Přenos signálů mezi rádiovými moduly |
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:
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:
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 Metoda 2 - kódování bytů
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 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
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 |