяется с ней коротким эфиру, что позволяет сэкономить кабелем. время на калибровку и значительно В отличие от традиционных уменьшить сложность измеритель- систем тестирования, показанный на Благодаря двум двунаправленным ной схемы. рис. 3 высокопроизводительный мно- портам миллиметрового диапазо- годиапазонный векторный трансивер на и регулируемому коэффициенту Лучшие в своём классе возможности (S9130A-TR1) использует современный усиления в выносном радиомодуле, измерения ACLR и EVM в S9130A-TR1 выносной радиомодуль для повыша- трансивер S9130A-TR1 может выпол- теперь можно использовать для оценки ющего преобразования частоты с ПЧ нять измерение отправляемых и при- характеристик базовых станций. Благо- (до 12 ГГц) в частоту диапазона FR2 нимаемых сигналов с горизонталь- даря уникальному источнику сигнала в (24,25–43,5 ГГц). Благодаря выносному ной и вертикальной поляризацией в трансивере S9130A приёмник базовой радиомодулю в системе устраняются широком диапазоне мощностей, чему станции можно тестировать столь же большие потери в РЧ кабеле между без- способствуют минимальные потери эффективно, как и передатчик. эховой камерой и контрольно-изме- в соединительном кабеле. Выносной рительным оборудованием. Значитель- радиомодуль объединяет несколь- На рис. 4 показаны результаты типо- ное уменьшение потерь достигается ко трактов и внешние компоненты, вого измерения ACLR сигнала 8CC 5G за счёт того, что выносной радиомо- используемые в типовой лаборатор- NR на частоте 28 ГГц с помощью S9130A дуль располагается вблизи безэховой ной системе тестирования по радио- в режиме тестирования по кольцу. На рис. 5 показаны результаты измере- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 WWW.SOEL.RU 17

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Рис. 6. Высокопроизводительный векторный Сколько стоит тестирование? Тестирование на всех этапах трансивер M9415A VXT является основой разработки нового решения S9130A Все, кто занимаются производствен- ными испытаниями, знают, что их стои- Желая значительно снизить затра- ния EVM сигнала 8CC 5G NR на часто- мость имеет большое значение, особен- ты за счёт отказа от традиционных те 39 ГГц. но когда дело доходит до тестирования с лабораторных приборов, заказчики помощью традиционных лабораторных обнаруживают, что эти типы поло- приборов. К счастью, благодаря иннова- совых миллиметровых систем так- циям в M9415A – новом модуле VXT фор- же хорошо подходят для высоко- мата PXIe, шириной три слота (см. рис. 6), эффективного тестирования малых с диапазоном частот до 12 ГГц для FR1, а сот диапазона FR2 или макросот в также обеспечивающим тестирование на ходе НИОКР, проверки разработок ПЧ – система S9130A (см. рис. 3) может и испытаний на соответствие стан- работать в обоих диапазонах, FR1 и FR2. дартам. Дополнительная информа- ция об этом есть на сайте Keysight Это решение значительно снижает Technologies [1]. стоимость оборудования за счёт устране- ния дорогостоящих компонентов милли- Литература метрового диапазона, обеспечивающих непрерывность исследуемого диапазона 1. 5G NR Base Station Test Solutions. частот, что не нужно в среде производ- URL: www.keysight.com/find/ ственного тестирования. basestationtest. НОВОСТИ МИРА Промышленный лидар за $100 Nova обеспечивает трёхмерное изобра- создающая круговую виртуальную зону жение высокого разрешения с широким безопасности при минимальном ущер- Миниатюрный лидарный датчик с полем зрения 90…120° (горизонталь) и бе эстетике конструкции транспортно- широким полем обзора для ближнего 60…90° (вертикаль), в зависимости от кон- го средства. зондирования стоимостью менее $100 фигурации. Оснащённый технологией для массового автомобильного и про- Micro Motion Technology (MMT), невраща- Nova идеально подходит для точного мышленного применения выпустила ющийся, беззеркальный и не имеющий обнаружения объектов поблизости, таких компания Cepton Technologies. движущихся частей лидар Nova можно как маленькие дети, дорожные объекты, размещать по периметру транспортного края дороги, неподвижные объекты и Лидарный датчик Nova за $100 имеет средства, чтобы обеспечить полный обзор многое другое. По заявлению компании, размеры 3,5 × 3,5 × 7,5 см и весит менее его непосредственного окружения на 360°. с таким уровнем возможностей и сверх- 350 г, что делает его самым маленьким Устройство имеет угловое разрешение до компактным дизайном Nova может под- лидарным датчиком с широким полем 0,3 ° с максимальным радиусом действия держивать не только приложения ADAS зрения (FOV) в мире для приложений до 30 м и идеально подходит для автомо- и AV, но также автономные наземные ближнего радиуса действия. Устройство, бильных систем Advanced Driver Assistance транспортные средства (AGV) и интеллек- по словам компании, предназначено Systems (ADAS) и автономных транспорт- туальные промышленные приложения. для устранения серьёзных недостатков в ных средств (AV). Лидар может обнаружи- обнаружении объектов на расстоянии с вать слепые зоны и небольшие объекты, Модульная конструкция и легко- помощью современных сенсорных тех- оказывать автоматическую помощь при доступные компоненты делают лидар нологий. В настоящее время потреби- парковке и оценивать свободное про- легко производимым в больших объё- тельские автомобили ограничены тех- странство вокруг автомобиля. Для транс- мах при очень низкой стоимости. Он нологиями, которые не могут обеспечить портных средств может быть применена предлагается как первый лидар ближ- истинную автономию уровня 3 или уров- архитектура с несколькими лидарами, него радиуса действия с высоким полем ня 4 для массового рынка. Радары, каме- обзора по цене менее $100 США. ры и ультразвуковые датчики подвержены большому количеству ложных срабаты- www.cepton.com ваний и ложных отрицаний. Враща- ющиеся лидары не встраиваются, что делает их непрактичными для потреби- тельских автомобилей. Импульсные лида- ры со ближнего действия либо не имеют широкого поля зрения, либо не соответ- ствуют требованиям к мощности и разме- ру для установки по всему автомобилю. Nova представляет собой лидарную инно- вацию для автомобильной промышлен- ности, поскольку она обеспечивает непре- взойдённый уровень производительности для такого небольшого форм-фактора. 18 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021

ǘ͊éè͏ï͉͍͌èï͉üæø͎ñ͉æì͉ ǘ͊éè͏ï͉͍͌èï͉üæø͎ñ͉æì͉ úí͊ìñ͍͌ïïø͐ì͌îð͌ï͊ïñ͌æî͌è͏í͊͋ ñ͊͐ï͌í͌çë͋͌å͍͌͏è͌æ͉ïëüëî͉ñ͍͊ë͉í͌æ ëì͌îðí͊ìñ͏ûöë͐ èíüð͍͌ëêæ͌è͎ñæ͉ëêè͊íë͋úí͊ìñ͍͌ïï͌͋ ëúí͊ìñ͍͌ñ͊͐ïëô͎͊ì͌͋ð͍͌îøõí͊ïï͎͌ñë expoelectronica.ru electrontechexpo.ru 13–σõχτòā2021 ͎́͌ìæ͉̹͍͌ì͏͎âì͎ð͌ ̈́͌í͏ôëñ͉͊̽õ å͎͊ðí͉ñïø͋åëí͊ñ ð͌ð͍͌î͌ì͌è͏ee21print Реклама

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Цифровой вольтметр с высоким разрешением Часть 4. Настройка устройств Алексей Кузьминов ([email protected]) чим скорректированное (правильное) значение показаний Vк=k(V – V0). Про- Статья посвящена цифровому вольтметру с разрешением 6 десятичных верим полученную формулу. Имеем: разрядов на базе микроконтроллера EFM8LB12, оснащённому k = 1/(0,7 – 0,2) = 1/0,5 = 2; 14-разрядным SAR АЦП. Высокое разрешение прибора получено V–V0 = 0,5 – 0,2 = 0,3; в результате использования известного метода передискретизации Vк=k(V – V0) = 2×0,3 = 0,6. и осреднения, позволяющего существенно поднять разрешающую Это как раз и есть правильное значе- способность АЦП. ние при x = 0,6. В предыдущих частях были представлены принципиальные схемы устройств и программные средства. Отдельно было уделено внимание Таким образом, для нахождения пра- разводке и изготовлению печатных плат. Заключительная часть вильного значения измеренного АЦП посвящена настройке прибора. напряжения V сначала необходимо опре- делить коэффициент k = 1/(V1 – V0), Настройка приборов заключается в наклона прямой, а B – смещение. затем вычислить разность V – V0 проведении процедур калибровки нуля На графике приведены две реаль- и умножить её на k: Vк=k(V – V0). и полной шкалы, а также в настрой- ные передаточные функции (синяя ке аттенюатора (делителя входного и красная прямые), имеющие раз- Для нахождения V0, очевидно, тре- напряжения) подстроечными резисто- ный наклон и смещение. Тот факт, буется подать на вход АЦП нулевой рами R4 и R6 (см. рис. 1, 4). Но прежде что это именно прямые, а не кривые, потенциал, т.е. соединить сигнал CALV чем описывать эти процедуры, стоит будет обоснован далее. Синяя прямая, с «землёй» в разъёме XC1 (см. рис. 1, 4). уделить некоторое внимание сути кали- как можно заметить, пересекает ось y Для этого между контактами 2 и 3 бровки нуля и полной шкалы. при y = 0,2 (B = 0,2). Обозначим это сме- потребуется установить перемычку. щение V0 и будем называть его сме- Назовём эту процедуру калибров- На рисунке 24 приведён график щением нуля. Тангенс угла наклона K кой нуля. Для того чтобы «сообщить» зависимости показаний АЦП (ось этой прямой равен 0,5. Как скорректи- микроконтроллеру о том, что требу- y) от входного напряжения (ось x), ровать показания АЦП, если они соот- ется произвести калибровку нуля (т.е. построенный в безразмерных коор- ветствуют синей прямой? Например, запустить подпрограмму калибровки динатах. Это означает, что показания при x = 0,6 показания АЦП, очевидно, нуля), в разъёме XC2 (рис. 1, 4) потребу- АЦП и входное напряжение отнесе- будут 0,5, а в идеальном случае (чёр- ется заземлить сигнал CAL0, т.е. подать ны к значению опорного напряже- ная прямая) – 0,6. Чтобы скорректи- на него низкий уровень напряжения ния, составляющему в данном слу- ровать показания АЦП, необходимо, (лог. 0). Для этого необходимо соеди- чае 3 В, но оно может быть и любым во-первых, устранить смещение V0 нить контакты 1 и 2 разъема XC2. Кро- другим. Чёрным цветом показа- и, во-вторых, скорректировать коэф- ме того, потребуется снять с разъёма XD на идеальная прямая передаточной фициент наклона прямой. Пусть пока- (рис. 1, 4) ответную часть XD1 (см. рис. функции АЦП, уравнение которой: зания АЦП равны V (например, V=0,5 2б, 5г), соединяющую его с переключа- у = х (или y = Kx + B, где K = 1, а B = 0). при x = 0,6). Для коррекции, очевидно, телем диапазона измерений, или, дру- Коэффициент K – это тангенс угла вначале нужно из показания V вычесть гими словами, отключить аттенюатор, смещение V0, затем найти реаль- чтобы он не мешал калибровке. Таким y V1 ный тангенс угла наклона или реаль- образом, процедура калибровки нуля 1,0 ный коэффициент kр: kр = (V1–V0)/1. заключается в следующем: 0,9 Далее следует определить, во сколько 1. перед включением питания соеди- раз реальный коэффициент kр мень- 0,8 ше идеального (равного 1): 1/kр = 1/ нить джамперами контакты 2, 3 в 0,7 (V1–V0). Обозначим 1/kр = k и назо- разъёме XC1 и контакты 1 и 2 в разъ- 0,6 вём k коэффициентом коррекции. Если ёме XC2; теперь умножить разность (V–V0) на 2. снять с разъёма XD ответную часть 0,5 коэффициент коррекции k, то мы полу- XD1; 3. включить питание. 0,4 tg α = 0,5 «Обнаружив», что требуется выпол- нить калибровку нуля, микроконтрол- 0,3 0,2 α tg α = 0,75 V0 α tg α = 1 α 0,1 х 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,0 Рис. 24. График зависимости показаний АЦП аб от входного напряжения в безразмерных Рис. 25. Калибровка нуля: а) индикация процесса калибровки; б) результат калибровки координатах 20 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ лер запустит соответствующую под- аб программу. При этом будет измерено Рис. 26. Калибровка полной шкалы: а) индикация процесса калибровки; б) результат калибровки напряжение V0 и записано во флеш- память. Процесс калибровки нуля длит- CAL1 микроконтроллера. Для этого в ное напряжение по приведённой ранее ся 3–4 с. Перед началом калибровки на разъёме XC2 (см. рис. 1, 4) необходи- формуле. Это напряжение далее будет экран выведется сообщение, что про- мо соединить сигнал CAL1 (3-й вывод) умножено на 3 (т.е. на значение опор- цесс начался: «CAL.0» (см. рис. 25а). с «землёй» (2-й вывод). Также потребу- ного напряжения) и выведено на экран После окончания калибровки на экран ется снять с разъёма XD (см. рис. 1, 4) ЖКИ. Таким образом, процедура кали- ЖКИ выведется скорректированное ответную часть XD1 (см. рис. 2б, 5г), бровки полной шкалы состоит в сле- напряжение, т.е. из измеренного вход- соединяющую его с переключателем дующем: ного напряжения вычтется V0 и выве- диапазона измерений. При калибров- 1. перед включением питания соеди- дется на экран ЖКИ (см. рис. 25б). ке полной шкалы программа вначале При правильной калибровке нуля это прочитает из флеш-памяти записан- нить контакты 1 и 2 разъёма XC1 и напряжение должно строго равняться ный в неё в результате калибровки контакты 3 и 2 разъёма XC2; нулю. Дополнительно о том, что про- нуля коэффициент (V0). После полу- 2. снять с разъёма XD ответную часть изводится калибровка нуля, сообщит чения коэффициента калибровки XD1; чёрточка над 4-й цифрой. Далее пита- полной шкалы он будет записан во 3. включить питание. ние следует выключить и произвести флеш-память. Далее будет произведе- Начало процесса калибровки пол- калибровку полной шкалы, описан- но измерение входного напряжения ной шкалы отразится на экране сооб- ную далее. АЦП, и с учётом этого коэффициен- щением «CAL.1» (см. рис. 26а). После та, а также коэффициента калибров- окончания калибровки на экран При калибровке полной шка- ки нуля (V0) будет рассчитано реаль- выведется результат (см. рис. 26б), лы потребуется подать на вход АЦП при этом над 3-й цифрой появится напряжение ИОН (3 В), т.е. соединить сигнал CALV (2-й вывод разъёма XC1, см. рис. 1, 4) с сигналом Vref (1-й вывод XC1). Кроме того, чтобы запустилась подпрограмма калибровки полной шкалы, потребуется подать низкий уровень напряжения (лог. 0) на вход СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 WWW.SOEL.RU 21

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Корректирующий коэффициент пол- ной шкалы, по результатам проведён- ных измерений, варьировался от 1,01 до 1,015, т.е. погрешность составляет всего от 1 до 1,5%. Примеры работы вольтметра Измерение вольтметром напряже- ния новой батарейки АА (см. рис. 27а) показывает, что её напряжение суще- ственно выше 1,5 В. В то же время изме- рение напряжения батареи типа «Кро- на», которая проработала более 4 лет (см. рис. 27б), показывает, что её напря- жение уже несколько меньше номи- нального значения 9 В. а б Заключение Рис. 27. Измерение напряжения: а) щелочной батарейки АА; б) батареи «Крона» За высокое разрешение вольтме- чёрточка, дополнительно показыва- ре вида погрешностей, из которых тра неизбежно приходится платить: ющая, что производится калибров- максимальная – погрешность накло- прибор не имеет защиты ни от пере- ка полной шкалы. Результат должен на. В нашем случае это погрешность полюсовки, ни от превышения изме- строго равняться «3,00000». После полной шкалы. Погрешность смеще- ряемого напряжения максимальных окончания калибровки с разъёмов ния нуля на несколько битов мень- значений на использованных диа- XC1 и XC2 необходимо снять обе ше; ещё на несколько битов мень- пазонах. Однако в ситуациях, когда перемычки. ше интегральная нелинейность. требуется произвести всего два–три И последняя погрешность – диффе- относительно точных измерения Далее следует произвести настрой- ренциальная нелинейность. Она ещё напряжения, чтобы удостоверить- ку аттенюатора подстроечными рези- на несколько битов меньше. Пря- ся в полученных результатах, покуп- сторами R4 и R6 (см. рис. 1, 4). Для это- мое измерение напряжения показа- ка дорогостоящего прибора являет- го потребуется перемычка, с помощью ло, что погрешность смещения нуля ся нецелесообразной. Вот в таких которой необходимо подать опорное (V0) практически равна нулю (по случаях описанный прибор и может напряжение (сигнал Vref) с разъёма крайней мере, при том методе изме- оказать неоценимую помощь. Приме- XC1 (1-й контакт) на вход прибора рения напряжения и его осреднения нённый метод передискретизации и – сигнал Вх+ разъёма XUвх (2-й кон- по 65536 значениям). Другими сло- осреднения, позволяющий суще- такт). Такую перемычку можно изго- вами, 5-й знак после запятой в диа- ственно поднять разрешающую спо- товить из одножильного провода пазоне 0…6 В нулевой. В связи с этим, собность АЦП, можно использовать не (например, МГТФ-0,2) длиной около в принципе, калибровка нуля практи- только в других микроконтроллерах 5 см. На один конец провода нужно чески ничего существенного не даёт, со встроенными АЦП, но и в отдель- припаять ответное для разъёма XUвх и её вполне можно исключить. Одна- ных относительно скоростных АЦП, цанговое гнездо, а на второй – гнездо, ко этот факт, а также то, что погреш- сопряжённых с микроконтроллером. ответное для штыря с шагом 1,27 мм ность интегральной нелинейности Подобную конструкцию устройства и для разъёма XC1. Перед включением на несколько битов меньше погреш- программные средства можно приме- питания необходимо установить эту ности смещения нуля, означает, что нить не только для измерения напря- перемычку, а также подключить разъ- погрешность интегральной нелиней- жения, но и в более широких обла- ём от кабеля для переключателя диа- ности ничтожно мала, и её учитывать стях. Если оборудовать подобное пазона к разъёму XD. Диапазон изме- не имеет практического смысла. То же устройство различными датчиками рений следует установить 0…60 В. самое касается и дифференциальной физических величин (например, дат- После включения питания резисто- нелинейности. А раз так, то с достаточ- чиками давления, температуры, силы, ром R6 настроить показание ЖКИ, рав- но большой точностью можно конста- влажности и т.п.), то можно получить ным по возможности 3,0000 В. Далее тировать, что красная и синяя линии, достаточно точные автономные изме- (можно, не выключая питания) пере- приведённые на рисунке 25 для при- рители этих величин (манометры, ключить диапазон на 0…6 В и настро- мера, – это прямые (а не кривые), и барометры, термометры, динамоме- ить резистором R4 показание ЖКИ, все рассуждения по поводу формулы тры, влагомеры и т.п.) с цифровой равным 3,00000 В. После этого пита- получения реального напряжения с индикацией. Даже описанный в дан- ние следует выключить, а перемыч- учётом погрешностей смещения нуля ной статье прибор можно использовать ку снять. На этом настройка прибора и полной шкалы вполне логичны. Кста- для относительно точного измерения заканчивается. ти, прямое измерение показало также, сопротивления, для этого необходим что погрешность полной шкалы явля- только прецизионный резистор. Таким Здесь следует добавить следую- ется относительно малой величиной. образом, область применения опи- щее. В справочном листке на микро- санного устройства, на взгляд автора, контроллер EFM8LB12 указаны четы- довольно широка. 22 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021



ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Электронный редуктор. Как кардинально увеличить крутящий момент коллекторного двигателя переменного тока на низких оборотах Часть 2 Алексей Кузьминов ([email protected]) рения скорости вращения написано в статье автора [1]. В статье приведены принципиальные схемы, разводка плат и фотографии устройств регуляторов-стабилизаторов скорости Для получения напряжения пита- вращения мини-дрелей на базе микросхем U2010B/U2008B. Стабилизация ния микросхемы также используется скорости вращения коллекторных двигателей переменного тока, гасящий резистор R1 номиналом 22 К применённых в этих дрелях, дала возможность в разы увеличить мощностью 5 Вт (цементный рези- крутящий момент, что позволило существенно расширить сферу стор SQP-5), т.к. при рекомендован- применения подобных дрелей и использовать в таких режимах работы, ной в справочном листке мощности которые ранее были недоступны (сверление отверстий, распиловка, 2 Вт его нагрев составлял более 60°C, заточка). Показаны примеры применения сконструированных устройств. тогда как при мощности 5 Вт – толь- ко около 40°C. Диод SM4007 (VD1) Принципиальная схема 2000 об/мин и 10000 об/мин соответ- используется для однополупериодного устройства регулятора- ственно. При минимальной скорости выпрямления погашенного R1 напря- стабилизатора скорости 2000 об/мин даже при работе от напря- жения, а конденсатор C1, включён- на базе микросхемы U2008B жения 220 В, как было выявлено из экс- ный между напряжением питания –Vs перимента, «слепая зона» отсутствует, (5-й вывод DA1) и «землёй» (4-й вывод Микросхема U2008B – упрощённая поскольку при такой скорости враще- DA1), как сглаживающий. Напряжение версия U2010B, поэтому схема устрой- ния ток, потребляемый дрелью впол- питания через подстроечный резистор ства на её основе (см. рис. 2) более про- не достаточен для «захвата» петлёй R8 и последовательно включённый с ста. Хотя наиболее предпочтитель- компенсации нагрузки в микросхеме ним резистор R8_1 подаётся на вход ным рабочим напряжением для дрели U2008B. Rϕ (6-й вывод DA1), предназначенный SKRAB 56000 оказалось напряжение для начальной установки угла ϕ откры- 190 В, было решено использовать для Здесь следует отметить, что мини- тия симистора BTA24-600CW (VD2). этой цели сетевое напряжение 220 В. мальная и максимальная скорости Таким образом, сумма номиналов рези- Это было сделано по двум причинам. вращения дрелей TUNGFULL 1806B сторов R8 и R8_1 определяет номинал Во-первых, напряжение 220 В нена- (300...2000 об/мин) и SKRAB 56000 Rϕ: R8 + R8_1 = Rϕ, который совместно много отличается от 190 В и не требует (2000...10000 об/мин) были измере- с конденсатором C3 (Cϕ), подключён- трансформатора 220 В/190 В, что суще- ны автором достаточно точным спо- ным к выводу Cϕ (2-й вывод DA1), обра- ственно упрощает конструкцию всего собом с помощью головки для повер- зует RC-цепочку RϕCϕ. Постоянная вре- устройства. Во-вторых, на основе дре- ки газовых счётчиков, оснащённой мени данной цепочки и определяет ли SKRAB 56000 была сконструирова- крыльчаткой (звёздочкой), инфра- начальный угол ϕ открытия симистора на циркулярная пила и точило, скоро- красным светодиодом и фототранзи- VD2. Резистор R2 включён между сете- сти работы которых почти на порядок стором, между которыми она вращает- вым напряжением 220 В переменного больше скоростей при сверлении. Поэ- ся. Для измерения частоты вращения тока и входом Vsync (7-й вывод DA1) и тому максимальная и минимальная ско- был использован частотомер. Более служит для синхронизации с сетевым рости вращения дрели были выбраны подробно о подобном способе изме- напряжением. Импульсы для открытия симистора VD2 поступают на его УЭ с VD1 C1 + 100,0/50 выхода Out (8-й вывод DA1) через рези- SM4007 стор R3. Мотор М с помощью двухкон- DA1 тактной сетевой вилки X2 подключён R8 R14* к двухконтактной розетке X1 устрой- C4 82K X3 X4 ства. Как видно из схемы, мотор М ока- R1 V 100K R8_1 30K 5 –Vs GND 4 0,15 зывается включённым между сетевым 22K 6 R Cntrl 3 напряжением 220 В переменного тока Vsnc 2 R10 3 3 и силовым электродом A2 симистора Out R10_1 2 2 VD2, второй силовой электрод A1 кото- R2 7 P1 рого через токоизмерительный рези- 10K стор номиналом 0,1 Ом (R6) подключён ~220 В C к «земле». При максимальном токе 2,5 А 8 1 5,1K 1 1 (см. выше) максимальное напряжение 220K Isns 100K на R6, как нетрудно подсчитать, состав- 22 U2008B PSLM3 SIP3 11 X1 R3 C3 R7* X5 ≈220 В Р2К 180 R6 12 н 20K 2 1 X2 А2 G А1 ~220 В 2К VD2 0,1 В 2К M BTA24-600CW Рис. 2. Принципиальная схема стабилизатора скорости вращения электродвигателя мощностью 480 Вт на базе микросхемы U2008B 24 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ аб Рис. 3. Разводка платы на базе U2010B: а) со стороны навесных компонентов; б) с обратной стороны аб Рис. 4. Разводка платы на базе U2008B: а) со стороны навесных компонентов; б) с обратной стороны ляет 0,25 В, что согласуется со значе- (а не к VRef, как в U2010B). Второй его для сглаживания напряжения на вхо- нием, указанным в справочном лист- вывод через резистор R7 подключён де Control Input/Compensation Output ке. В отличие от микросхемы U2010B к «земле», а движок через подстроеч- (3-й вывод DA1), поскольку, как уже микросхема U2008B имеет только один ный резистор R10 и последовательно отмечалось, для получения этого вход Isense (1-й вывод DA1), предназна- с ним включённый резистор R10_1 – напряжения используется напряже- ченный для измерения напряжения на ко входу Control Input/Compensation ние питания –Vs, полученное одополу- токоизмерительном резисторе R6. Фак- Output (3-й вывод DA1). Резистор R10 периодным выпрямителем и имеющее тически это его потенциал относитель- также служит для настройки компен- значительные пульсации. Устройство но «земли». В микросхеме отсутствуют сации нагрузки. Сам потенциометр подключается к сетевому напряжению две опции: защита по току (поэтому в P1 расположен отдельно от платы, на 220 В переменного тока с помощью схеме не предусмотрен светодиод и корпусе (см. далее), и подключается к стандартной двухконтактной вилки X5. вывод для него) и выход опорного ней с помощью трёхжильного прово- напряжения (VRef), как в U2010B. Кроме да, один конец которого припаян к P1, Настройка схемы, показанной на того, выход напряжения компенсации а второй – к трёхконтактному разъё- рисунке 2, аналогична настройке пре- нагрузки (Comp) уже соединён со вхо- му X4, представляющему собой три дыдущей схемы (см. рис. 1), за исклю- дом Control внутри микросхемы. Дан- цанговых гнезда с расстоянием между чением настройки защиты по току, ный вывод (3-й вывод DA1) так и назы- ними 2,54 мм (SIP3). Этот разъём под- поскольку такой защиты в U2008B не вается: Control Input/Compensation ключается к ответному разъёму X3, предусмотрено. Обозначение всех Output. В связи с этим один вывод расположенному на плате и представ- резисторов, используемых для настрой- потенциометра P1 через резистор R14 ляющему собой три цанговых шты- ки (R8, R10, R7, R14 и P1) – то же, что и подключён к напряжению питания –Vs ря (PSLM3). Конденсатор C4 служит на рисунке 1. В связи с этим подробное описание настройки не приводится. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 WWW.SOEL.RU 25

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ а а вой грани корпуса винтом М3 впотай и гайкой. На днище и боковых гранях б б корпусов просверлены отверстия для доступа воздуха с целью конвективно- Рис. 5. Фотография платы на базе U2010B: Рис. 6. Фотография платы на базе U2008B: го охлаждения мощных балластных а) со стороны SMD-компонентов; а) со стороны SMD-компонентов; резисторов. Светодиод и потенцио- б) со стороны навесных компонентов б) со стороны навесных компонентов метр укреплены на лицевой поверх- ности корпуса устройства на базе Разводка плат и фотографии в плату (см. фото на рис. 5б, 6б). На них U2010B (см. рис. 7 справа). На лице- устройств надеваются ответные клеммы, припа- вой поверхности корпуса устрой- янные к соответствующим проводам ства на базе U2008B закреплён толь- Разводка плат выполнена в програм- (МГТФ-1,0). На эти клеммы надета тер- ко потенциометр (см. рис. 8 справа). ме SprintLayout 6.0. Обе платы имеют моусадочная трубка соответствующего На штоках потенциометров установле- двустороннюю разводку (см. рис. 3 и 4). размера. Эти клеммы можно заметить ны карболитовые ручки. Конструкци- О разводке и изготовлении подобных на фотографиях плат в корпусах раз- ей корпусов предусмотрено защёлки- плат и фотошаблонов подробно рас- мером 30×46×70 мм (см. рис. 7 слева и вание крышки без каких-либо винтов. сказано в статьях [2, 3]. Файл разводки рис. 8 слева). Платы прикручены вин- К днищу корпусов приклеены рези- обеих плат в формате *.lay6 приведён в тами М2 к днищу корпуса с помощью новые ножки, во-первых, для доступа дополнительных материалах к статье пластиковых стоек с внутренней резь- воздуха к вентиляционным отверсти- на сайте журнала. бой М2. Сетевой провод прикручен к ям и, во-вторых, для предотвращения днищу корпуса металлическим зажи- скольжения во время регулировки ско- На платах для подключения высоких мом, а двухконтактная розетка для под- рости потенциометром. Нагрев сими- напряжений («земля», «мотор», «150 В» ключения дрели прикручена к торце- стора BTA24-600CW довольно слаб, поэ- и «220 В») используются ножевые клем- тому он используется без радиатора. мы (штыри шириной 2,8 мм), впаянные Индекс «C» означает, что ток управле- ния по выводу УЭ не превышает 35 мА (в стандартной конфигурации – 50 мА), а индекс «W» – что симистор является «бесснабберным», т.е. для его работы не требуется снабберная RC-цепочка. Это существенно снижает потери и, соответственно, нагрев симистора. Сверлильный станок на базе стойки для дрелей SKRAB 25519 и TUNGFULL 1806B Фотография станка показана на рисунке 9. В стойку для дрели были внесены некоторые усовершенствова- ния, заключающиеся в следующем. Во-первых, имбусовый болт с голов- кой под шестигранник со стандартной резьбой М8×1,5, установленный в зажи- мающий дрель хомут, был заменён на усиленный и имеющий мелкую резь- Рис. 7. Фотография устройства на базе U2010B WWW.SOEL.RU Рис. 8. Фотография устройства на базе U2008B СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 26

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ бу М8×1,0. Это позволило надёжно затя- ещё одно отверстие и нарезана резь- Рис. 9. Фотография стойки SKRAB 25519 гивать болт шестигранным ключом с ба М4. Кроме того, во фланце просвер- с мини-дрелью TUNGFULL 1806B и устройством меньшим усилием. лено отверстие, через которое можно на базе U2010B в сборе вкрутить рычаг. Это отверстие и одна Во-вторых, два имбусовых болта М6, из крепёжных шпилек хорошо видны Циркулярная пила и точильный закрепляющие перемещающий дрель на рисунке 10в. Для того чтобы шпиль- станок на базе мини-дрели по вертикали механизм на штанге, ки не скользили по цилиндрической SKRAB 56000 были заменены на новые, более каче- части механизма перемещения, в ней ственные, т.к. из старых при затягива- просверлено два углубления, в кото- Как видно из фотографии на рисун- нии ключ часто выскакивал. рые входят шпильки. Кистевое усилие, ке 12, циркулярная пила на базе мини- прилагаемое к ручке, существенно луч- дрели SKRAB 56000 собрана из гото- В-третьих, сама штанга, удержива- ше дозируется по сравнению с локте- вых z-образных и обычных стальных ющая дрель и механизм её перемеще- вым усилием, прилагаемым к рычагу. оцинкованных уголков. На четы- ния, довольно тонкостенная. Она закре- Этого кистевого усилия вполне доста- рёх уголках дрель закреплена тремя пляется в отверстии чугунной станины точно для сверления отверстий диа- хомутами-держателями 1,5-дюймо- двумя шпильками с резьбой М8 с углу- метром 4,5 мм, например в стальной вых пластмассовых труб для водоот- блением (на торце) под шестигранник. пластине толщиной 2,5 мм. Если тре- ведения. Два других z-образных уголка При затягивании этих шпилек с доста- буется сверление стали бо' льшим диа- используются для крепления стекло- точным усилием штанга может легко метром сверла (например, 6...9 мм), текстолитовой пластины толщиной деформироваться. Поэтому в нижнюю то в стойку необходима уже установ- 4 мм с прорезью для пильных дисков. часть штанги с большим натягом была ка обычной ручной дрели. В этом слу- установлена толстостенная труба дли- чае рычаг можно вкрутить на место ной около 6 см, препятствующая дефор- (см. рис. 10в). мированию штанги (эта труба хорошо заметна на рисунке 10а). Мини-дрель TUNGFULL 1806B для сво- его закрепления в стойке имеет доста- В-четвёртых, пружина, удержива- точно качественно изготовленную ющая дрель вместе с механизмом её цилиндрическую поверхность разме- перемещения от самопроизвольного ром d×h = 37×27 мм (см. рис. 11а). Вну- опускания вниз (т.е. уравновешиваю- тренний диаметр хомута (в стойке) для щая дрель), выбрана менее жёсткая, закрепления дрели составляет 43 мм поскольку дрель TUNGFULL 1806B весит (стандартный диаметр для закрепления не более 1 кг. Установленную пружину ручной дрели). Поэтому для закрепле- меньшего диаметра можно увидеть на ния дрели TUNGFULL 1806B использо- рисунке 10б (для сравнения: штатная вано алюминиевое разрезное переход- пружина показана справа). ное (проставочное) кольцо размером d×D×h = 36×43×24 мм (см. рис. 11б). И наконец, в-пятых, штатный рычаг Поскольку внешний диаметр кольца с шариком, установленный на цилин- от расширения немного увеличится, дрической части механизма переме- оно с небольшим натягом вставляет- щения дрели и служащий для ее верти- ся в хомут стойки и надёжно затягива- кального перемещения, был выкручен ется имбусовым болтом М8, упомяну- и заменён на обычную дверную ручку. тым выше. На фотографии на рисунке 9 Эта ручка крепится к фланцу, предна- можно также заметить устройство регу- значенному для закрепления труб диа- лятора-стабилизатора оборотов на базе метром 25 мм, тремя саморезами. А сам микросхемы U2010B в белом корпусе фланец крепится к цилиндрической с ручкой и светодиодом на лицевой части механизма перемещения дрели поверхности. двумя шпильками с резьбой М4 с углу- блением под шестигранник (2,5 мм). Для этого во фланце просверлено аб в Рис. 10. Фотографии дополнительных приспособлений к стойке для дрели: а) толстостенная труба; б) новая пружина; в) ручка, установленная взамен штатного рычага СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 WWW.SOEL.RU 27

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ аб Для крепежа использованы винты М5 с Рис. 11. Фотография цилиндрической части корпуса: а) мини-дрели; б) установленного переходного гайками. Сами z-образные уголки при- кольца кручены к ДСП саморезами. Для упроч- нения z-образные уголки внизу допол- Рис. 12. Фотография циркулярной пилы с мини-дрелью SKRAB 56000 и устройством на базе нительно укреплены шпильками М5 U2008B в сборе и гайками. В правую часть стеклотек- столитовой пластины вкручены два винта М5 впотай, которые крепятся снизу к z-образным уголкам бараш- ковыми гайками М5, а левая её часть вместе со стальной пластиной, служа- щей как направляющая, установлена на уголках с прорезью, прикрученных барашковыми гайками М5 с шайбами к винтам, установленным на допол- нительных обычных уголках. Таким образом, расстояние от направляю- щей до пильного диска может лег- ко регулироваться. Поскольку сте- клотекстолитовая пластина вместе с направляющей может легко снимать- ся, циркулярная пила очень просто превращается в точильный станок. На рисунке 13а показан вал (с установ- ленным пильным диском), зажатый в патроне дрели, а на рисунке 13б – патрон дрели с зажатым алмазным кругом, на котором, например, мож- но затачивать обычные и победито- вые свёрла. Изначально в стойку SKRAB 25519 предполагалось установить мини-дрель SKRAB 56000. Однако её поверхность, предназначенная для закрепления в хомуте стойки, во-первых, окраше- на и имеет довольно крупную тексту- ру, а во-вторых, представляет собой не совсем цилиндрическую форму, обладая довольно заметной конусно- стью. Однако по своим электрическим параметрам дрель SKRAB 56000 (мощ- ность 480 Вт и максимальная скорость 30000 об/мин) вполне подходит для описанных ранее функций. К розетке устройства регулятора-ста- билизатора скорости на базе микросхе- мы U2008B (показана на рис. 12 спра- ва в белом корпусе) дрель подключена своей вилкой. Само же устройство под- ключено к сети 220 В белым проводом с вилкой. Для работы дрели с устрой- ством стабилизатора-регулятора пере- ключатель скоростей дрели необхо- димо установить на максимум. В этом случае двигатель дрели напрямую под- ключается к контактам своей вилки, и встроенный регулятор скорости на базе симистора отключается. Рис. 13. Фотография насадок для мини-дрели SKRAB 56000: а) стальной пильный диск; Результаты работы устройств б) алмазный диск для заточки свёрл Для сверления отверстия диаметром 28 WWW.SOEL.RU 4,5 мм в стальной пластине толщиной СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 2,5 мм с помощью дрели TUNGFULL Например, легко были просверлены щения лёгких и компактных мини- 1806B и устройства регулятора-ста- несколько предварительно накернён- дрелей, значительно увеличивая билизатора скорости на базе микро- ных отверстий в печатной плате из сте- крутящий момент и позволяя эксплу- схемы U2010B (см. рис. 9) сначала клотекстолита толщиной 1,5 мм свер- атировать их в режимах работы, кото- было использовано сверло 2 мм, а лом диаметром 0,7 мм с хвостовиком рые были невозможны без механиче- затем свёрла 3 и 4,5 мм. При сверлении диаметром 2 мм. Сверло ни разу не сло- ского редуктора. Это, в свою очередь, отверстия диаметром 4,5 мм дрель ни малось. придаёт таким дрелям новые дина- разу не остановилась, правда, на конеч- мико-кинематические свойства, что ном этапе сверления на некоторое вре- Что касается циркулярной пилы, то с позволяет применять их в новых при- мя замигал светодиод, который погас её помощью легко разрезается стекло- ложениях (сверление отверстий, рас- после окончания сверления, дрель про- текстолит толщиной до 4 мм. Причём пиловка, заточка и т.п.), использова- должала работать. Что касается более без устройства регулятора-стабилиза- ние в которых ранее было сопряжено с мягких материалов (дюраль, алюми- тора скорости с большим трудом раз- существенными проблемами или вооб- ний, стеклотекстолит, текстолит, пла- резался стеклотекстолит толщиной 1,5 ще невозможно. стик и, наконец, дерево), то они легко мм (дрель на малых скоростях останав- сверлятся свёрлами и большего диаме- ливалась, а на более высоких стеклотек- Литература тра. Например, автор легко просвер- столит просто обугливался). Автор так- лил алюминиевый радиатор толщиной же без проблем разрезал алюминиевую 1. Кузьминов А. Изготовление устройств на около 7 мм сверлом 3,3 мм. Кроме того, пластину толщиной 1,5 мм. С помощью печатных платах с высоким разрешени- относительно простое позициониро- точильного диска легко затачивают- ем в домашних условиях. Технологии в вание сверла, а также лёгкое дозиро- ся обычные и победитовые свёрла. Во электронной промышленности. 2011. вание усилия с помощью ручки дрели всех описанных экспериментах (цирку- № 1. позволяют без проблем просверлить лярная пила, точило) дрель ни разу не стальную пластину, например свер- остановилась. 2. Кузьминов А. Как использовать фоль- лом диаметром 1 мм (при сверле- гу обратной стороны односторонней нии обычной ручной дрелью тонкое Заключение печатной платы в качестве общего про- сверло часто ломается). Такая дрель вода. Радио. 2019. № 2. также позволяет сверлить печатные Применение микросхем U2010B/ платы твёрдосплавными свёрлами. U2008B и современной элементной 3. Кузьминов А. Технология изготовления базы позволяет конструировать регу- печатных плат с высоким разрешением ляторы-стабилизаторы скорости вра- в любительских условиях. Радио. 2017. № 10. Реклама СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 WWW.SOEL.RU 29

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Тестирование устройств 5G для обеспечения электромагнитной совместимости: потребности и современные возможности Николай Лемешко ([email protected]), c достаточным частотным ресурсом, Дмитрий Богаченков ([email protected]) которое сопровождается проявлением новых радиофизических эффектов, не В статье рассматривается проблема проведения измерений свойственных дециметровому и метро- в обеспечение ЭМС для сетей 5G NR. Анализируются особенности вому диапазонам длин волн. предусмотренного для новой радиотехнологии частотного плана и её физического уровня, из которых следуют важнейшие Многодиапазонность работы ус- аспекты проведения измерений на ЭМС. Рассмотрены контрольно- тройств 5G, а также их предполагаемая измерительные решения компании Rohde&Schwarz, применимые массовость определяют потребность в для реализации такого тестирования в несигнальном и сигнальном развитии методов и средств тестирова- режимах, в частности тестовая система R&S TS8996, специально ния, которые отвечали бы современно- предназначенная для тестирования устройств 5G. му уровню автоматизации и техниче- ского прогресса. В настоящей работе Введение смысле принято выделять три основ- будут рассмотрены решения компании ных направления (см. рис. 1): Rohde&Schwarz, предназначенные для Развитие общества, повышение каче- проведения такого тестирования для ства жизни людей и научно-техниче- 1. расширенный широкополосный целей обеспечения электромагнитной ский прогресс всегда были связаны с мобильный доступ (eMBB) предпола- совместимости (ЭМС). увеличением объёмов передаваемой гается реализовывать в соответствии информации. К настоящему времени с действующими стандартами мобиль- Особенности частотного плана потребность в автоматизации произ- ной связи. Это применение ориентиро- сетей 5G водственных и транспортных процес- вано на потребителей мультимедийно- сов, а также в информационном обмене го контента и телекоммуникационных Наиболее важные в части частотного между индивидуальными абонентски- услуг, в том числе в виде передачи боль- планирования отличия сетей 5G от пре- ми терминалами (АТ) привели к насто- ших объёмов данных; дыдущего поколения цифровой подвиж- ятельной необходимости внедрения ной связи заключаются в широте охвата сетей беспроводного доступа пятого 2. обеспечение массового взаимодей- и количестве потенциальных абонен- поколения 5G, которые, обладая неко- ствия между человеком и технически- тов, а также в необходимой пропускной торыми сходствами с 4G в части кодо- ми средствами, а также между техниче- способности. Эти особенности привели вых конструкций, в то же время имеют скими средствами без участия людей к невозможности простого заимствова- значительные отличия на физиче- (mMTC) направлено на реализацию ния частот у более ранних радиотехноло- ском уровне. Именно по этой причи- концепции Интернета вещей (IoT) [2]; гий, например 3G/4G, и предопределили не в литературе, например [1], новую переход 5G в сантиметровый и милли- технологию связи обозначают как New 3. сверхнадёжная связь с минимальной метровый диапазоны волн, где имеются Radio (NR), подчёркивая тем самым её задержкой (URLCC) предназначена для свободные полосы частот шириной до революционный характер. управления средствами промышленной, нескольких гигагерц. Поэтому уже в пер- транспортной и медицинской автомати- вых редакциях спецификации консорци- Сферы применения сетей 5G во мно- зации, узлами информационных сетей. ум 3GPP, развивающий технологию 5G, гом определяются уровнем техническо- принял решение о поддержке диапазона го развития конкретных государств, и В сетях 5G будут передаваться беспре- от 1 до 52,6 ГГц [3]. Использование мил- чем он выше, тем больший охват сети цедентно большие объёмы данных при лиметрового диапазона сопровождает- могут иметь. На текущий момент в этом одновременно возрастающей их важно- ся следующими проблемами: сти и критичности. При этом частотные ● затруднено использование широкона- Рис.1. Основные направления концепции 5G планы, разработанные при внедрении 4G в отдельных регионах мира, оказыва- правленных антенн из-за значительно- ются несостоятельными, т.к. не предус- го увеличения потерь на распростра- матривают выделение достаточного для нение электромагнитных волн; в ряде всех названных приложений частотного случаев требуется применение антен- ресурса. Выходом здесь могло бы стать ных решёток для формирования диа- использование цифровой модуляции грамм направленности с узким лучом; высоких порядков, однако такое реше- ● для частот выше 50 ГГц наличие ги- ние требует заметного повышения мощ- дрометеоров, в т.ч. тумана, увели- ности передатчиков базовых станций и чивает потери на распространение АТ при одновременном ухудшении элек- электромагнитных волн на десятки тромагнитной обстановки [2]. Это опре- децибел; делило переход к активному исполь- зованию миллиметрового диапазона 30 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ● частоты в интервале 55…65 ГГц ха- Рис. 2. Глобальное и региональное распределение частотного ресурса для сетей 5G рактеризуются высоким поглоще- нием радиоизлучений молекуляр- Таблица 1. Характеристики OFDM-модуляции для 5G (3GPP, rel.15) ным кислородом в составе воздуха с максимумом потерь до 15 дБ/км на Разнос несущих, кГц 15 30 60 120 частоте 60 ГГц [4]; 0,45…6 Диапазон частот, ГГц 0,45…6 0,45…6 24…52,6 24…52,6 ● радиооборудование миллиметрово- 16,67 го диапазона длин волн имеет более Длительность передачи OFDM-символа, мкс 66,67 33,33 8,33 высокие фазовые шумы и более низ- Длительность циклического префикса, мкс 4,69 2,34 1,17 0,59 кую выходную мощность; Длительность передачи OFDM-символа с циклическим префиксом, мкс 71,35 35,68 17,84 8,91 Максимальная полоса сигнала, МГц 50 100 200 400 ● использование базовых станций мил- лиметрового диапазона ограничено устройства. Ввиду того, что загружен- связью. По мнению специалистов, в вблизи некоторых объектов, напри- ность спектра в значительной степени будущем это может значительно замед- мер станций спутниковой связи, из- зависит от региона мира и даже от госу- лить развёртывание сетей 5G в нашей за проблем ЭМС. дарства, в дополнение к глобальным стране, т.к. для них придётся проек- Консорциум 3GPP предусматривает частотам 5G, выделенным МСЭ-R, неко- тировать специальное оборудование. торые страны рассматривают исполь- Дополнительной проблемой является гибкое использование полос частот в зование дополнительных полос частот необходимость работ по конверсии зависимости от плотности распреде- 26,5…29,5 ГГц (США, Южная Корея, спектра для обеспечения всех поль- ления абонентов и их потребностей в Канада), 37…40 ГГц (США, Канада); зователей радиочастотным ресурсом. трафике. Работа сетей 5G на частотах 64…71 ГГц (Канада). В Европе для сетей ниже 6 ГГц, как предполагается, будет 5G планируется использовать диапазо- Физический уровень сетей 5G использоваться для «низкоскоростной» ны 31,8…33,4 и 40,5…43,5 ГГц. гарантированной связи, в то время как Ключевыми аспектами физическо- миллиметровый диапазон будет задей- Из представленной информации о го уровня сетей 5G являются принци- ствован преимущественно для обеспе- частотных планах 5G следует, что базо- пы модуляции, организация передачи чения высоких скоростей передачи. вые станции и АТ сетей пятого поко- и приёма в восходящем и нисходящем ления в перспективе будут работать в каналах, а также многоантенная пере- На рисунке 2 графически представ- существенно отличающихся диапазо- дача и приём. В конечном счёте все они лена информация о распределении нах частот, для каждого из которых, и определяют критерии обеспечения частотного ресурса для сетей 5G в гло- возможно, потребуется использовать межсистемной ЭМС с другими радио- бальном масштабе и на региональном собственные нормы ЭМС, в т.ч. реги- службами. Технология 5G во многом уровне. Полоса 3,3…3,6 ГГц была опре- онального охвата, в зависимости от повторяет способы передачи инфор- делена МСЭ-R в качестве глобальной. характера совмещаемых радиослужб. мации сетей 4G, но с учётом необхо- В зависимости от региона мира, в диа- димого их нелинейного масштабирова- пазоне частот ниже 6 ГГц для рабо- В Российской Федерации выделе- ния, а также изменений, определяемых ты сетей 5G дополнительно рассма- ние частот для радиослужб осущест- переходом в миллиметровый диапазон. триваются полосы частот 3,3…4,2 ГГц вляется Государственной комис- (США, Япония, Южная Корея, Китай) сией по радиочастотам. Совсем В сетях 5G планируется использо- и 4,4…5,0 ГГц (Китай, Япония и дру- недавно ГКРЧ принято решение вать сигналы с OFDM-модуляцией, гие страны Азиатско-Тихоокеанского № 20-54-02 [6], согласно которому а для несущих будет поддерживать- региона). Для первичной отработки полосы частот 0,694…0,790; 2,3…2,4; ся QPSK, 16QAM, 64QAM и 256QAM, технологии 5G многие страны плани- 2,57…2,62; 4,4…4,99; 24,25…27,5 ГГц явля- как и в сетях 4G. В восходящих кана- руют использовать (либо уже использу- ются перспективными для построе- лах будет поддерживаться π/2-BPSK- ют) полосу 0,6…0,7 ГГц, которая в даль- ния сетей связи стандарта 5G. При модуляция для уменьшения отноше- нейшем может быть задействована для этом для развёртывания сетей 5G в РФ ния пиковой мощности к средней, что обеспечения связи 5G с подвижными будут использоваться частоты 4,4…4,99 повышает эффективность работы уси- объектами. и 24,25…24,65 ГГц, однако приоритет лителей. В будущем номенклатура под- отдаётся последней из них, что идёт держиваемых схем модуляции может По результатам обсуждения на Все- в разрез с порядком внедрения 5G в быть расширена для более рациональ- мирной конференции радиосвязи других странах. Использование поло- ного использования спектра, например, МСЭ-R оценил минимальную потреб- сы частот 3,3…4,2 ГГц, применяемой во рассматривается вариант применения ность в частотном ресурсе для 5G многих странах на начальном этапе модуляции 1024QAM для связи между на уровне 20 ГГц [5]. Однако в насто- развёртывания, признано ГКРЧ невоз- неподвижными точками. Характери- ящее время выделить такую полосу, можным из-за занятости данного диа- стики OFDM-модуляции для 5G в зави- в особенности по всему миру, невоз- пазона радиотехническими системами симости от диапазона частот представ- можно из-за действующего распреде- военного назначения и спутниковой лены в таблице 1. ления частот между радиослужбами, в первую очередь в области фиксирован- ной спутниковой связи. По этой причи- не для сетей 5G на частотах выше 6 ГГц предполагается выделение несколь- ких полос частот, причём для каж- дой из них необходимо использовать индивидуальные приёмо-передающие СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 WWW.SOEL.RU 31

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ С учётом значительного влияния рабатывалась с учётом использования достижения компромисса между про- многолучёвости, в сетях 5G использу- направленного излучения и приёма для изводительностью и достоверностью ется циклический префикс (CP-OFDM) достижения приемлемого размера зон передачи данных. как в восходящих, так и в нисходящих покрытия, а также для достижения тре- каналах, по крайней мере до частоты буемой пропускной способности с учё- Для упрощения установления и под- 52,6 ГГц, в то время как в технологии том значительного расширения спек- держания связи между узлами в сетях 4G циклический префикс использу- тра. Использование направленного 5G часть частотно-временного ресур- ется только для передач по нисходя- излучения и приёма позволяет значи- са выделяется для передачи данных щей линии, а для передачи в обратном тельно уменьшить необходимую мощ- так называемых физических кана- направлении применяется модуляция ность передающих устройств при про- лов, включающих в себя опорные сиг- DFTS-OFDM [1]. Как предполагается, чих равных условиях, компенсируя и налы и другую информацию. В нисхо- после отработки технологии 5G на повышенные потери на распростране- дящих и восходящих линиях в сетях опытных сетях базовые станции смо- ние радиоволн. При этом управление 5G реализуются следующие физиче- гут задавать тип передачи данных — угловым положением максимума диа- ские каналы: CP-OFDM или DFTS-OFDM в зависимо- граммы направленности должно осу- ● нисходящий канал передачи данных сти от формируемого пространством ществляться как базовыми станциями, канала распространения радиоволн, так и абонентскими терминалами, для (PDSCH); соответственно, АТ должны поддер- чего в 5G реализуется передача инфор- ● канал управления нисходящей лини- живать оба этих варианта. На физиче- мации о состоянии канала (CSI, Channel ском уровне несущие OFDM передают- State Information). По этому же прин- ей связи (PDCCH); ся группами с объединением по 12 шт., ципу передаются широковещательные ● широковещательный канал переда- что соответствует одному физическо- сообщения, и выполняется первичная му ресурсному блоку и учитывается идентификация в радиосети. Исполь- чи информации для получения АТ до- при подготовке данных к передаче. зование направленного излучения и ступа к сети (PBCH); Далее ресурсные блоки объединяют- приёма играет важнейшую роль и в ● восходящий канал передачи данных ся в субкадры с длительностью пере- обеспечении ЭМС за счёт ограниче- (PUSCH); дачи 1 мс, включающие, например, 14 ния эмиссии по незадействованным ● канал управления восходящей лини- символов OFDM при разносе несущих направлениям в соответствии с уров- ей связи (PUCCH); 15 кГц. нем боковых лепестков, а также умень- ● канал произвольного доступа шении вероятности дуэльных ситуаций (PRACH), при помощи которого АТ Как следует из таблицы 1, в сетях 5G между узлами радиосети. запрашивают установку соединения может применяться модуляция с мини- с базовыми станциями (БС). мальным разносом несущих, равным Использование мультиантенного Частотно-временной ресурс, соот- 15 кГц, что соответствует стандарту 4G. приёма и передачи (MIMO, Multiple ветствующий физическому уровню Масштабирование реализуется с коэф- Input Multiple Output) в технологии 5G, но используемый для передачи фициентом 2n, где n = 1, 2 или 3 в зави- 4G предусматривалось для повышения информации физических каналов, симости от диапазона частот. Загрузка спектральной эффективности радио- обычно называют опорными физи- циклическим префиксом составля- сетей и соответствующего повышения ческими сигналами [1]. Они приме- ет 7% от физической пропускной спо- пропускной способности при исчерпа- няются для обеспечения демодуляции собности. Максимальное количество нии спектра в обычном режиме при сигналов восходящего и нисходяще- несущих в одном канале для сетей 5G большой загрузке. Учитывая край- го направления, для синхронизации составляет 3300. В перспективе допол- нюю ограниченность частотных при- и оценки состояния канала переда- нительное повышение пропускной спо- своений в диапазоне ниже 6 ГГц, для чи. В нисходящей линии 5G исполь- собности может быть достигнуто агре- 5G технология MIMO сохранена, и во зуются опорные сигналы демодуляции гацией до 16 таких каналов, как это многом этому способствовало развитие (DM-RS), отслеживания фазы (PT-RS), предусматривает 15-е издание специ- цифровых способов управления мало- информации о состоянии канала (CSI- фикации NR. габаритными фазированными антен- RS), а также сигналы первичной и вто- ными решётками с большим количе- ричной синхронизации (PSS, SSS). Для решения проблем межсистемной ством элементов [7]. Для восходящей линии применяются ЭМС для сетей 4G и 5G предусмотрены опорные сигналы демодуляции, отсле- некоторые ограничения по исполь- Радиосети 5G предполагают исполь- живания фазы и зондирующий опор- зованию крайних несущих сигналов зование кодирования с низкой плот- ный сигнал (SRS). CP-OFDM. Если в первом случае допу- ностью контроля чётности, для реа- Для обеспечения дуплексного режи- скается использование до 90% спек- лизации которого в настоящее время ма связи сети 5G поддерживают режи- трального ресурса каналов, то для 5G, разработаны аппаратные решения на мы с временным (TDD) и частотным как ожидается, оно составит от 94 до программируемых логических схемах (FDD) разделением. Принцип реализа- 99% за счёт применения новых, более для работы со скоростью до несколь- ции дуплексной схемы обычно зависит эффективных технологий фильтрации. ких гигабит в секунду. Для управления от диапазона частот, причём на более физическими каналами используется низких частотах обычно использует- Значительные отличия между 4G и полярное кодирование, наиболее под- ся FDD, а на более высоких частотах — 5G имеются в части использования для ходящее для передачи малых объёмов TDD. Дополнительно NR поддерживает приёма и передачи нескольких антенн. служебной информации. Также техно- динамическое временное разделение, Это предусматривалось и в 4G, но для логия NR предусматривает сочетание при котором в случае необходимости 5G оно имеет фундаментальное зна- различных видов кодирования для изменяется время, отводимое на пере- чение, поскольку концепция NR раз- дачу в восходящей и нисходящей лини- ях. В этом заключается одно из ключе- 32 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ вых улучшений 4G, которое полезно в Таблица 2. Радиослужбы, совмещаемые с радиосредствами сетей 5G сценариях с быстрыми изменениями трафика. Диапазон частот 5G, ГГц Совмещаемая радиослужба Диапазон частот совмещаемой 0,694…0,79 радиослужбы, ГГц Проблема межсистемной ЭМС 2,3…2,4 Радиовещательная 0,694…0,79 для сетей 5G и совмещаемые Воздушная радионавигационная 0,726…0,79 радиослужбы 2,57…2,62 2,3…2,45 Подвижная В классической трактовке проблема 4,4…4,99 Радиолокационная 2,52…2,67 межсистемной ЭМС состоит в нежела- 24,25…27,5 тельном взаимодействии двух и более Фиксированная 4,4…4,99 радиослужб, работающих с исполь- Подвижная 4,5…4,8 зованием излучений электромагнит- 25,25…27,5 ных волн в эфир. Для каждой кон- Радиолокационная 25,5…27 кретной радиослужбы используются Радиовещательная специально разработанные крите- рии сохранения допустимого каче- Спутниковая ства функционирования, которые Фиксированная обычно формулируются в категори- ях защитных отношений, частотного Подвижная или пространственного разнесения Фиксированная [3]. Обеспечение межсистемной ЭМС Фиксированная спутниковая при нежелательном действии помех Фиксированная от устройств 5G для радиоэлектрон- ных средств других радиослужб будет Подвижная построено на выполнении таких кри- Космических исследований териев. 3. для полноценной работы сетей 5G Номенклатура и условия Вместе с тем обострению проблем необходима беспрецедентно широ- измерений параметров, межсистемной ЭМС для сетей 5G спо- кая полоса частот – до нескольких подлежащих контролю собствуют следующие факторы: гигагерц. Учитывая территориальную в сетях 5G в обеспечение неоднородность использования ради- межсистемной ЭМС 1. технология 5G предполага- очастотного ресурса, по-видимому, в ет использование излучения с под- некоторых случаях новая технология Кратко рассмотренные особенности вижной диаграммой направленно- связи будет внедряться на когнитивной передачи сигналов в сетях 5G позволя- сти. Это приводит к формированию основе. Это требует разработки особых ют установить необходимость расши- нестационарной электромагнитной критериев обеспечения межсистемной рения принципов тестирования по обстановки и ограничивает исполь- ЭМС для радиоэлектронных средств, ЭМС, применяемых для БС и АТ сетей зование для её прогнозирования совместно использующих одни и те 4G. В особенности это касается вне- метода гарантированных диаграмм же полосы частот. дрения многоантенных технологий, направленности, широко применяе- без которых работа радиосетей в мил- мого при частотно-территориальном Как отмечалось выше, для внедре- лиметровом диапазоне, за редкими планировании. Одновременно меня- ния радиотехнологии 5G в Российской исключениями, блокируется замирани- ется во времени помехоустойчивость Федерации ГКРЧ установлены полосы ями. Значительная предельная полоса и уровень излучений, формируемых 0,694…0,790; 2,3…2,4; 2,57…2,62; 4,4…4,99 радиоканалов 5G не позволяет считать устройствами 5G; и 24,25…27,5 ГГц. В настоящее время в передаваемые сигналы узкополосными этих диапазонах возможна работа ряда в привычном для большинства приме- 2. за счёт перехода в миллиметро- радиослужб (см. табл. 2), причём почти нений понимании и приводит к необ- вый диапазон размеры зон обслужи- все они относятся к категории совмест- ходимости применения средств тести- вания для одиночных базовых стан- ного использования радиоэлектронны- рования, в которых эта особенность ций (БС) будут уменьшаться, а их ми средствами гражданского и специ- учтена многопортовой калибровкой. количество – увеличиваться. С учётом ального назначения либо используются Лучшим вариантом здесь является использования широкополосных сиг- радиосредствами правительственной имитация реальных условий эксплуа- налов, а также того, что БС, обслужива- принадлежности [8]. Межспутниковая тации и целостного, а не фрагментар- ющие соседние зоны, обычно работа- радиослужба в таблицу не внесена. ного тестирования. Этой концепции ют с использованием отличающихся наилучшим образом удовлетворяют частотных присвоений, типы и коли- Выработка критериев обеспечения специально разработанные измери- чество электромагнитно совмещае- межсистемной ЭМС для радиоэлек- тельные установки. мых с сетями 5G радиоэлектронных тронных средств сетей 5G и других средств будут существенно отличать- радиослужб является одной из перво- Классические подходы к обеспече- ся от зоны к зоне. Ввиду этого присво- очередных задач при внедрении новой нию межсистемной ЭМС предусматри- ение частот не получится реализовать радиотехнологии. Обычно критерии вают использование двух разновидно- простым периодическим повторением вначале обосновываются теоретиче- стей радиоизмерений, отличающихся для охвата заданной области, оно долж- ски, а затем уточняются с примене- по ожидаемому результату и назначе- но быть проработано на основе более нием технических средств, например нию. Первая из них относится к испы- глубоко частного анализа. путём измерений в опытных зонах. таниям АТ и БС, в ходе которых оце- И для тестирования узлов сетей 5G, и нивается совокупность характеристик для выработки названных критери- для сопоставления с выработанными ев в части воздействия радиопомех на нормами, соблюдение которых в сово- устройства 5G должны использоваться купности является комплексным кри- специально предназначенные для это- терием обеспечения ЭМС [9]. Вторая го средства измерений. разновидность радиоизмерений реали- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 WWW.SOEL.RU 33

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ зуется в ходе эксплуатации радиосетей безэховые камеры, в т.ч. настольного ство наиболее глубокого сигнального при проведении радиоконтроля упол- исполнения. В среду испытаний также анализа. номоченными организациями и охва- встраивается источник электромагнит- тывает те характеристики излучений ных воздействий, для которых оцени- Таким образом, для БС определяю- базовых станций, которые позволяют вается помехоустойчивость БС. щим условием межсистемной ЭМС, вне проверить соблюдение разрешений зависимости от возможных источников на использование радиоэлектрон- В качестве мешающих воздействий её нарушения, является минимальное ных средств. Согласно справочнику спецификация [11] предусматривает ухудшение пропускной способности по радиоконтролю [7], в типовом слу- использование только узкополосных канала и отсутствие разрывов связи с чае по излучениям радиопередающих сигналов (с полосой, много меньшей абонентскими терминалами. При этом объектов оцениваются напряжённость ширины канала). При этом считается важно подчеркнуть, что сложность электромагнитного поля, центральная допустимым появление узкополосных организации протокола передачи дан- частота и занимаемая полоса. При этом откликов, проявляющихся в снижении ных в сетях 5G не позволяет осуще- используются классические подходы выходных показателей работы БС ниже ствить однозначную трансформацию к испытаниям, которые должны быть установленных значений. Их сохране- этого критерия в категории частотно- дополнены обеспечением требуемых ние при отстройке в интервале до удво- го, пространственного или времен- режимов работы тестируемого узла енной полосы рабочего канала счита- ного разноса [9]. Традиционное поня- радиосети. Однако такие понятия, как ется широкополосным откликом, что тие защитных отношений здесь также центральная частота и занимаемая является недопустимым для БС. малоприменимо. полоса, должны применяться с осто- рожностью к излучениям 5G, отлича- Большая часть испытаний БС про- Методы испытаний в части межси- ющимся высокой нестационарностью водится при номинальной выходной стемной ЭМС для АТ сетей 5G устанавли- спектрального состава. мощности. Для уменьшения количе- ваются спецификацией [14] и принци- ства варьируемых параметров и упро- пиально не отличаются от аналогичных Совокупность названных спектраль- щения тестовой процедуры специ- испытаний для БС. При наличии тех- ных параметров, очевидно, недостаточ- фикация [11] определяет, что БС 5G, нической возможности испытатель- на для оценки соблюдения ЭМС в сетях предназначенные для работы в одно- ная среда локализуется в коаксиальном 5G, и для её расширения целесообразно канальном режиме, испытываются либо ином закрытом тракте, и здесь в обратиться к документам 3GPP, опреде- при наиболее узкой рабочей полосе и большей степени целесообразно при- ляющим содержание соответствующих минимальном разносе несущих; при менение настольных безэховых камер, испытаний для БС и АТ. Спецификация этом оценивается помехоустойчивость если учитывать небольшие размеры АТ. [10], действие которой распростра- и помехоэмиссия БС в сечении, соот- Ответное устройство, взаимодейству- няется на БС сетей 5G и работающее ветствующем антенным портам. Стан- ющее при испытаниях с АТ, должно совместно с ними вспомогательное ции, способные работать одновремен- полностью эмулировать функции БС оборудование, рассматривает эти тех- но в нескольких каналах, тестируются с или, по крайней мере, обеспечивать нические средства как объекты мно- разным частотным разносом несущих. вызов АТ и другие важнейшие функ- гопортового подключения. Для них Дополнительно условия тестирования ции. В отличие от спецификации [11] выделяют порты питания постоянно- БС по ЭМС конкретизируются специ- на БС, здесь отсутствует явное указание го и переменного тока, порты контро- фикациями [10, 12]. Для исключения на критерий обеспечения межсистем- ля и управления, антенные порты, пор- влияния особенностей передаваемых ной ЭМС при наличии внешних помех. ты заземления и корпуса. Последний, в в канале связи данных на повторяе- Однако допускаемое в [14] распределе- соответствии с принятыми в иностран- мость и воспроизводимость результа- ние снижения производительности при ной литературе подходами, определя- тов тестирования их состав устанавли- тестировании БС в паре с АТ предпо- ет помехоустойчивость к электромаг- вается спецификацией [13]. лагает сходные критерии обеспечения нитным полям и их эмиссию в строгом межсистемной ЭМС. Таким образом, для отделении от аналогичных свойств В качестве критерия обеспечения определения условия сохранения ЭМС антенных портов. В рамках межсистем- ЭМС при воздействии помех на антен- при наличии внешних помех, в т.ч. от ной ЭМС испытания БС проводятся на ные порты БС спецификация [11] уста- других радиослужб, следует ориенти- антенных и телекоммуникационных навливает снижение пропускной спо- роваться на снижение скорости обме- портах. собности БС не более чем на 5% от на между БС и АТ. значения, соответствующего отсут- При тестировании БС конфигуриру- ствию помех в среде передачи. Данный Содержание измерений в обеспече- ются для работы в заданном частотном критерий применяется для всех соче- ние межсистемной ЭМС, проводимых диапазоне и заданной полосе. Для БС таний полос частот канала, всех разно- для БС и АТ 5G, определяет предъяв- формируется особая испытательная сов несущих OFDM, а также частотных ляемые к средствам измерений тре- среда, включающая канал связи с неко- диапазонов работы сетей 5G. Если БС бования, одним из которых является торым ответным устройством, а также тестируется в связке с АТ, то допуска- системный уровень тестирования с воз- измерительные средства, позволяющие ется двукратное снижение пропускной можностью оценки качества передачи оценить качество работы БС, напри- способности. Для проверки соблюде- данных. Второе требование состоит в мер телекоммуникационные тестеры. ния этого критерия сигналы, переда- максимальной автоматизации, не толь- Дополнительно создаются условия ваемые в испытательной среде, необ- ко ускоряющей измерения, но и позво- для предотвращения действия посто- ходимо обрабатывать с демодуляцией ляющей исключить грубые ошибки со ронних радиопомех на объект испыта- и выделением каналов физического стороны пользователей. ний, и для этого могут использоваться уровня, для чего применяются радио- коммуникационные тестеры как сред- Одним из лидеров в части разработ- ки и производства средств измерений 34 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021

Ğ
ëäåãòìßïíãìßþ
áúðñßáéß
üêäéñïíìçéç 14-16.09 z ž«²°¯¨©·©À…¦°¡±³¡­¦®³¡±¡¥©¯¾¬¦«³±¯®®¯ª°±¯­¼¹¬¦®®¯²³©©®°±¯­³¯±¤¡‘¯²²©© £«¬¿¸¡À ¾«²°¯¨©·©¿°±¦¥°±©À³©ªÀ£¬À¿º©¶²À©¨¤¯³¯£©³¦¬À­©©¨¥¦¬©ª£«¬¿¸¦®®¼¶£¦¥©®¼ª ±¦¦²³±±¯²²©ª²«¯ª±¡¥©¯¾¬¦«³±¯®®¯ª°±¯¥´«·©©¯²³¡®¯£¬¦®©¦±¡£©³¦¬½²³£¡‘•à ¾«²°¯¨©·©¿±¡¨±¡¢¯³¯«²¯¨¥¡®®¼¶£±¡­«¡¶¤¯²´¥¡±²³£¦®®¯ª°±¯¤±¡­­¼h‘¡¨£©³©¦ ¾¬¦«³±¯®®¯ª©±¡¥©¯¾¬¦«³±¯®®¯ª°±¯­¼¹¬¦®®¯²³©®¡¤¯¥¼n¯²³¡®¯£¬¦®©¦ ±¡£©³¦¬½²³£¡‘•à ¾«²°¯¨©·©¿±¡¨±¡¢¯³¯«¯¢¦²°¦¸©£¡¿º©¶£¼°¯¬¦®©¦°±©¯±©³¦³®¼¶®¡·©¯®¡¬½®¼¶°±¯¦«³¯£ z …©£©¨©¯®¼«¬¡²³¦±¡ z ’³¡±³¡°¼£¾¬¦«³±¯®©«¦ h‘¡¥©¯¾¬¦«³±¯®©«¡n„‹h‘¯²³¦¶n z ‹£¡¬©µ©·©±¯£¡®®¼¦°¯²³¡£º©«©ž‹‚ z ‹¯®²¯±·©´­¼©¥©¨¡ª®·¦®³±¼°¯¾¬¦«³±¯®©«¦ z ”¸¡²³®©«©«¯®«´±²¡hˆ¯¬¯³¯ª˜©°n z ‹¯±°¯±¡·©À±¡¨£©³©Àˆ¦¬¦®¯¤±¡¥¡ Реклама

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Рис. 3. Внешний вид тестовой системы R&S TS8996, обеспечивающей Рис. 4. Структурная схема тестовой системы R&S TS8996 проведение испытаний устройств 2G/3G/4G/5G/WLAN/BT и систем для тестирования БС и АТ 5G, анализировать в несигнальном режи- при сканировании в широком диапа- отвечающих этим требованиям, явля- ме – они будут проявляться в ухудше- зоне частот занимает немало времени ется компания Rohde&Schwarz. нии показателей качества модуляции. (в особенности для полосы от 9 кГц до Аналогичное решение несигнально- 1 ГГц при использовании квазипико- Измерительные средства го уровня опционально реализовано вого детектора), то для R&S ESW раз- и установки компании на аппаратно-программной платфор- работан специальный режим Fast TDS, Rohde&Schwarz для ме анализаторов спектра и сигналов отличающийся снижением времени тестирования устройств 5G серии R&S FSW [17]. сканирования с использованием ква- по требованиям ЭМС зипикового детектора и одновремен- Несмотря на то что универсальные но обеспечивающий регистрацию Среди технических средств, пред- лабораторные средства измерений импульсных помех с пониженной назначенных для тестирования эле- дают ряд преимуществ при решении частотой повторения — до 10 Гц. При ментов радиосетей, можно выделить типовых измерительных задач, для необходимости, измерения такого ориентированные на несигнальный отладки и тестирования элементов рода могут быть выполнены в режиме и сигнальный (системный) режимы. сетей 5G на системном уровне необ- Automatic TDS, при котором настройки В несигнальном режиме обычно прове- ходимо использовать специализиро- сканирования оптимизируются в зави- ряются качество модуляции, фазовые ванные автоматизированные тестовые симости от характера помехоэмиссии, соотношения для режима MIMO, линей- системы (ТС), например R&S TS8996 и сохраняется соответствие измери- ные тракты базовых станций. [18] (см. рис. 3, 4). Основное назначе- тельной установки требованиям стан- ние использования ТС состоит в сни- дартов группы CISPR 16-1, устанавли- Тестирование в несигнальном режи- жении времени тестирования единич- вающих порядок и условия измерения ме обычно реализуется в профильных ного устройства при одновременном радиопомех. лабораториях для БС с применением максимальном приближении к услови- универсальных средств измерений, ям эксплуатации испытуемых объектов. Отличительной чертой сетей 5G явля- дополненных необходимыми опциями. В основе такой функциональности ется фактически глобальный широкий На системном уровне устройства тести- системы R&S TS8996 лежит использо- охват диапазонов сантиметровых и руются целиком в составе эмулирован- вание измерительных приёмников и миллиметровых волн, что предъявля- ной сети в соответствии с алгоритмами радиокоммуникационных тестеров ет особые требования как к измеритель- её работы. Компания Rohde&Schwarz передового уровня. ному приёмнику, так и к применяемым разработала ряд контрольно-измери- антеннам. Для перекрытия диапазона тельных решений для обоих уровней. Система R&S TS8996 предназначена FR2 и частот вплоть до 200 ГГц исполь- для тестирования устройств беспро- зуются специальные приёмные бло- Тестирование в несигнальном режиме водной передачи данных в части как ки R&S TC-RSE, реализующие перенос в диапазоне частот FR1 (410…7125 МГц обеспечения межсистемной ЭМС, так сигналов на промежуточную частоту. [14]) может быть реализовано с приме- и эмиссии излучаемых радиопомех Тестирование на сигнальном уровне нением осциллографов R&S RTP (поло- (исключая штатные излучения для обе- реализуется с применением радиоком- са до 16 ГГц [15]), в т.ч. в режиме MIMO. спечения работы радиосети), в т.ч. раз- муникационного тестера R&S CMX500. В этом случае осциллограф выполняет личных АТ и устройств IoT. Для тести- При этом для создания сигналов радио- функции по захвату сигналов, а их ана- рования устройств 5G в диапазоне FR1 сети 5G применяется блок формирова- лиз осуществляется при помощи про- было использовано выработанное для ния R&S TS-PRE, который обеспечива- граммного обеспечения Vector Signal сетей 4G решение с расширением диа- ет регулировку выходной мощности Analyzer, реализующего векторный ана- пазона частот до 7,125 ГГц. В состав в диапазоне, необходимом для тести- лиз сигналов 5G на уровне модуляции ТС (см. рис. 4) входит измерительный рования БС и АТ. Передающие модули несущих OFDM (опция R&S VSE-K146 приёмник высшего класса R&S ESW44 R&S TC-MX, а также векторный генера- [16]). Результатом такого анализа с опцией R&S ESW-B21, непосредствен- тор R&S SMW200A с полосой рабочих будут показатели качества модуляции, но используемый для оценки эмиссии частот до 40 ГГц используются для фор- например MER, дисбаланс сигнального в диапазоне частот до 200 ГГц. Посколь- мирования помеховых воздействий. созвездия, смещение по частоте и т.д. ку анализ паразитной помехоэмиссии Наличие проблем ЭМС также можно 36 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Рис. 5. Интерфейс программной платформы R&S ELEKTRA для управления испытаниями ты тестовой системы. Задача измере- и проведения измерений эмиссии излучаемых радиопомех ний формы диаграмм направленности особо актуальна для устройств 5G мил- Рис. 6. Форма графического представления результатов измерений диаграмм направленности лиметрового диапазона [19, 20]. При необходимости реализуется пере- времени. Ввиду этого все технические Отдельным вопросом является тести- нос сигналов на более высокие часто- средства ТС R&S TS8996 функциониру- рование устройств 5G в диапазоне FR2, ты – вплоть до 200 ГГц. ют под управлением специализирован- для работы в котором обычно приме- ного программного обеспечения R&S няются интегрированные антенны. В схеме измерительной установки, ELEKTRA, являющегося одним из наи- В этом случае для создания испытатель- представленной на рисунке 4, в зави- более функциональных средств автома- ной среды могут быть использованы симости от текущих задач измерений тизации проведения стандартизован- экранированные камеры настольно- используются разные конфигурации ных и пользовательских испытаний го исполнения, например R&S CMQ200, радиочастотного тракта. Для осущест- по ЭМС. Для проведения испытаний в дополненные радиокоммуникацион- вления переключения радиочастотно- описанном выше составе необходимы ным тестером R&S CMP200 и выносным го тракта предусмотрено использова- модули ELEMI-EAS, ELEMI-RSE и ELEMI- модулем R&S CMPHEAD30 [21], специ- ние блока управления R&S OSP220 в 5GS (см. рис. 5). ально предназначенным для реали- комплекте с коммутационными моду- зации беспроводного подключения, лями R&S OSB-B153. Специально для Как отмечалось выше, в сетях 5G а также другие решения [22, 23]. тестирования устройств 5G в диапа- предусмотрена реализация управле- зоне FR1 разработан блок коммута- ния диаграммами направленности Заключение ции сигналов повышенной мощности антенн, что необходимо как для ком- R&S OSP-B155G. Путём замены входя- пенсации потерь на распростране- Внедрение технологии радиосвя- щих в состав ТС R&S TS8996 модулей ние в свободном пространстве, так и зи 5G NR имеет кардинальные отли- она может быть легко модернизирова- для уменьшения нежелательного вза- чия от сетей предыдущего поколения. на с увеличением максимальной часто- имодействия через эфир. Для измере- В первую очередь это определяется ты тестирования. ний 2D/3D диаграмм направленности, потребностью в выделении крайне а также различных их сечений приме- значительного спектрального ресур- Проведение испытаний устройств 5G няется модуль ПО ELEKTRA ELEMI-3D са, обусловленного сферами плани- в части обеспечения ЭМС с применени- (см. рис. 6). Такие измерения доступ- руемого применения новой техноло- ем ручного управления исключается их ны во всём частотном диапазоне рабо- гии и определяющего использование объёмом и сопутствующими затратами миллиметрового диапазона. Важной особенностью тестирования в обеспечение ЭМС сетей 5G является необходимость создания тестовой сре- ды, которая качественно имитировала бы реальные условия эксплуатации и не оказывала значимого влияния на пере- дачу радиоволн. Решения компании Rohde&Schwarz с применением безэ- ховых экранированных камер, ориен- тированные в первую очередь на диа- пазон частот FR2, позволяют создать закрытые тракты для работы с устрой- ствами 5G без разъёмов для подключе- ния антенн, одновременно имитирую- щие условия свободного пространства. Что касается межсистемной ЭМС, то, как это следует из обзора специфика- ций [10, 16], для БС и АТ критерий ЭМС при воздействии внешних помех состо- ит в снижении пропускной способно- сти до уровня не ниже 95% от базового значения. По-видимому, в ходе развёр- тывания сетей 5G, в т.ч. и в Российской Федерации, будут сформулированы дополнительные критерии ЭМС в отно- шении радиоэлектронных средств кон- кретных радиослужб, что необходимо для частотного планирования и выдачи разрешений на передающие средства 5G. Проведение измерений для оцен- ки соответствия устройств 5G этому и любому другому критерию, сформу- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 WWW.SOEL.RU 37

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ лированному в таких же или близких 5. ITU-R, Liaison statement to task group http://www.3gpp.org (дата обращения категориях, на несигнальном уровне 5/1-spectrum needs and characteristics 07.09.2020). невозможно и требует использования for the terrestrial component of IMT in the 13. TS 38.104 «3GPP. NR; Base Station (BS) radio радиокоммуникационных тестеров, frequency range between 24.25 GHz and 86 transmission and reception». — Интернет- например R&S CMX500 и R&S CMW500. GHz. — ITU-R, WP 5D, Doc. TG5.1/36, 2017. ресурс http://www.3gpp.org (дата обра- — Интернет-ресурс https://www.itu.int/ щения 07.09.2020). Наиболее перспективным решени- md/R15-TG5.1-C-0036/es (дата обраще- 14. TS 38.124 «3GPP. Technical Specification ем для тестирования сетей 5G являют- ния 07.09.2020). Group Radio Access Network; NR; ся комплексные измерительные систе- ElectroMagnetic Compatibility (EMC) мы на базе комбинации измерительных 6. Решение ГКРЧ № 20-54-02 «Об определе- requirements for mobile terminals and приёмников и радиокоммуникацион- нии диапазонов радиочастот для созда- ancillary equipment. Rel. 15». — Интернет- ных тестеров, обеспечивающих прове- ния сетей связи стандарта 5G/IMT-2020 ресурс http://www.3gpp.org (дата обра- дение комплексного тестирования как на территории Российской Федерации». щения 06.09.2020). по помехоэмиссии, так и с эмуляцией — Протокол заседания № 20-54дсп от 15. Осциллографы цифровые R&S RTP. работы сети для оценки её производи- 14.04.2020. — Интернет-ресурс https:/ Руководство по эксплуатации. v.01. — тельности. Такая структура ТС является /digital.gov.ru/ru/documents/7154 (дата 1337.9952.02 — 856 с. оптимальной с точки зрения задейство- обращения 21.07.20). 16. R&S VSE Vector Signal Explorer Software. вания модулей переноса по частоте и Desktop signal analysis. Product Brochure, других элементов радиотракта и позво- 7. Справочник по управлению использова- ver. 09.00. — 3607.1371.12. — 18 p. ляет выполнять оба вида испытаний в нием спектра на национальном уровне. 17. R&S FSW Signal and Spectrum Analyzer. едином цикле, что ускоряет и упроща- — Бюро радиосвязи МСЭ, 2002. — Интер- User Manual. — 1173.9411.02-19. — ет их проведение. При этом функция нет-ресурс https://www.itu.int/dms_pub/ 1163 p. управления средствами измерений и itu-r/opb/hdb/R-HDB-21-2005-PDF-R.pdf 18. Gross T., Kausch J. EMC test solution on the конфигурирования установки для кон- (дата обращения 07.09.2020). cutting EDGE. — White paper, Version 01.00. кретных видов измерений реализует- — PD 3608.6902.52. — 11 p. ся модулями ПО R&S ELEKTRA наряду с 8. Постановление правительства РФ от 19. Young J., Viksted J. 5G Millimeter Wave необходимыми калибровочными про- 21.12.2011 № 1049-34 «Об утверждении Devices: The Impact on EMC Compliance цедурами. таблицы распределения полос радиоча- Tests. — TESTING & MEASUREMENT, 2019. стот между радиослужбами РФ и призна- — P. 67–72. Литература нии утратившими силу некоторых поста- 20. 5G New Radio - Fundamentals, Procedures, новлений правительства РФ». Testing aspects by Meik Kottkamp. – 1. Zaidi A., Athley F., Medbo J. 5G Physical Интернет ресурс https://gloris.rohde- Layer. Principles, Models and Technology 9. Бузов А.Л., Быховский М.А., Васехо Н.В. и schwarz.com/ebooks/5G (дата обраще- Components. — Academic Press, 2018. — др. Управление радиочастотным спек- ния 16.12.2020). 302 p. тром и электромагнитная совместимость 21. Каталог контрольно-измерительного радиосистем. — Под ред. Быховского М.А. оборудования компании R&S. —Интер- 2. Гингард С. Интернет вещей: будущее уже — М.: Эко-Трендз, 2006. — 376 с. нет-ресурс https://info.rohde-schwarz.ru здесь. — М.: Альпина Паблишер, 2016. — (дата обращения 08.09.2020). 180 с. 10. TS 38.141-1 «3GPP. NR; Base Station (BS) 22. Константинов А. С., Пивак А. В. Решения conformance testing Part 1: Conducted компании Rohde&Schwarz для тестирова- 3. Parkvall S., Dahlman E., Furuskar A., conformance testing». — Интернет-ресурс ния радиочастотного оборудования 5G Frenne M., NR: the new 5G radio access http://www.3gpp.org (дата обращения NR FR1 & FR2 // Компоненты и техноло- technology. - IEEE Communications 07.09.2020). гии, 2020. № 10. — С. 94–99. Standards Magazine (2017, Dec.). — 23. Константинов А. С., Пивак А. В. Анализ про- Интернет-ресурс https://ieeexplore.ieee. 11. TS 38.113 «3GPP. Technical Specification цедуры тестирования базовых станций на org/document/8258595 (дата обращения Group Radio Access Network; NR; Base соответствие стандарту 5G NR. Беспровод- 07.09.2020). Station (BS) ElectroMagnetic Compatibility ные технологии, 2020. №2. — С. 40–43. (EMC). Rel. 15». — Интернет-ресурс 4. Бартенев В.А., Болотов Г.В., Быков В.Л. http://www.3gpp.org (дата обращения и др. Спутниковая связь и вещание. 2-е 06.09.2020). изд. — Под ред. Кантора Л.Я. — М.: Радио и связь, 1997. — 528 с. 12. TS 38.141-2 «3GPP NR; Base Station (BS) conformance testing Part 2: Radiated conformance testing». — Интернет-ресурс НОВОСТИ МИРА МОЩНОЕ ФОТОРЕЛЕ В DIP-КОРПУСЕ как HVAC (отопление, вентиляция и кон- жения). Прибор обеспечивает гальвани- диционирование воздуха). Это первое ческую изоляцию 5 кВ. Toshiba представила фотореле фотореле на рынке, которое может иметь TLP241B в DIP-корпусе, которое может состояние выхода off-state во всём диа- toshiba.semicon-storage.com коммутировать токи до 2 A при напряже- пазоне напряжений от 40 до 100 В. В ре- ниях до 100 В. Реле предназначено для зультате оно способно заменить крупно- замены электромеханических реле про- габаритные электромеханические реле. мышленного применения. Компания ви- Возможна импульсная работа при токах дит применение реле в программируемых до 6 А, а также работа при температуре логических контроллерах (ПЛК), а также от –40 до +110°C (с понижением напря- в системах автоматизации зданий, таких 38 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021

Реклама

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Формальный дедуктивный анализ автоматного алгоритма управления генератором эндогаза с помощью платформы Rodin Часть 3. Построение формальной теории для алгоритма управления Максим Нейзов ([email protected]) тип параметров x1…x5. СВА имеет пять входов булевого типа. Условия grd6, grd7 Формальный дедуктивный анализ представляет собой строгий ограничивают значения параметров x2, математический подход к верификации алгоритмов: алгоритм x3. Данные ограничения обусловлены описывается с помощью аксиом, а требуемые свойства доказываются работой блоков f_RzG и f_RzK2. Собы- как теоремы. Цель представленного анализа – доказать соответствие тие iter изменяет состояние машины, алгоритма управления предъявляемым требованиям надежности и выполняя действия act1…act20. Действие безопасности. В статье выполнено построение формальной теории act1 изменяет переменную a – текущее для алгоритма управления: проведена аксиоматизация алгоритма, состояние автомата А, вызывая его функ- формализованы требования, продемонстрировано доказательство цию переходов dta. Действия act2…act5 теоремы с помощью платформы Rodin. изменяют выходы автомата А, вызывая его функции выходов LA_y1…LA_y4. Дей- Введение и 2 соответственно). Назначение акси- ствие act6 изменяет переменную b – ом представлено в таблице 1. Если акси- текущее состояние автомата B, вызы- В предыдущих частях статьи были оматика противоречива, то модель не вая его функцию переходов dtb. Дей- определены требования надёжности и может быть запущена на исполнение. ствия act7…act15 изменяют выходы безопасности [1], предъявляемые к алго- автомата B, вызывая его функции выхо- ритму, рассмотрены автоматный алго- Динамическая модель дов LB_y1…LB_y9. Действия act16…act20 ритм управления и платформа Rodin [2]. алгоритма и окружения сохраняют значения параметров x1…x5 В настоящей работе для верификации в соответствующие им переменные. алгоритма выполняется формальный Аксиомы контекста задают статиче- дедуктивный анализ, который состоит в скую часть модели, машина задает дина- Формализация требований построении формальной аксиоматиче- мическую часть [2]. Машина моделиру- ской теории. Для этого алгоритм описы- ет поведение СВА. В машине объявлены Требования надёжности и безопас- вается с помощью аксиом, выполняется переменные и событие iter (см. листинг ности REQ1…REQ16 [1] в виде матема- формализация требований и проводит- 3), изменяющее состояние машины. тических утверждений T1…T16 записы- ся автоматизированное доказательство Событие может возникнуть с любыми ваются в разделе инвариантов машины теорем с помощью платформы Rodin. параметрами x1…x5, удовлетворяю- (см. листинг 4) и должны быть доказа- щими охранным условиям grd1…grd7. ны как теоремы. Аксиоматика автоматов Охранные условия grd1…grd7 модели- руют поведение окружения автома- Теоремы Т1…Т5 утверждают, что ука- Автоматы A и B [2] задаются с помо- тов. Условия grd1…grd5 ограничивают занные клапаны никогда не открыты щью аксиом в контексте (см. листинг 1 одновременно (REQ1…REQ5). Листинг 1 Теорема Т6 утверждает, что для любо- го клапана v, принадлежащего множе- axm1: partition(A, {A1},{A2},{A3},{A4}) ству клапанов Valve = {vi | i=1…10}, при aaaIa_n___2221A___3=4423_(1===BO{{{=xxxO1L1{1x↦×↦1↦B↦xxO2x2O2xL↦↦2↦×↦xxB33xO3xO||3L|)x|x1x1=(1=Tx=TR1TRRUU=UEEFAEL∧∧S∧Exx22x∧2===TFRxAT2RULUES∈EEB∧O∧∧OxLxx333=∧F==TATxRRL3SUU∈EEEB}}}OOL) снятии сигнала Run клапан v закрыва- axm2: ∨ ется (REQ6). axm3: axm4: Теоремы Т7, Т8 утверждают, что ком- axm5: прессоры работают только при нали- axm6: чии соответствующих разрешений (x1∈BOOL ∧ x2=FALSE ∧ x3=FALSE)} (REQ7, REQ8). axm7: a_1_1 = InA\\(a_1_2) Теорема Т9 утверждает, что при рабо- axm8: a_2_2 = InA\\(a_2_3 ∪ a_2_4 ∪ a_234_1) те компрессора К2 клапан V2 всегда закрыт – это гарантирует, что воздуш- axm9: a_3_3 = InA\\(a_234_1) ный компрессор К2 перекачивает толь- ко воздух (REQ9). axm10: a_4_4 = InA\\(a_234_1) axm11: dta ∈ (A × InA) → A Теорема Т10 утверждает, что при ∀s,i•((s=A1 ∧ i∈a_1_1) ∨ (s∈{A2,A3,A4} ∧ i∈a_234_1)) ⇔ dta(s работе компрессора К1 всегда открыт a↦xmi1)2:= A1 ∧ i∈a_1_2) ∨ только один из клапанов V1 или V2 – axm13: ∀s,i•((s=A1 ∧ i∈a_2_3) ∨ ∧ i∈a_2_2)) ⇔ ↦ i) = A2 это гарантирует, что компрессор К1 axm14: ∀s,i•((s=A2 ∧ i∈a_2_4) ∨ (s=A2 ∧ i∈a_3_3)) ⇔ dta(s ↦ i) = A3 axm15: ∀s,i•((s=A2 (s=A3 ∧ i∈a_4_4)) ⇔ dta(s ↦ i) = A4 axm16: LA_y1 ∈ A → BOOL (s=A4 dta(s axm17: LA_y2 ∈ A → BOOL axm18: LA_y3 ∈ A → BOOL axm19: LA_y4 ∈ A → BOOL axm20: ∀s•(s=A2 ∨ s=A3) ⇔ LA_y1(s) = TRUE axm21: ∀s•(s=A2 ∨ s=A4) ⇔ LA_y2(s) = TRUE axm22: ∀s•(s=A2) ⇔ LA_y3(s) = TRUE axm23: ∀s•(s=A3) ⇔ LA_y4(s) = TRUE 40 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ перекачивает или газ, или воздух, но Листинг 2 не их вместе (REQ10). axm24: partition(B, {B1},{B2},{B3},{B4},{B5},{B6},{B7},{B8},{B9}) Теорема Т11 утверждает, что если (=A{×x1BO↦OLx2× ↦BOOxL3)| компрессоры К1 и К2 работают, то кла- axm25: InB = x1=A2 ∧ x2=TRUE ∧ x3∈BOOL} пан V2 закрыт – это гарантирует, что axm26: b_1_4 компрессоры никогда не перекачивают одно и то же вещество (REQ11). axm27: b_9_8 = b{_x11_↦4 x2 ↦ x3 | x1=A2 ∧ x2=FALSE ∧ x3∈BOOL} axm28: b_1_5 = Теорема Т12 утверждает, что снятие сигнала Run отключает компрессоры axm29: b_7_6 = {b_x11_↦5 x2 ↦ x3 | x1=A2 ∧ x2∈BOOL ∧ x3=TRUE} К1 и К2 (REQ12). axm30: b_4_7 = Теорема Т13 утверждает, что клапа- axm31: b_5_9 = b_4_7 ны V7 и V8 никогда не открыты одно- временно – это гарантирует, что эндо- axm32: b_6_9 = b_4_7 газ не может подаваться в холодильник из двух реторт одновременно (REQ13). axm33: b_8_7 = {{{bxxx_1114_7↦↦↦ x2 ↦ x3 | x1=A1 ∧ x2∈BOOL ∧ x3∈BOOL} axm34: b_x_1 = x2 ↦ x3 | x1=A3 ∧ x2∈BOOL ∧ x3∈BOOL} Теорема Т14_1 утверждает, что для axm35: b_x_2 = x2 ↦ x3 | x1=A4 ∧ x2∈BOOL ∧ x3∈BOOL} реторты R1 никогда не открыт ни один axm36: b_x_3 = из воздушных трактов к коллектору. axm37: b_1_1 = InB\\(b_1_4 ∪ b_1_5) Существует всего три тракта: тракт 1 – при открытии клапанов V7 и V9, тракт 2 axm38: b_2_2 = InB\\(b_x_1) – при открытии клапанов V7 и V4, тракт 3 – при открытии клапанов V7, V3, V2. axm39: b_3_3 = InB\\(b_x_1) Теорема Т14_2 содержит аналогич- axm40: b_4_4 = InB\\(b_x_1 ∪ b_x_2 ∪ b_x_3 ∪ b_4_7) ное утверждение для реторты R2. Вме- axm41: b_5_5 = InB\\(b_x_1 ∪ b_x_2 ∪ b_x_3 ∪ b_5_9) сте теоремы Т14_1 и Т14_2 гарантиру- axm42: b_6_6 = InB\\(b_x_1 ∪ b_x_2 ∪ b_x_3 ∪ b_6_9) ют, что в линии Л3 никогда нет воздуха axm43: b_7_7 = InB\\(b_x_1 ∪ b_x_2 ∪ b_x_3 ∪ b_7_6) (REQ14). axm44: b_8_8 = InB\\(b_x_1 ∪ b_x_2 ∪ b_x_3 ∪ b_8_7) axm45: b_9_9 = InB\\(b_x_1 ∪ b_x_2 ∪ b_x_3 ∪ b_9_8) Теорема Т15 утверждает, что при dtb ∈ (B × InB) → B подаче газа (работает компрессор К1 и axm46: ∀s,i•((s=B1 ∧ i∈b_1_1) ∨ (s∈B\\{B1} ∧ i∈b_x_1)) ⇔ dtb(s ↦ i) открыт клапан V1) обязательно открыт axm47: газовый тракт через реторту (REQ15). Газовый тракт через реторту R1 возни- = B1 ∀s,i•((s=B2 ∧ i∈b_2_2) ∨ (s∈B\\{B1,B2,B3} ∧ i∈b_x_2)) ⇔ кает при открытии клапана V3 вместе с B2 одним из клапанов V7, V9, через ретор- ↦axmi4)8:= dtb(s ту R2 – при открытии клапана V5 вме- сте с одним из клапанов V8, V10. ↦axmi4)9:= ∀s,i•((s=B3 ∧ i∈b_3_3) ∨ (s∈B\\{B1,B2,B3} ∧ i∈b_x_3)) ⇔ dtb(s B3 ∧ i∈b_4_4) ∨ (s=B1 ∧ i∈b_1_4)) Теорема Т16 утверждает, что газ пода- axm50: ∀s,i•((s=B4 ∧ i∈b_5_5) ∨ (s=B1 ∧ i∈b_1_5)) ⇔ ↦ ётся (открыт клапан V1 и работает ком- axm51: ∀s,i•((s=B5 ∧ i∈b_6_6) ∨ (s=B7 ∧ i∈b_7_6)) ⇔ dtb(s ↦ i) = B4 прессор К1) на две реторты (открыты axm52: ∀s,i•((s=B6 ⇔ dtb(s ↦ i) = B5 клапаны V3 и V5) и одна из них рабо- ∧ dtb(s i) = B6 тает на холодильник (открыт клапан ⇔axmd5t3b:(s∀s↦,i•i()(s==BB77 ∧ i∈b_7_7) ∨ ∧ i∈b_4_7) ∨ (s=B8 ∧ i∈b_8_7)) V7 или V8) тогда и только тогда, ког- axm54: ∀s,i•((s=B8 ∧ i∈b_8_8) ∨ (s=B4 i∈b_9_8)) ⇔ dtb(s ↦ i) = B8 да одна реторта находится в рабочем (s=B9 режиме, а вторая в режиме продувки ⇔axmd5t5b:(s∀s↦,i•i()(s==BB99 ∧ i∈b_9_9) ∨ (s=B5 ∧ i∈b_5_9) ∨ (s=B6 ∧ i∈b_6_9)) газом (автомат B находится в состоя- axm56: LB_y1 ∈ B → BOOL нии B6 или B8). Теорема Т16 гаранти- axm57: LB_y2 ∈ B → BOOL рует выполнение требования REQ16. axm58: LB_y3 ∈ B → BOOL axm59: LB_y4 ∈ B → BOOL Доказательство теорем axm60: LB_y5 ∈ B → BOOL axm61: LB_y6 ∈ B → BOOL Теоремы Т1…Т16 были доказаны в axm62: LB_y7 ∈ B → BOOL интерактивном режиме. Дерево дока- axm63: LB_y8 ∈ B → BOOL зательства теоремы Т16 представле- axm64: LB_y9 ∈ B → BOOL но на рисунке 1. Основные леммы axm65: ∀s•s∈{B2,B4,B6,B7,B8} ⇔ LB_y1(s) = TRUE теоремы Т16 представлены в табли- axm66: ∀s•s∈{B3,B5,B9} ⇔ LB_y2(s) = TRUE це 2. Доказательство имеет следую- axm67: ∀s•s∈{B2,B5,B6,B8,B9} ⇔ LB_y3(s) = TRUE щую стратегию: эквиваленция теоре- axm68: ∀s•s∈{B3,B4,B7} ⇔ LB_y4(s) = TRUE мы разбивается на две импликации axm69: ∀s•s∈{B6,B7} ⇔ LB_y5(s) = TRUE lem1 и lem2 (T16 = lem1 ∧ lem2). Левая axm70: ∀s•s∈{B8,B9} ⇔ LB_y6(s) = TRUE часть импликации леммы lem1 добав- axm71: ∀s•s∈{B2,B3,B4,B5,B8,B9} ⇔ LB_y7(s) = TRUE ляется к гипотезам и доказывает- axm72: ∀s•s∈{B2,B3,B4,B5,B6,B7} ⇔ LB_y8(s) = TRUE ся её правая часть: что функция dtb axm73: ∀s•s∈{B4,B5,B6,B8} ⇔ LB_y9(s) = TRUE при принятых гипотезах возвраща- Таблица 1. Назначение аксиом Аксиома Назначение (что определяет аксиома) axm1 А – множество состояний автомата A axm2 InA – множество всех векторов входных сигналов автомата A axm3… axm10 a_i_j – множество векторов входных сигналов автомата A для перехода из состояния i в состояние j axm11 Тип функции переходов автомата А axm12… axm15 dta – функция переходов автомата А axm16… axm19 axm20… axm23 Тип функции выходов автомата А axm24 LA – функция выходов автомата А axm25 В – множество состояний автомата В axm26… axm45 InВ – множество всех векторов входных сигналов автомата В axm46 b_i_j – множество векторов входных сигналов автомата В для перехода из состояния i в состояние j axm47… axm55 Тип функции переходов автомата В axm56… axm64 dtb – функция переходов автомата В axm65… axm73 Тип функции выходов автомата В LВ – функция выходов автомата В ет значение B6 или B8. Лемма lem1.1 Левая часть импликации леммы lem2 используется для доказательства лем- добавляется к гипотезам, и доказывает- мы lem1. Лемма lem1.1 утверждает, ся её правая часть: что указанные функ- что функция dtb при принятых гипо- ции выходов при принятых гипотезах тезах никогда не возвращает значе- имеют значения TRUE. Доказательство ния B1, B2, B3, B4, B5, B7, B9. В итоге леммы lem2 разбивается на доказатель- из всех возможных значений функ- ство ряда лемм: lem2.1…lem2.5. ции dtb остаётся только два: B6 или B8, что и требовалось доказать в лем- Лемма lem2.1 утверждает, что функ- ме lem1. ция выходов LA_y3 имеет значение TRUE. Лемма lem2.1.1 используется для СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 WWW.SOEL.RU 41

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Листинг 3 iter ANY x1 x2 x3 x4 x5 WHERE grd1: x1 ∈ BOOL grd2: x2 ∈ BOOL grd3: x3 ∈ BOOL grd4: x4 ∈ BOOL grd5: x5 ∈ BOOL grd6: (a = A3) ⇒ (x2 = TRUE ∧ x3 = FALSE) grd7: (a = A4) ⇒ (x2 = FALSE ∧ x3 = TRUE) THEN act1: a ≔ dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) act2: K1 ≔ LA_y1(dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3))) act3: K2 ≔ LA_y2(dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3))) act4: V1 ≔ LA_y3(dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3))) act5: V2 ≔ LA_y4(dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3))) act6: b ≔ dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5)) act7: V3 ≔ LB_y1(dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5))) act8: V4 ≔ LB_y2(dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5))) act9: V5 ≔ LB_y3(dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5))) act10: V6 ≔ LB_y4(dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5))) act11: V7 ≔ LB_y5(dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5))) act12: V8 ≔ LB_y6(dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5))) act13: V9 ≔ LB_y7(dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5))) act14: V10 ≔ LB_y8(dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5))) act15: tmrQ ≔ LB_y9(dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5))) act16: Run ≔ x1 act17: RzG ≔ x2 act18: RzK2 ≔ x3 act19: sw1 ≔ x4 act20: tmrI ≔ x5 END Листинг 4 Рис. 1. Дерево доказательства теоремы Т16 INVARIANTS в лемме lem2.5. Таким образом, дока- ... зательство всех перечисленных лемм T1: ¬(V1=TRUE ∧ V2=TRUE) доказывает теорему Т16. Леммы lem1.1, T2: ¬(V3=TRUE ∧ V4=TRUE) lem2.1.1, lem2.3.1, lem2.4.1 были добав- T3: ¬(V5=TRUE ∧ V6=TRUE) лены в дерево доказательства вручную, T4: ¬(V7=TRUE ∧ V9=TRUE) остальные леммы таблицы 2 были сге- T5: ¬(V8=TRUE ∧ V10=TRUE) нерированы программой-прувером T6: ∀v•(v∈Valve ∧ Run=FALSE) ⇒ closed(v)=TRUE автоматически. T7: K1=TRUE ⇒ RzG=TRUE T8: K2=TRUE ⇒ RzK2=TRUE Заключение T9: K2=TRUE ⇒ V2=FALSE T10: K1=TRUE ⇒ ((V1=TRUE ∧ V2=FALSE) ∨ (V2=TRUE ∧ V1=FALSE)) В статье рассмотрен алгоритм T11: (K1=TRUE ∧ K2=TRUE) ⇒ V2=FALSE управления генератором эндога- T12: (Run=FALSE) ⇒ (K1=FALSE ∧ K2=FALSE) за, спроектированный как СВА. Для T13: ¬(V7=TRUE ∧ V8=TRUE) обеспечения надёжности и безопас- T14_1: ¬((V7=TRUE ∧ V9=TRUE) ∨ (V7=TRUE ∧ V4=TRUE) ∨ (V7=TRUE ∧ ности технологического процесса V3=TRUE ∧ V2=TRUE)) алгоритм должен гарантированно T14_2: ¬((V8=TRUE ∧ V10=TRUE) ∨ (V8=TRUE ∧ V6=TRUE) ∨ (V8=TRUE ∧ соответствовать ряду требований. V5=TRUE ∧ V2=TRUE)) Для доказательства соответствия T15: (K1=TRUE ∧ V1=TRUE) ⇒ ((V3=TRUE ∧ (V7=TRUE ∨ V9=TRUE)) ∨ требованиям выполняется формаль- (V5=TRUE ∧ (V8=TRUE ∨ V10=TRUE))) ный дедуктивный анализ. С помощью T16: (V1=TRUE ∧ K1=TRUE ∧ V3=TRUE ∧ V5=TRUE ∧ (V7=TRUE ∨ V8=TRUE)) ⇔ платформы Rodin строится матема- (b=B6 ∨ b=B8) тическая модель алгоритма и его окружения. Требования подлежат доказательства леммы lem2.1. Лемма ция dtb при принятых гипотезах формализации. Каждое требование lem2.1.1 утверждает, что функция dtа всегда возвращает значения, при- задаётся как инвариант машины, при принятых гипотезах всегда возвра- надлежащие множеству {B2, B4, B6, щает значение А2. Доказательство лем- B7, B8}. Если автомат B находится мы lem2.1.1 основывается на том, что в одном из перечисленных состоя- если функция dtb возвращает значе- ний, то LB_y1 имеет значение TRUE ние B6 или B8, то функция dta не может (согласно аксиоме axm65), что и тре- вернуть ничего кроме А2. Если автомат бовалось доказать в лемме lem2.3. А находится в состоянии А2, то LA_y3 Лемма lem2.4 имеет аналогичное имеет значение TRUE (согласно аксио- доказательство. ме axm22), что и требовалось доказать в лемме lem2.1. Лемма lem2.5 утверждает, что функ- ция выходов LB_y5 или LB_y6 имеет зна- Лемма lem2.2 утверждает, что функ- чение TRUE. В ветке доказательства лем- ция выходов LA_y1 имеет значение мы lem2 принята следующая гипотеза: TRUE. Для доказательства этой леммы функция dtb возвращает значение B6 используется уже доказанная лемма или B8. Если функция dtb возвращает lem2.1.1 и аксиома axm20. значение B6, то функция LB_y5 име- ет значение TRUE (согласно аксиоме Лемма lem2.3 утверждает, что функ- axm69), если функция dtb возвращает ция выходов LB_y1 имеет значение значение B8, то функция LB_y6 име- TRUE. Лемма lem2.3.1 использует- ет значение TRUE (согласно аксиоме ся для доказательства леммы lem2.3. axm70), что и требовалось доказать Лемма lem2.3.1 утверждает, что функ- 42 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Таблица 2. Основные леммы теоремы Т16 моделирующей поведение. Инва- рианты доказываются как теоремы. Лемма Утверждение Доказательство теорем гарантирует соответствие требованиям. Платфор- lem1 LA_y3(dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)))=TRUE ∧ ма Rodin ускоряет и упрощает дока- LA_y1(dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)))=TRUE ∧ зательства теорем, а также исключа- lem1.1 LB_y1(dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5)))=TRUE ∧ ет их ошибочность. LB_y3(dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5)))=TRUE ∧ lem2 (LB_y5(dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5)))=TRUE ∨ Формальный дедуктивный анализ LB_y6(dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5)))=TRUE) хорошо сочетается с автоматным про- lem2.1 ⇒ ектированием алгоритмов: для форма- lem2.1.1 (dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5))=B6 ∨ лизации алгоритма не требуется допол- lem2.2 dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5))=B8) нительных преобразований, так как lem2.3 Интерпретация: V1=TRUE ∧ K1=TRUE ∧ V3=TRUE ∧ V5=TRUE ∧ (V7=TRUE ∨ автоматы уже представляют собой lem2.3.1 V8=TRUE) ⇒ (b=B6 ∨ b=B8) математические объекты. lem2.4 lem2.4.1 ¬dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5))∈{B1,B2,B3,B4,B5, B7,B9} Литература lem2.5 (dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5))=B6 ∨ 1. Нейзов М. Формальный дедуктивный ана- dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5))=B8) лиз автоматного алгоритма управления ⇒ генератором эндогаза с помощью плат- LA_y3(dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)))=TRUE ∧ формы Rodin. Часть 1. Определение тре- LA_y1(dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)))=TRUE ∧ бований надежности и безопасности LB_y1(dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5)))=TRUE ∧ работы генератора эндогаза. Современ- LB_y3(dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5)))=TRUE ∧ ная электроника. 2020. № 9. (LB_y5(dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5)))=TRUE ∨ LB_y6(dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5)))=TRUE) 2. Нейзов М. Формальный дедуктивный ана- Интерпретация: (b=B6 ∨ b=B8) ⇒ V1=TRUE ∧ K1=TRUE ∧ V3=TRUE ∧ V5=TRUE ∧ (V7=TRUE ∨ V8=TRUE) лиз автоматного алгоритма управления генератором эндогаза с помощью плат- LA_y3(dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)))=TRUE формы Rodin. Часть 2. Алгоритм управ- Интерпретация: V1=TRUE ления и платформа Rodin. Современная электроника. 2021. № 1. dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3))=A2 LA_y1(dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)))=TRUE Интерпретация: K1=TRUE LB_y1(dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5)))=TRUE Интерпретация: V3=TRUE dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5))∈{B2,B4,B6,B7,B8} LB_y3(dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5)))=TRUE Интерпретация: V5=TRUE dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5))∈{B2,B5,B6,B8,B9} (LB_y5(dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5)))=TRUE ∨ LB_y6(dtb(b ↦ (dta(a ↦ (x1 ↦ x2 ↦ x3)) ↦ x4 ↦ x5)))=TRUE) Интерпретация: (V7=TRUE ∨ V8=TRUE) Автоматизация Автомобилестроение Особенности: Медицина СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 WWW.SOEL.RU 43

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Практика использования встроенного АЦП в ПЛИС семейства MAX10 Часть 1. Справочная информация по АЦП ПЛИС MAX10 Павел Редькин (г. Ульяновск) ства MAX10 могут быть использованы либо выделенные выводы ПЛИС, име- Статья содержит информацию по практическому применению ющие единственную функцию ана- аппаратного модуля АЦП, входящего в состав ПЛИС семейства MAX10 логового входа (Dedicated), либо уни- производства Intel (Altera). В первой части статьи представлена версальные выводы ПЛИС, имеющие справочная информация по АЦП в ПЛИС семейства MAX10, приведены двойную функцию, – аналоговый вход рекомендации производителя по схемотехнике и конструкторскому или цифровой вход/выход GPIO (Dual исполнению измерителя на основе АЦП в ПЛИС. Function). В таблице 4 содержатся све- дения о количестве входов АЦП каждо- Модели ПЛИС с АЦП ПЛИС типа Dual supply для работы циф- го из указанных типов для всех моделей ровой части требуют напряжения пита- ПЛИС, имеющих аппаратный модуль В состав части ПЛИС семейства MAX10 ния с номинальным значением 1,2 В, АЦП [1]. Как можно видеть из табли- от Intel (Altera) производитель включил а для работы модуля АЦП – напряжения цы 4, максимальное количество доступ- встроенный аппаратный модуль АЦП питания с номинальным значением 2,5 В. ных для использования в ПЛИС входов (ADC Hard IP Block), имеющий в своём АЦП равно 18: 2 выделенных входа и 16 составе встроенный аналоговый темпе- Буква A в обозначении модели ПЛИС универсальных входов. ратурный датчик. Указанная особенность указывает на наличие в составе ПЛИС этих ПЛИС позволяет в рамках одной модуля АЦП с датчиком температу- Помимо внешних входов АЦП, к вхо- микросхемы реализовать как оцифровку, ры и массива пользовательской Flash- ду модуля АЦП внутри ПЛИС может так и всю необходимую цифровую обра- памяти (Analog and Flash Features) [3]. быть подключён встроенный диодный ботку внешних по отношению к ПЛИС В зависимости от модели ПЛИС внутри датчик температуры (TSD), для которо- аналоговых сигналов, в том числе сигнала семейства MAX10, она может содержать го задан канал с номером 17. В случае от встроенного температурного датчика. один или два аппаратных модуля АЦП. если в качестве универсальных анало- В таблице 1 перечислены все модели говых входов в проекте ПЛИС исполь- Тип АЦП семейства MAX10 – АЦП ПЛИС, имеющие встроенные аппарат- зуются линии GPIO из банка 1A, остав- последовательного приближения (ADC ные модули АЦП, с указанием количе- шиеся свободными линии GPIO в этом SAR), обеспечивающий оцифровку ства модулей АЦП в ПЛИС [1]. банке в качестве таковых использовать одной выборки входного напряжения уже нельзя. Каждый аналоговый вход в за один период синхросигнала. Параметры АЦП в ПЛИС аппаратном модуле АЦП ПЛИС имеет встроенную ячейку защиты от стати- ПЛИС семейства MAX10, содержащие Параметры аппаратного модуля ческого разряда (ESD). АЦП и температурный датчик, имеют в АЦП в конкретной ПЛИС зависят от её обозначении буквы SA или DA, напри- типа (Single Supply или Dual Supply). Блок-схема аппаратного модуля АЦП мер 10M08SAE144C8G. При этом буква В таблице 2 приведены параметры в ПЛИС семейства MAX10 показана на S или D указывает на количество необ- аппаратного модуля АЦП в ПЛИС типа рисунке 1. ходимых для данного типа ПЛИС внеш- Single supply [2]. В таблице 3 приведены них напряжений питания: одно (Single параметры аппаратного модуля АЦП в IP-ядра поддержки АЦП в ПЛИС Supply) или два (Dual Supply) [3]. ПЛИС ПЛИС типа Dual supply [2]. типа Single supply для работы цифро- Как можно видеть из рисунка 1, для вой части (цифрового ядра и линий вво- Входы АЦП в ПЛИС поддержки аппаратного модуля АЦП да/вывода общего назначения GPIO) и в проекте ПЛИС необходимо соот- модуля АЦП требуют напряжения пита- В качестве аналоговых входов аппа- ветствующее IP-ядро. Производитель ния с номинальным значением 3,3 В. ратных модулей АЦП в ПЛИС семей- предоставляет разработчикам такое IP-ядро – Modular ADC Core Intel FPGA Таблица 1. Модели ПЛИС семейства MAX10, имеющие встроенные аппаратные модули АЦП IP. Всего доступно два типа IP-ядер поддержки АЦП: с поддержкой одного Исполнение Количество 10М04 Количество аппаратных модулей АЦП в ПЛИС 10М50 аппаратного модуля АЦП (ядро Modular в корпусе источников питания 1 Модель ПЛИС - ADC Core IP core) и с поддержкой 1 - двух аппаратных модулей АЦП (ядро M153 ПЛИС 1 10М08 10М16 10М25 10М40 - Modular Dual ADC Core IP core). Под- U169 1 1- - - - держка IP-ядром аппаратного модуля U324 1 1 11- - 2 АЦП реализует три основные функции: 1 1 11- - 1 ● обеспечение собственно преобра- F256 1 - 11- - 2 E144 2 - 1122 2 зований, то есть конфигурирование F484 2 1111 АЦП, генерация сигналов выбора ак- F672 1 1122 тивного канала для преобразования 2 - - -2 2 44 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Таблица 2. Параметры аппаратного модуля АЦП в ПЛИС типа Single supply Параметр Обозначение Условия Мин. значение Тип. значение Макс. значение Ед. изм. Разрешение АЦП - - - - 12 бит Напряжение питания модуля АЦП - В Внешнее опорное напряжение АЦП V - 2,85 3,0/3,3 3,465 В Частота преобразования CC ONE V - 0,5 - V Рабочий температурный диапазон V Аккумулированная - MSPS Входное аналоговое напряжение АЦП REF частота CC ONE 25 CC ONE F - °C ошибка и дрейф смещения S преобразования - - 1 В T - 125 В J Предделитель отключён -40 V % от полной V 0 - шкалы IN Предделитель включён 0 REF Предделитель - % от полной E отключён -0,2 3,61 шкалы offset - 0,2 Предделитель % от полной включён -0,5 0,5 шкалы Предделитель -0,5 0,5 % от полной отключён шкалы 0,75 ошибка и дрейф E МЗР2 gain Предделитель Точность АЦП усиления МЗР2 по постоянному току включён -0,75 МЗР2 дифференциальная DNL Внешнее напряжение -0,9 - 0,9 дБ нелинейность VREF INL -1 - 1,7 дБ Точность АЦП Интегральная нелинейность THD Внутреннее -2 - 2 по переменному SNR напряжение -653 - - дБ току Полное гармоническое SINAD 544 - - искажение T V 535 - - квыб/с Температурный REF - - 50 датчик Отношение сигнал/шум S °C на кристалле - - - ±10 Отношение сигнал/шум - Цикл и искажения F = 50 кГц, АЦП Частота выборок IN Цикл температуры АЦП F = 1 МГц, PLL Цикл Абсолютная точность S АЦП FIN = 50 кГц, F = 1 МГц, PLL S F = 50 кГц, IN F = 1 МГц, PLL S - Диапазон от -40 до +125°C при усреднении по 64 выборкам6 Одиночное измерение - - 1 - Непрерывное измерение- Скорость преобразования - - 1 Измерение температуры - - 1 1 Функция предделителя позволяет разделить входное аналоговое напряжение на два. 2 МЗР – младший значащий разряд выходного кода АЦП. 3 THD с включённым предделителем входа АЦП на 6 дБ меньше указанного в таблице. 4 SNR с включённым предделителем входа АЦП на 6 дБ меньше указанного в таблице. 5 SINAD с включённым предделителем входа АЦП на 6 дБ меньше указанного в таблице. 6 Для ПО Intel Quartus Prime версии 15.0 и более поздних ядра Modular ADC Core и Modular Dual ADC Core IP поддерживают усреднение по 64 выборкам. Для версий ПО Intel Quartus Prime до 14.1 пользователю необходимо производить усреднение по выборкам самостоятельно. управляющих сигналов для запуска ваться в конкретном проекте ПЛИС в пространения сигнала для выделенных и останова АЦП; нескольких различных конфигураци- аналоговых входов будет одинаковой. ● так называемая программа упоря- ях. При использовании IP-ядра Modular Универсальные аналоговые входы для дочения (sequencer) аппаратного ADC Core IP core модуль АЦП в ПЛИС осуществления одновременных преоб- модуля АЦП, позволяющая задать в каждый момент времени может осу- разований в двух аппаратных моду- перечень активных каналов для пре- ществлять аналого-цифровое преоб- лях АЦП одной ПЛИС производитель образования, порядок их автомати- разование сигнала только с одного использовать не рекомендует, посколь- ческого переключения, а также осу- выделенного или универсального ана- ку для этих входов одинаковая задерж- ществлять простейшую обработку логового входа. При использовании ка распространения не гарантируется. результатов АЦП, например сравне- IP-ядра Modular Dual ADC Core IP core ние их с порогом; в ПЛИС с двумя аппаратными модулями IP-ядро Modular ADC Core Intel FPGA ● поддержка интерфейсов автоматиче- АЦП, в каждый момент времени могут IP обоих типов поддерживает следую- ского сохранения результатов АЦП одновременно осуществляться ана- щие возможности по конфигурирова- во внутренней или внешней памя- лого-цифровые преобразования сиг- нию и управлению аппаратным моду- ти ПЛИС. нала от двух различных выделенных лем АЦП в ПЛИС: Каждое из IP-ядер поддержки аппа- аналоговых входов. При этом произ- ● задание синхросигнала для АЦП, ско- ратного модуля АЦП может использо- водитель указывает, что задержка рас- рости преобразования, источника и значения опорного напряжения АЦП; СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 WWW.SOEL.RU 45

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Таблица 3. Параметры аппаратного модуля АЦП в ПЛИС типа Dual supply Параметр Обозначение Условия Мин. значение Тип. значение Макс. значение Ед. изм. Разрешение АЦП - - бит Напряжение питания модуля АЦП - - 12 В Напряжение питания цифровой части V - 2,375 2,5 2,625 В Внешнее опорное напряжение АЦП CCA ADC - 1,15 1,2 1,25 В V - VCCA ADC – 0,5 - VCCA ADC Частота преобразования CCINT Аккумулированная Мвыб/с VREF частота - -1 Рабочий температурный диапазон преобразования –40 F 0 25 125 °C Входное аналоговое напряжение АЦП S Предделитель 0 - VREF В отключён - 31 В T - J Предделитель - включён V –0,2 IN Средний ток –0,5 Ток потребления аналоговой части (постоянный) I Средний ток 275 450 мкА Ток потребления цифровой части (постоянный) –0,5 ACC ADC Предделитель 65 150 мкА отключён –0,75 I Предделитель CCINT включён - 0,2 % от полной шкалы ошибка и дрейф E смещения offset - 0,5 % от полной шкалы Предделитель - 0,5 % от полной отключён шкалы Точность АЦП по ошибка и дрейф E Предделитель постоянному току усиления gain включён - 0,75 % от полной шкалы дифференци- Внешнее напряжение –0,9 - 0,9 МЗР2 альная V –1 - 1,7 МЗР2 нелинейность –2 - 2 МЗР2 REF интегральная нелинейность DNL Внутреннее напряжение V REF INL - полное THD F = 50 кГц, –70 3,4,5 - - дБ гармоническое IN искажение F = 1 МГц, PLL S Точность АЦП по отношение SNR F = 50 кГц, 62 5,6,7 - - дБ переменному току сигнал/шум SINAD IN 61,5 5,8,9 - - дБ отношение F = 1 МГц, PLL сигнал/шум S и искажения F = 50 кГц, IN F = 1 МГц, PLL S Температурный датчик на частота выборок T - - - 50 квыб/с кристалле температуры S - - ±5 °C Диапазон от –40 абсолютная - до +125°C при точность усреднении по 64 выборкам10 Одиночное - - 1 Цикл измерение АЦП Скорость преобразования - Непрерывное - - 1 Цикл измерение АЦП Измерение - - 1 Цикл температуры АЦП 1 Функция предделителя позволяет разделить входное аналоговое напряжение на два. 2 МЗР – младший значащий разряд выходного кода АЦП. 3 Полное гармоническое искажение составляет -65 дБ для универсального входа АЦП. 4 THD с включённым предделителем входа АЦП на 6 дБ меньше указанного в таблице. 5 При использовании внутреннего V THD = 66 дБ, SNR = 58 дБ и SINAD = 57,5 дБ для выделенных входов АЦП. REF 6 Отношение сигнал/шум дБ для универсального входа АЦП. составляет 54 7 SNR с включённым предделителем входа АЦП на 6 дБ меньше указанного в таблице. 8 Отношение сигнал/шум и искажения составляет 53 дБ для универсального входа. 9 SINAD с включённым предделителем входа АЦП на 6 дБ меньше указанного в таблице. 10 Для ПО Intel Quartus Prime версии 15.0 и более поздних ядра Modular ADC Core и Modular Dual ADC Core IP поддерживают усреднение по 64 выборкам. Для версий ПО Intel Quartus Prime до 14.1 пользователю необходимо производить усреднение по выборкам самостоятельно. 46 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ● задание активных каналов для АЦП, Таблица 4. Количество входов АЦП в ПЛИС семейства MAX10 то есть таких, для которых в принци- пе разрешено преобразование путём Количество входов АЦП в данной модели ПЛИС наложения маски; Исполнение Тип вывода ПЛИС Модель ПЛИС ● задание порогового значения выход- в корпусе ного кода АЦП, при достижении ко- торого генерируется некий сигнал 10М04 10М08 10М16 10М25 10М40 10М50 уведомления; 1 - M153 Выделенный 8 1- - - - ● настройка конверсионной последо- U169 Универсальный 1 - вательности, задающей очерёдность U324 8 8- - - - и частоту выбора для преобразования F256 Выделенный 1 - сигналов со входов активных (неза- E144 Универсальный 16 11- - - маскированных) каналов. F484 1 2 IP-ядро Modular ADC Core Intel FPGA F672 Выделенный 16 88- - 16 Универсальный 1 1 IP обоих типов поддерживает четыре 8 11- - 8 различные конфигурации: Выделенный - 2 ● стандартная программа упорядоче- Универсальный - 16 16 - - 16 - 2 ния с сохранением выборок АЦП по Выделенный - 1122 16 шине Avalon-MM во внутренней па- Универсальный мяти ПЛИС. 16 16 16 16 ● стандартная программа упорядоче- Выделенный ния с сохранением выборок АЦП по Универсальный 1111 шине Avalon-MM во внутренней па- мяти ПЛИС и с задаваемым порогом Выделенный 8888 выходного кода АЦП, при достиже- Универсальный нии которого сверху или снизу гене- 1122 рируется сигнал уведомления; ● стандартная программа упорядоче- 16 16 16 16 ния с сохранением выборок АЦП во внешней памяти; - - -2 ● только управление АЦП без сохране- ния выборок. - - - 16 Конфигурация 1 применяется в системах сбора данных и рассчита- Рис. 1. Блок-схема аппаратного модуля АЦП в ПЛИС семейства MAX10 на на взаимодействие АЦП в ПЛИС с внешним микропроцессором, кото- ней памяти. При этом для взаимодей- может задать в специальном редакто- рый по сигналам генерируемых преры- ствия с внешней памятью разработчик ре параметров АЦП, поддерживаемом ваний читает блоки накопленных дан- должен спроектировать собственную инструментальной средой разработки ных (оцифрованных выборок АЦП) из логику, например используя для этого проектов ПЛИС Quartus II. Всего име- внутренней памяти (RAM) ПЛИС. цифровую часть ПЛИС. ется три группы параметров: группа Конфигурация 2 также применяется параметров общего назначения, группа в системах сбора данных и отличается В конфигурации 4 IP-ядро Modular параметров каналов АЦП, группа пара- от конфигурации 1 только тем, что в ADC Core Intel FPGA IP реализует толь- метров упорядочения преобразования. ней поддерживается задание порогово- ко функции управления аппаратным го значения выходного кода АЦП, при модулем АЦП без функций упорядо- Параметры общего назначения достижении которого сверху или снизу чения и сохранения оцифрованных IP-ядра Modular ADC Core IP core пере- конфигурация 2 генерирует сигнал уве- выборок АЦП. В этой конфигурации числены в таблице 5. Параметры кана- домления. Используя этот сигнал, внеш- разработчику предоставляется пол- лов АЦП IP-ядра Modular ADC Core IP ний микропроцессор может осущест- ная свобода проектирования своей соб- core перечислены в таблице 6. Параме- влять системный мониторинг значений ственной программы упорядочения и тры упорядочения IP-ядра Modular ADC выборок АЦП и соответствующим обра- способа управления обработкой резуль- Core IP core перечислены в таблице 7. зом реагировать на выходы результатов татов АЦП. Параметры IP-ядра Modular Dual ADC преобразования за заданные пределы. Core IP core имеют аналогичную струк- При наличии двух аппаратных моду- Для получения подробностей по туру с поправкой на количество аппа- лей АЦП они могут генерировать сиг- использованию конфигураций 1–4 ратных модулей АЦП. нал уведомления о достижении поро- рекомендуется обратиться к докумен- гов независимо друг от друга. ту [1]. В рамках этой статьи будет рас- Подробнее о настройке АЦП и зада- Конфигурация 3 аналогична кон- смотрено использование АЦП в ПЛИС нии параметров IP-ядер в среде Quartus II фигурации 1 с той лишь разницей, что только в конфигурации 4. будет рассказано во второй части статьи. блоки накопленных данных (оцифро- ванных выборок АЦП) хранятся не во Параметры IP-ядра поддержки Синхронизация АЦП в ПЛИС внутренней памяти ПЛИС, а во внеш- АЦП в ПЛИС В качестве синхросигнала для аппа- IP-ядра Modular ADC Core IP core и ратного модуля АЦП в ПЛИС семей- ства MAX10 производителем реко- Modular Dual ADC Core IP core имеют мендуется использовать выходной ряд параметров, которые пользователь СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 WWW.SOEL.RU 47

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Таблица 5. Группа параметров общего назначения IP-ядра Modular ADC Core Название параметра Варианты задания в редакторе Описание Core Variant • Standard sequencer with Avalon-MM sample Debug Path storage Generate IP for which ADCs of this device? • Standard sequencer with Avalon-MM sample Вариант IP-ядра. Выбор варианта IP-ядра в зависимости от требуемых задач, для которых storage and threshold violation detection применяется АЦП • Standard sequencer with external sample Storage • ADC control core only • Disabled Отладочные пути. Включить или выключить отладочные пути в модуле АЦП. • Enabled Используется при необходимости получения дополнительной отладочной информации • 1st ADC Генерировать IP-ядро для этого устройства? Для устройств, имеющих два аппаратных модуля • 2nd ADC АЦП, задаётся, какой из этих модулей блокируется (не используется) ADC Sample Rate 25, 50, 100, 200, 250, 500 кГц, Частота выборок АЦП. Задаваемая частота выборок АЦП не может превышать 1 МГц 1 МГц ADC Input Clock 2, 10, 20, 40, 80 МГц Частота входного синхросигнала АЦП. Задаваемая частота входного синхросигнала АЦП, из которого путём внутреннего аппаратного деления формируется частота выборок АЦП Reference Voltage Source • External • Internal Источник опорного напряжения. В случае выбора внешнего источника в качестве источника External Reference Voltage опорного напряжения используется внешнее напряжение на ножке ADC_VREF. В случае выбора Enable user created expected • Dual supply devices: up to 2.5 V внутреннего источника в качестве источника опорного напряжения используется внутренний output file • Single supply devices: up to 3.63 V источник напряжения 2,5 В на кристалле (3,0/3,3 В в устройствах со встроенным стабилизатором напряжения) • Enabled • Disabled Напряжение внешнего источника опорного напряжения. Может быть выбрано из двух вариантов Разрешить использование выходного файла. Данный параметр определяет источник выходных данных для логического моделирования АЦП Таблица 6. Группа параметров каналов АЦП IP-ядра Modular ADC Core Название параметра Варианты задания Описание в редакторе Use Channel 0 (Dedicated • On Разрешить выделенный вход АЦП analog input pin - ANAIN) (CH0 tab) • Off Пользователь создал выходной файл. Данный параметр определяет созданный пользователями входной файл User created expected output file - стимулов, чтобы моделировать выходные данные для канала. Этот выбор доступен для каждого разрешённого канала, кроме TSD, но только в том случае, если был задан параметр Enable user created expected output file из Use Channel N (Each channel in its own tab) группы параметров общего назначения Use on-chip TSD Использовать канал N (каждый канал имеет собственный номер). (TSD tab) • On Разрешает использование универсального аналогового входа, где N: • Off • 1...16 каналов для устройств с одним модулем АЦП; • 1...8 каналов для устройств с двумя модулями АЦП Использовать встроенный температурный датчик TSD на кристалле (вкладка TSD). Определяет, что IP-ядро • On осуществляет выборки напряжения от встроенного температурного датчика. Если этот параметр задан, • Off то частота выборок с датчика TSD составляет до 50 кГц, при том что частота выборок с аналоговых входов составляет до 1 МГц Enable Maximum threshold • On Разрешить порог максимума для канала N (каждый канал имеет собственный номер). Активирует максимальную for Channel N • Off пороговую опцию для канала. Этот выбор доступен, только если в качестве варианта IP-ядра выбран вариант (Each channel in its own tab) Standard sequencer with Avalon-MM sample storage and threshold violation detection Enable Maximum threshold for • On Разрешить порог максимума для TSD на кристалле (вкладка TSD). Активирует максимальную пороговую опцию on-chip TSD • Off для TSD. Этот выбор доступен, только если в качестве варианта IP-ядра выбран вариант Standard sequencer with (TSD tab) Avalon-MM sample storage and threshold violation detection Enter Maximum Threshold for Channel N Зависит от Задать порог максимума для канала N в вольтах. Этот выбор доступен, только если в качестве варианта IP-ядра (Each channel in its own tab, including величины опорного выбран вариант Standard sequencer with Avalon-MM sample storage and threshold violation detection channel 0) напряжения Enter Maximum Threshold for on-chip - Задать порог максимума для TSD на кристалле в градусах Цельсия. Этот выбор доступен, только если в качестве TSD (TSD tab) варианта IP-ядра выбран вариант Standard sequencer with Avalon-MM sample storage and threshold violation detection Enable Minimum threshold for Channel N • On Разрешить порог минимума для канала N (каждый канал имеет собственный номер). Активирует минимальную (Each channel in its own tab, including • Off пороговую опцию для канала. Этот выбор доступен, только если в качестве варианта IP-ядра выбран вариант channel 0) Standard sequencer with Avalon-MM sample storage and threshold violation detection Enable Minimum threshold for on-chip • On Разрешить порог минимума для TSD на кристалле (вкладка TSD). Активирует минимальную пороговую опцию для TSD • Off TSD. Этот выбор доступен, только если в качестве варианта IP-ядра выбран вариант Standard sequencer with Avalon- (TSD tab) MM sample storage and threshold violation detection Enter Minimum Threshold for Channel N Зависит от Задать порог минимума для канала N в вольтах. Этот выбор доступен, только если в качестве варианта IP-ядра (Each channel in its own tab, including величины опорного выбран вариант Standard sequencer with Avalon-MM sample storage and threshold violation detection channel 0) напряжения Enter Minimum Threshold for on-chip - Задать порог минимума для TSD на кристалле в градусах Цельсия. Этот выбор доступен, только если в качестве TSD (TSD tab) варианта IP-ядра выбран вариант Standard sequencer with Avalon-MM sample storage and threshold violation detection Enable Prescaler for Channel N • On Разрешить функцию входного делителя для канала N, где N: • Off • Каналы 8 и 16 (при наличии) для устройств с одним модулем АЦП. • Канал 8 АЦП1 или АЦП2 для устройств с двумя модулями АЦП 48 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021