Bezdrátový přenos dat a jiných signálů rádiovými vlnami přináší mnohá úskalí. Cílem tohoto článku je seznámit čtenáře s možnými problémy, se kterými se může konstruktér komunikačního zařízení používající rádiové moduly pro přenos dat setkat a pomoci mu najít vhodnou cestu k jejich řešení. Nejde pouze o to dostat rádiový signál z vysílače z bodu A k přijímači v bodu B. Je třeba zajistit korektní a pokud možno bezchybný přenos signálu nesoucí přenášenou informaci. Na přenos rádiovým signálem působí negativně celá řada nejrůznějších faktorů – zdroje rušení a šumu, zkreslení, atmosférické vlivy ad.

Rádiový modul pro přenos dat

Zjednodušeně, pro účely tohoto článku, lze rádiový modul vysílače definovat jako elektronické zařízení, které pomocí antény vyzařuje elektromagnetický signál, který může být přijat vhodným rádiovým modulem přijímače. Rádiové moduly určené pro přenos dat jsou upraveny tak, aby poskytovali signály v obvyklých napěťových úrovních logických obvodů, nejčastěji TTL nebo 3,3 V. Jsou vyráběny jako samostatné moduly vysílače a přijímače pro simplexní přenos nebo moduly transceiverů pro obousměrný, zpravidla poloduplexní, přenos dat. Rádiový pár vysílače a přijímače může být také chápán jako lineární přenosový analogový kanál s definovanou šířkou pásma zpravidla od několika Hz až desítek kHz a zkreslením menším než 10%.

Rádiový modul neobsahuje žádnou digitální - procesorovou část upravující přenášená data. Výhodou tohoto řešení je univerzálnost, možnost přizpůsobení rádiové části požadavkům konkrétní aplikace a zpravidla také nižší cena ve srovnání s rádiovými modemy. Konstruktér zařízení s rádiovým datovým modulem není omezen předem určeným a daným formátem dat, způsobem zabezpečení, časováním, použitým kódováním či formátem adresace.

Rádiomodem je rovněž určen pro přenos dat. Na rozdíl od rádiového modulu je doplněn o další inteligenci, minimálně ve formě modemového obvodu, který upravuje přenášená data do podoby vhodné pro rádiové vysílání a příjem pro optimální využití přenosové kapacity rádiového kanálu. Radiomodemy často umožňují při přenosu data adresovat, zabezpečit, opakovat apod. Radiomodemy bývají vybaveny sériovou linkou. Nejčastěji je to RS232 (UART) nebo RS485 či RS422. Radiomodem nemusí být nutně komunikační zařízení v mohutném krytu, jak si ho mnozí často představují, ale může se jednat i o malý modul na desce plošného spoje o rozměrech pár desítek milimetrů s připojením na datovou linku a anténní napáječ pro ty případy, kdy radiomodem není vybaven interní anténou.

O tom, jak upravit sériová data do podoby vhodné pro přenos rádiovými moduly, se dozvíte v následujících odstavcích.

Lineární "analogový" přenos dat

Při tomto způsobu přenosu přenášená data, prostřednictvím modulačních obvodů vysílače, přímo ovlivňují – modulují nosný signál. Je nositelem přenášené informace, která ale není žádným způsobem zabezpečena proti možným chybám vznikajícím při bezdrátovém přenosu. Tento způsob přenosu nerespektuje podmínky plynoucí ze střídavé vazby rádiového kanálu mezi vysílacím a přijímacím rádiovým modulem. Takovýto způsob přenosu je velmi zranitelný a choulostivý na jakékoli poruchy a rušení vyskytující se v rádiovém kanále. Data je třeba přenést tak, aby byla platná, tedy s minimem možných chyb.

Přímý (analogový) přenos dat je možné použít pouze v omezených případech na vzdálenost několika málo metrů, s nízkou přenosovou rychlostí a to ještě za předpokladu alespoň částečně vyváženého počtu nul a jedniček v datovém toku, tzv. bit balancing.

V této souvislosti je dobré se zmínit o speciálních modemových čipech, např. výrobce CML (FX 589 a FX 909). Tyto jsou navrženy pro různé typy digitálních modulací. Použitím digitálních modulací GMSK nebo FSK lze velmi efektivně využít parametrů rádiových modulů.

Nepřímý "digitální" přenos dat

Přenos kanál mezi dvěma rádiovými moduly určenými k přenosu dat, dále jen moduly, má střídavou vazbu. Tím jsou dány základní podmínky, které musí splnit každý sériový datový přenos:

1. Šířka pulsu Tento čas je určen mezními kmitočty přenosové charakteristiky a časovou konstantou obvodů tvarovače v přijímači.
   Pro běžné případy, přenosová rychlost do cca 40 kbit/s, by měla doba T mezi dvěma hranami digitálních sériových dat splňovat podmínku 25 µs < T < 2 ms.
2. Synchronizační doba přijímače Obvody tvarovače dat v přijímači potřebují před vlastním datovým paketem přijmout synchronizaci ve tvaru '10101010' trvající nejméně 3 ms pro nastavení správných rozhodovacích úrovní. Teprve pak lze data na výstupu RXD přijímajícího modulu považovat za platná. Prodloužení tohoto času na 5 ms zvyšuje imunitu proti vysokofrekvenčnímu rušení.
3. Poměr nul a jedniček Tvarovače dat na straně přijímače jsou konstruovány a optimalizovány pro příjem signálu s průměrným rovnoměrným poměrem nul a jedniček (nízkých a vysokých úrovní) a to během libovolně vybraného období trvajícího 4 ms. Tvarovač je schopen tolerovat trvalou nesymetrii až do poměru 30:70 (kterýmkoli směrem), avšak tato nesymetrie způsobí zvýšení zkreslení šířky pulsů a snížení šumové imunity.

Pokud budou splněny výše uvedené podmínky, budou mezi moduly spolehlivě přenesena libovolná sériová data.

Data sériové linky RS232

Mezi dvojicí modulů je možné přenášet data sériové linky RS232. Přenosová rychlost je odvislá od použitého typu modulu. Zpravidla to bývá 1200 až 115200 baudů. Data musí formována do paketů bez zbytečných mezer mezi byty a musí být splněny výše uvedené podmínky; tj. před daty musí předcházet synchronizační byty (55h nebo AAh) po dobu > 3 ms, aby se ustálil stav tvarovače dat přijímače. Následují jeden nebo dva byty FFh, tak aby se zasynchronizovaly obvody připojené na datový výstup přijímače RXD, tj. mikrokontroler, UART. Poté se odesílá jedinečný synchronizační byte označující začátek zprávy (např. 01h). Pak obvykle následují datové byty a nakonec kontrolní kód CRC nebo kontrolní součet.

Tvarovač dat na straně přijímače produkuje nejméně chyb při rozpoznávání jednotlivých bitů při datech, která mají průměrný poměr nul a jedniček stejný během každého období trvajícího přibližně 4 ms. Řetězec znaků s hodnotami FFh nebo 00h je velmi nesymetrický a způsobí velkou chybovost v místech slabého příjmu. Při rychlostech nad 20 kbit/s je doporučováno používat pouze kódy s absolutně stejným poměrem nul a jedniček.

Poznámka: Rádiové moduly a modemy bývají vybaveny, a to poměrně často, sériovou linkou UART, v úrovních 3,3 V nebo 5 V, vhodných pro připojení k mikrokontrolerům či jiným logickým obvodům. Pokud hodláte připojit takové moduly k sériové lince RS232 vašeho počítače nebo jiného zařízení či přístroje, nezapomeňte použít vhodné napěťové konvertory. Standard RS232 používá logické úrovně až -15V a až +15 V a bez konvertoru by mohlo dojít ke zničení! Na trhu je celá řada vhodných řešení, viz tento seznam:

• Pro logické úrovně 5 V obvody MAX232 (používá kondenzátory 1µF), MAX232A, MAX202 (používá kodenzátory 100n) od výrobce MAXIM.
• pro logické úrovně 3,3 V obvod MAX3232 (výrobce MAXIM) nebo SP3232 (výrobce SIPEX.)
• Podobné obvody vyrábí řada dalších výrobců – Analog Devices, Linear Technology, SGS a jsou tu i další klony od čínských dodavatelů. Rozhodnutí záleží pouze na momentální dostupnosti vybraného obvodu. Výše uvedené označení není úplné, to je potřeba odvodit podle katalogového listu (teplotní rozsah, pouzdro atd), např. SP3232ECA od SIPEX, nebo MAX232AEPE.
• Mimo tyto jsou dostupné i obvody s vyšším počtem konvertorů v jednom pouzdře, např. SP3239ECA-L (3+3) nebo MAX241EAI (4 vysílače, 5 přijímačů).
• Existuje i možné řešení napěťové konverze s použitím tranzistorů.

Kódování a vyvážení počtu nul a jedniček

Doporučujeme tři metody vylepšení poměru nul a jedniček v sériovém kódu, které jsou vhodné pro vysílání dat přes rádiové moduly. Uvedená minimální a maximální bitová rychlost je pro příklad vztažena pro nominální přenosovou rychlost rádiového modulu 40 kbit/s.

Metoda 1 - kódování bitů
Přenosová rychlost: max. 40 kbits/s, min. 250 bit/s.
Redundance: 100% (pro dvoufázový kód), 200% (pro kód 1/3 : 2/3)
Vysílaní každého bitu má dvě části, v první je vysílána hodnota bitu, ve druhé doplněk bitu. Tak je pro každý bit zajištěno vysílání přesně v požadovaném poměru nul a jedniček. Tento kód se nazývá dvoufázový nebo také kód Manchester a dává dobré výsledky, avšak redundance 100% způsobí snížení maximální efektivní přenosové rychlosti dat na 20 kbit/s. Méně efektivní variace dvoufázového kódu je bitový kód 1/3 : 2/3. Vysílání každého bitu má tři části, v první části je vysílána nula, v prostřední hodnota bitu a v poslední části je vysílána jednička. Tento kód je snadný pro dekódování, protože každý bit vždy začíná sestupnou hranou, ale neměl by být vysílán rychleji než každých 100 µs jeden bit (10 kbit/s), protože poměr nul a jedniček se může měnit od 33 to 67%.

Metoda 2 - kódování bytů
Přenosová rychlost: max. 40 kbit/s, min. 2 kbit/s
Redundance: 25% (pro synchronní kód), 50% (pro asynchronní kód)
Jestliže k přenosu dat stačí podmnožina ASCII znaků (např. 0-9 , A-Z a dalších několik řídicích kódů), lze použít níže uvedenou kódovací tabulku a každému z požadovaných ASCII znaků bude odpovídat jedno osmibitové číslo. Všechna tato čísla mají poměr nul a jedniček při sériovém vysílání stejný a proto je lze vysílat. Z 256 možných osmibitových čísel, jich 70 obsahuje 4 jedničky a 4 nuly. Z nich je 68 v hexadecimálním tvaru uvedeno níže, má stejný poměr nul a jedniček a mohou být vyslány nebo přijaty běžným sériovým portem (UART) za použití 1 start bitu, 1 stop bitu, bez parity nebo jako byty vyslané synchronním protokolem. Použití této podmnožiny navíc umožňuje jednoduchý test chyb na straně přijímače, protože všechny přijaté znaky musí obsahovat právě 4 jedničky a 4 nuly.

Všimněte si, že hodnoty 0F a F0 byly vyřazeny, protože obsahují shluk nul a jedniček. Lze také využít jiných podmnožin, např. při desetibitovém kódu s 1024 možnostmi je celkem 252 možností, které mají 5 jedniček a 5 nul, tj. stejný poměr nul a jedniček.

Metoda 3 - kódování FEC
Přenosová rychlost: max. 40 kbit/s, min. 4800 bit/s
Redundance: 100%
Každý byte je vyslán dvakrát: jednou v bloku přímých dat a jednou v bloku invertovaných dat jako bitový doplněk. Nuly a jedničky v bytu jsou invertovány, což způsobí vyvážení nul a jedniček.
Zdokonalením této jednoduché metody je že mezi tokem původních a invertovaných dat se bude střídat po každém bytu a přidání parity ke každému vysílanému bytu. Pak může dekodér zjistit integritu každého bytu a při chybě parity sudého bytu použít invertovaný lichý byte. Čím větší je rovnoměrnost posílaných dat, tím vyšší je odolnost proti vzniku shlukových chyb.

Digitalizovaná analogová data, převodník napětí – kmitočet

Práce vysílače v analogové oblasti přenosové charakteristiky sice umožňuje přímý přenos analogových dat, ale toto řešení má pro mnohé aplikace příliš velké zkreslení a nízký maximální přenosový kmitočet kanálu a další již zmíněné nevýhody. Pro analogová data v rozmezí 1 Hz až 4 kHz je velmi dobrým řešením použití delta modulace, se zkreslením menším než 1%. Na trhu je množství vhodných obvodů, které poskytují CVSD delta modulaci a demodulaci na jednom čipu (např. starší Motorola MC3517/8). Tam, kde kmitočet kanálu klesá až k stejnosměrným signálům (např. u měření pnutí, indikace úrovně apod.), je vhodné jednoduše digitalizacovat data použitím převodníků napětí na kmitočet a naopak (jako National Semiconductor LM331).

Sestavení datových paketů

Data posílaná radiovou cestou se všeobecně formují do sériových paketů ve tvaru
Synchronizace - Hlavička  - Adresa - Data - CRC
a v tomto paketu mají jednotlivé položky tento význam:

• Synchronizace: Povinná část zprávy ustálení tvarovače dat přijímače. Přijímač se stabilizuje za cca. 3 ms. Tato doba je odvislá od přenosové rychlosti, resp. šířky přenosového pásma konkrétního typu modulu. Delší čas trvání může být potřebný pro bitovou synchronizaci dekodéru, detekci nosné nebo probuzení přijímače apod.
• Hlavička Minimální požadavek je jeden bit nebo jedinečná posloupnost bitů pro indikaci začátku zprávy (synchronizace rámce). Navíc je do této části zprávy uložena informace o čísle paketu, délce zprávy, bity pro řízení provozu (např. ACK, počet opakování), řízení opakování, data scrambleru apod.
• Adresa Tato informace se používá pro identifikaci zdroje vysílání, cílové stanice, obsahuje adresu převaděče (retranslátoru) apod
• Data Uživatelská data, všeobecně limitovaná délkou 256 byte nebo méně (velmi dlouhé pakety by se neměli používat, aby byla snížena nutnost opakovaného přenosu vlivem chyby přenosu.
• CRC 16 nebo 24 bitový CRC nebo kontrolní součet polí Hlavička, Adresa a Data použitý dekodérem pro ověření integrity paketu.

Přesný návrh paketu závisí na systémových požadavcích uživatele a tvůrce systému. Může zahrnovat i další části.

Topologie spojení

Rádiové moduly lze použít v mnoha rozdílných konfiguracích sítí od jednoduchých dvoubodových spojení až po mnohabodové systémy s náhodným přístupem. Rádiové moduly v sítích pracují zpravidla na jediném kmitočtu. Proto je třeba s tímto faktem počítat již při samotném návrhu rádiového systému a použít například metodu s časovým dělením kanálu TDMA, kdy v každém okamžiku může být aktivní jen jeden vysílač, protože jinak dojde ke kolizi vysílačů vysílajících současně. Následkem by byla ztráta dat vzniklá vzájemným rušením vysílačů. Sítě TDMA lze navrhovat několika způsoby. Lze použít protokol synchronní (metoda časových slotů), protokol s periodickým dotazováním od řídící stanice (oběžníková metoda) nebo protokol s náhodným přístupem (asynchronní přepínání paketů s plněním, např. X25).

Opakovače (retranslátory)

Pokud je protokol sítě navržen tak, že umožňuje řídit cestu přenosu dat, pak data mohou být směrována uzly ležící mezi zdrojem a příjemcem dat. Opakovač zprávu přijme a pak ji znovu odvysílá. Funkce retranslace může být zahrnuta v síťovém protokolu a je možné jí dosáhnout buď výstavbou vyhrazených opakovačů nebo jednoduše využitím existujících uzlů. To umožní neomezené rozšíření rádiové sítě postavené na vysílačích s malým vysokofrekvenčním výkonem.

Přenos signálů mezi rádiovými moduly, Ing. Aleš Lajcman, http://artbrno.cz, červenec 2010
V článku byly použity informace z firemních materiálů společnosti Radiometrix Ltd.