Filtr: Switching Capacitor
W telefonii PCM aktywne filtry RC wyparly filtry LC. Filtry aktywne wypierane sa przez scalone filtry z przelaczanymi pojemnosciami. Czesto sa one elementem scalonego CoDeca (Coder – Decoder ) PCM. Mozliwe ze w Codekach ( 4 generacja) zostana zastosowane przetworniki ADC Sigma Delta z filtracja cyfrowa.
Scalony w technologi MOS filtr z przelaczanymi pojemnosciami zawiera wzmacniacze operacyjne, klucze i pojemnosci. Jakosc tych wzmacniaczy operacyjnych w technologi NMOS i PMOS jest mierna i dobrej jakosci filtry wykonane sa dopiero w technologii CMOS. Wzmacniacze te maja wzglednie prosta konstrukcje. Kondensatory udaje się wykonac o wzglednie dokladnych ( wzgledem innych kondensatorow na chipie ) pojemnosciach i filtr moze byc calkiem selektywny.
Opracowany uklad trzeba komputerowo zasymulowac ale dobrze jest go tez sprawdzic praktycznie na fizycznym modelu poniewaz opracowanie masek do produkcji ukladu scalonego i probna produkcja sa drogie.
Laboratoryjny fizyczny model mozna wykonac na typowych wzmacniaczach operacyjnych JFet i kluczach CMOS 4016 i 4066. Oczywiscie stosujemy w modelu wieksze przeskalowane pojemnosci niz w docelowym ukladzie scalonym. Wzmacniacze do scalonego filtru trzeba osobno dokladnie testowac.
Antyaliasingowy i rekonstrukcyjny filtr dolnoprzepustowy moze byc elementem scalonego kodeka do telefonii PCM. Wspolczesnie jest to glowne zastosowanie tych filtrow. Oczywiscie w centralach telefonicznych.
Drugim ich zastosowaniem jest dekoder wybierania tonowego DTMF ( Dual Tone Multi Frequency ) w centralach telefonicznych ( takze PABX, telefonii komorkowej, zdalnym sterowaniu i kontroli dostepu ).
W Polsce jest obecnie 2.7 mln numerow telefonicznych, których winno byc jak na poziomie zachodnioeuropejskim z 10 mln.
Ilosc jednoczesnie obslugiwanych abonentow moze rozsadnie wynosic 1/8 ich liczby.
Dla unikniecia blokad abonenci musza byc w grupach wymieszani. Czyli firmy – urzedy pracujace rozlacznie czasowo z domowa aktywnoscia pracownikow, musza byc wymieszane z numerami pracownikow. Bardzo aktywny abonent musi byc w grupie razem z malo aktywnymi.
Czyli gdyby wszyscy abonenci byli obslugiwani przez cyfrowe centrale PCM to scalonych kodekow (ale tez samych par filtrow ) potrzeba wieloletnio - docelowo 1.25 mln sztuk. Jest to produkcja sredniej wielkosci ale juz ekonomicznie uzasadniona. W realnym scenariuszu modernizacji trzeba ich o wiele mniej i produkcja jest nieracjonalna gdy kodeki mozna gdzies kupic. Trwajaca blokada technologiczna krajow socjalistycznych wymusza zreszta mala, nieracjonalna produkcje.
Ilosc jednoczesnie wybierajacych numer abonentow przyjmuje się na 1/64 ich ilosci. Z zastrzezeniem optymalnego wymieszania abonentow w grupach. Poniewaz tylko czesc abonentow będzie miala aparat telefoniczny z wybieraniem tonowym scalonych dekoderow DTMF do central nie potrzeba wiele.
Filtry z przelaczanymi pojemnosciami projektuje się na dwa sposoby.
W pierwszej metodzie symuluje sie zachowanie prototypowego filtru LC. Idea tej symulacji jest oczywista i w ogolnosci bardzo podobna jak symulacja na komputerach. Nie ma tu niczego istotnie innowacyjnie nowego.
Pierwszym krokiem jest opracowanie ( sa do tego programy komputerowe ) prototypu filtru LC o zadanych parametrach.
Na rysunku pokazano przykladowy filtr srodkowoprzepustowy 8 rzedu wynikajacy z wymagan. Ma jedno Zero ponizej pasma przepuszczania i dwa Zera powyzej pasma przepuszczania. Wybrano topologie o minimalnej ilosci indukcyjnosci.
Oczywiscie stosuje sie optymalne skalowanie wielkosci kondensatorow tak aby uklad byl tanio
wykonywalny z maksymalnym uzyskiem.
W drugiej metodzie projektowania, kaskadowe biquady z przelaczanymi pojemnosciami sa algorytmicznie dokladnie takie jak biguady filtru cyfrowego – programowego IIR ( Infinite Impuls Response). Biblia dla projektantow filtrow cyfrowych jest „Theory and Application of Digital Signal Processing”, L.Rabiner, B.Gold, Prentice Hall, 1975. Mozna zastosowac przyblizona transformate prototypu ciaglego na przalaczany s -> z co jest bardzo latwe lub filtr projektowac od razu na plaszczyznie z.
Znanych jest wiele postaci biquadow. Chetniej wybierane sa te z dwoma a nie trzema wzmacniaczami operacyjnymi. Roznia się one wrazliwoscia. Wrazliwosc struktur z akumulatorami jest mniejsza niz stosujacych opoznienie.
Generalna wada tej metody jest wieksza wrazliwosc niz w metodzie symulacji filtru LC.
Na rysunku pokazano jeden z ogolnych biquadow i jedna z jego realizacji. Sa tez realizacje bardziej oszczedne.
Poniewaz programy do projektowania filtrow SC sa dostepne to jalowe powtarzanie informacji jest bezproduktywne.
Zacznijmy tam gdzie wszyscy koncza aby uzyskac jakas Wartosc Dodana z rozwazan.
Brytyjski Plessey produkuje uklady kodekow MV3506 ( standard PCM USA, 24 kanaly i kompandowanie A ) i MV3507 dla Europy (32 kanaly i kompandowanie u ) i swiata. Wykonane sa technologia CMOS Silicon Gate.
Uklady sa dosc zlozone ale filtry ( nadawczy i odbiorczy ) z przelaczanymi pojemnosciami sa ich najtrudniejsza czescia.
Filtry spelniaja wymagania norm CCITT G.711, G.712 i G.733. Zreszta normy te sa dosc liberalne i rozsadnie surowe.
Plessey oferuje uklady scalone duzej skali integracji do budowy kompletnej centrali telefonicznej PCM. Jest ona zdumiewajaco prosta na tle dawniejszych rozwiazan. Najtrudniejsze jest stworzenie programu dla sterujacego praca centrali komputera. Takie zestawy ukladow scalonych oferuje 8 swiatowych koncernow mikroelektronicznych a w tym oczywiscie firmy z Japonii.
Wzorujac się na ich projektach opracowanie funkcjonalnie takich ukladow ( same maski IC sa pod ochrona prawna i nie wolno ich kopiowac ale wszelkie schematy ( logiczne i ideowe ) ukladow nie sa chronione) nie jest trudne ale Polska nie ma dobrej technologii CMOS a tylko starenka.
Bell aparaty telefoniczne z wybieraniem tonowym i odpowiednie dekodery w centralach telefonicznych wprowadzil juz w latach szescdziesiatych. Zaleta wybierania tonowego jest jego szybkosc a dostepnych kodow jest 16 ( faktycznie uzywanych jest normalnie 10 lub 11 kodow ) a nie 10 jak w aparacie z tarcza. Dopiero pozniej nadano jej nazwe DTMF. Konstrukcja aparatu byla genialna. Mial dwa proste generatory tranzystorowe LC. Przyciski przylaczaly tylko jeden kondensator do odczepow transformatorkow generatorow co pozwalalo na miniaturyzacje i obnizenie ceny aparatu.
Dekoder w centrali mial duzo filtrow LC i byl dosc skomplikowany. Jego znakomita konstrukcje pozwalajaca na pewne dekodowanie opisano w BSTJ.
Jednoczenie w systemie DTMF emitowany jest ton z grupy „niskich” czestotliwosci A,B,C,D i ton z grupy „wysokich” czestotliwosci E,F,G,H.
Filtr z przelaczanymi pojemnosciami dekodera DTMF Plesseya MV8870EXP ( uzyto gestej technologi ISO/CMOS ) rozdziela przychodzacy sygnal na dwa pasma z tonami z grupy niskiej i wysokiej. Sygnaly podane sa dalej do prostych cyfrowych dyskryminatorow dwoch czestotliwosci tonow DTMF. Oczywiscie finalne decyzje z informacji z tych 6 prostych wyjsc ( 4 wyjscia to kod a dwa wskazuja (a) poczatek zdetekowania sygnalu DTMF i jego (b) nieprzerwane trwanie przez 40ms ) ukladu podejmuje dopiero mikrokontroler obserwujacy sekwencje sygnalow i decydujacy czy to sa wybierane sygnaly DTMF. Sygnal DTMF dla poprawnego zdekodowania nie powinien byc krotszy od circa 40 ms mimo iz tony z grup sa wykrywane juz po 11 i 4 ms. Przerwa miedzy sygnalami powinna wynosi minimalnie 40 ms. W ciagu sekundy mozna zatem podac 12.5 kodow czyli wybieranie numeru z pamieci aparatu telefonicznego jest momentalne a przy recznym wybieraniu na nic się nie czeka stukajac jak najszybciej w klawisze aparatu.
Udany, nasladowczy uklad '8870 jest juz zapowiadany w czasopismach przez inne firmy.
N.B. Plessey w swoich materialach umieszcza schematy ukladow scalonych majacych do circa 100 elementow czyli mieszczace się na jednej stronie.
Wnioski
-Telekomunikacja to obecnie domena ukladow CMOS LSI i VLSI w których sa tez uzyte filtry z przelaczanymi pojemnosciami. Polska majac swoje zalosne Cemi ma w rezultacie zapozniona telekomunikacje. Dobra technologie CMOS ma natomiast NRD. W krajach cywilizowanych firmy telekomunikacyjne sa rentowe a czasem wysoko rentowne i w Polsce winno byc tak samo bo popyt przeciez jest ! Ludzie beda wydajnie pracowac gdy dostana pieniadze do kupienia towaru i uslug. Tu uslug telekomunikacyjnych.
-Zaprojektowany programem komputerowym filtr z przelaczanymi pojemnosciami trzeba tez koniecznie fizycznie sprawdzic. W standardowym ukladzie CD4016/4066 sa 4 przelaczniki a w modelowanym ukladzie jest ich duzo wiecej i stad uklad modelowy jest spory. Mozna tez czasem uzyc multiplekserow CMOS.
-W nowoczesnej telekomunikacji sa szeroko uzywane mikrokontrolery i mikrokomputery. Programy do nich kosztuje duzo więcej niz sprzet. Inzynierow - programistow juz garstke mamy ale mozemy ich duzo wyszkolic. Zakup licencji na nieudane centrale E-10 byl katastrofalnym bledem i te blad mozemy w roznych wariantach powtorzyc, trwale przerabiajac kraj na Tania Sile Robocza i pozbawiajac go szans na autentyczny rozwoj.
-Produkcja ukladow do nowoczesnej centrali PCM jest w zasiegu firmy z NRD. Opracowanie takich nasladowczych lub pol nasladowczych ukladow jest przy mobilizacji sil w naszym zasiegu. Plusem rozwizania nasladowczego jest mozliwosc bardzo szybkiego zbudowania centrali na zakupionych ukladach i rozpoczecie tworzenia programow, ktore stanowia duza czesc kosztow.
-Embargo technologiczne i sankcje Zachodu wyrzadzaja krajom socjalistyczny tak duze szkody szkody glownie dlatego ze nie maja on swojej sprawnej mikroelektroniki.
Nasz mikroelektronika zatrzyma się w rozwoju i poziomu Switching capacitor nawet nie lizneła. A teraz jest jesteśmy w ciemnej dziurze.
OdpowiedzUsuń