Zaloguj się
Wszystkie
17 grudnia 2024
56
Podstawy łączności radiowej, pasma ISM i ich problemy
W tym artykule nie będzie omawiana dokładnie budowa i zasada działania urządzeń radiowych – zagadnienie to wykracza daleko poza tematykę naszego opracowania. Zachęcamy jednak Czytelników do samodzielnego poszerzania swojej wiedzy w tym zakresie, gdyż jest to fascynująca gałąź elektroniki. Nie zmienia to faktu, że pewne zagadnienia z zakresu komunikacji radiowej i tak muszą być wstępnie omówione.
Moduły łączności radiowej można skategoryzować wedle trybu łączności (jednokierunkowa lub dwukierunkowa), pasma, na którym operują i rodzaju użytej modulacji (OOK/ASK, FSK, PSK). Moduły oferujące łączność jednokierunkową są najtańszą opcją, gdyż wyprodukowanie oddzielnie nadajnika i odbiornika kosztuje mniej niż tworzenie bardziej złożonego transceivera, integrującego obie te funkcje. Podstawową wadą tych układów jest brak jakiejkolwiek gwarancji, że odbiornik otrzyma nadaną informację w całości i bez błędów. Takie rozwiązanie jest dobre do dzwonka bezprzewodowego albo prostego termometru zewnętrznego, gdzie odległość między stacją bazową a nadajnikiem wynosi ledwo kilka metrów. Jeśli jednak chcemy przesyłać istotną telemetrię na duże odległości, rozwiązanie takie jest całkowicie niewystarczające. Z tego też powodu będziemy omawiać tylko układy łączności dwukierunkowej, oferujące automatyczne potwierdzenie odbioru pakietu danych i automatyczną retransmisję w razie błędów.
Kolejnym istotnym zagadnieniem jest wybór odpowiedniego pasma komunikacyjnego. Wszystkie dostępne od ręki pasma są skategoryzowane jako pasma ISM (ang. Industrial, Scientific, Medical – przemysłowe, naukowe, medyczne), niewymagające licencji. Dopuszczalna moc nadajnika ograniczona jest do czterech watów, ale w kontekście łączności radiowej wartość tę wyraża się jako 36 dBm (decybeli względem jednego miliwata). Jest to maksymalna, efektywna, izotropowa moc nadawania (EIRP – Effective Isotropic Radiated Power), obejmująca zarówno moc samego nadajnika, jak i zysk energetyczny anteny kierunkowej względem teoretycznej anteny izotropowej (nadającej we wszystkich kierunkach z tą samą sprawnością). Im większy zysk energetyczny anteny nadawczej, tym mniejsza moc nadajnika jest potrzebna do uzyskania tego samego zasięgu łączności. Wracając do samych pasm ISM – do wyboru jest kilka różnych zakresów częstotliwości, przy czym nie wszystkie są dostępne we wszystkich krajach na świecie. ITU zezwala na używanie pasma 433 MHz w krajach regionu pierwszego, obejmującego Europę, Afrykę, Wspólnotę Niepodległych Państw, Mongolię i Bliski Wschód na zachód od Zatoki Perskiej, łącznie z Irakiem. Innym, dostępnym globalnie pasmem ISM jest pasmo 2,4 GHz. Przedziałów widma w ramach ISM jest oczywiście więcej, ale nie każde jest obecnie wykorzystywane w praktyce. Duża popularność pasma 433 MHz uczyniła je nadmiernie zatłoczonym, a przez to niezbyt praktycznym, jeśli chcemy uzyskać pewną łączność na duże odległości. Podobnie pasmo 2,4 GHz współdzielone jest przez łączność Wi-Fi, Bluetooth i wiele różnych urządzeń komercyjnych, przez co również na nim czasem może być trudno o uzyskanie pewnej łączności.
W komunikacji cyfrowej stosuje się trzy główne rodzaje modulacji, różniące się poziomem złożoności od strony konstrukcyjnej. Najprostszą formą modulacji, stosowaną w najtańszych modułach 433 MHz, jest modulacja ASK, zwana też OOK. Z praktycznego punktu widzenia nadajnik generuje stałą częstotliwość nośną, a strumień bitowy włącza lub wyłącza wyjście tego nadajnika. Innymi słowy, sygnał jest nadawany lub nie, zależnie od tego, jaki stan panuje na wejściu. Odbiornik wykrywa fale na danej częstotliwości nośnej i zmienia stan swojego wyjścia zależnie od obecności tegoż sygnału.
Najprostsze układy tego typu nie oferują żadnej metody kodowania informacji, więc ten obowiązek spada na projektanta. W takiej sytuacji najczęściej stosuje się schemat kodowania Manchester, zaś projektant decyduje o wielkości pakietu, obecności bitów parzystości, sum kontrolnych i tym podobnych elementów poprawiających szansę na odebranie poprawnych danych. Ta forma modulacji ma jeszcze jedną wadę: małą odporność na zakłócenia. Gdy sygnał odbierany jest zbyt słaby, znika w szumach i nie da się go od nich odróżnić. Praktyczna prędkość transmisji jest też ograniczona do maksymalnie stu bitów na sekundę. Z drugiej strony, jeśli zredukujemy szerokość pasma nadajnika i odbiornika do kilkunastu lub kilkudziesięciu herców, co znacznie zwiększy selektywność, a także użyjemy niskiej prędkości nadawania, to w teorii możemy uzyskać ekstremalnie duże zasięgi łączności. Radioamatorzy od lat budują takie układy i osiągają zasięgi nawet kilkuset kilometrów, nadając z mocą liczoną w dziesiątkach miliwatów. W praktyce jednak zaprojektowanie takiego układu i wprowadzenie go na rynek jest wyjątkowo kosztownym przedsięwzięciem ze względu na konieczność certyfikacji każdego układu i modułu nadawczego. Producenci transceiverów biorą te koszty na siebie, wliczając je w cenę pojedynczego modułu – przy produkcji idącej w setki tysięcy sztuk rocznie koszt ten jest pomijalny.
Modulacja FSK polega na nadawaniu sygnału o stałej amplitudzie, którego częstotliwość jest nieznacznie zmieniana zależnie od wartości bitu lub bitów. Układ jest nieco bardziej skomplikowany, ale modulacja FSK – podobnie jak klasyczna FM – jest bardziej odporna na zakłócenia i szumy. Większość modułów rozwiązuje też problem kodowania informacji w pakiety, potwierdzania lub negowania odbioru oraz retransmisji. Poszczególne moduły oferują zróżnicowane maksymalne prędkości transmisji, dla przykładu: moduł RFM12B firmy HopeRF może osiągnąć szybkość wymiany danych na poziomie 115,2 kbps z cyfrowym filtrem i 256 kbps bez niego. Moduł ten nadaje z maksymalną mocą EIRP wynoszącą 7 dBm.
W przypadku modulacji PSK częstotliwość i amplituda nadawania pozostają stałe, a zmieniana jest jedynie faza generowanego sygnału. Zarówno nadajnik, jak i odbiornik, są dużo bardziej skomplikowane, ale sam sygnał okazuje się jeszcze bardziej odporny na zakłócenia, a przez wybranie większej liczby faz pojedynczy symbol może kodować 4, 8 czy 16 różnych wartości, co zwiększa efektywność transmisji – w przypadku tej samej liczby bitów nadajnik pracuje znacznie krócej. Ze względu na większą złożoność, a przez to i cenę, moduły z modulacją PSK są spotykane rzadko, a niewielka korzyść z nieznacznie większego zasięgu, prędkości i tolerancji na zakłócenia czyni je mniej atrakcyjnym wyborem.
Wspomniano o dużym zaśmieceniu pasm 433 MHz i 2,4 GHz.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
