С. Орлов

Нелицензируемые модемы и радиостанции с радиусом действия до 200 метров

Маломощные беспроводные системы обычно работают в УКВ-диапазоне с излучаемой мощностью менее 1 мВт. Такая мощность при хорошей чувствительности и высокой избирательности радиоприёмника позволяет работать на расстоянии до 200 м на открытой местности и порядка 50 м в условиях офиса. Каждый год выпускается более 150 млн. изделий, в которых используются маломощные приёмопередатчики.

Типичное применение однонаправленных маломощных беспроводных систем - это удалённый контроль параметров, управление доступом и домашние системы безопасности.

В последние годы возрос интерес к двунаправленным коммуникационным приложениям. Продукты с использованием беспроводных решений должны быть спроектированы таким образом, чтобы потеря связи, например, в результате интерференции или замирания не смогли привести к безвозвратной потере данных или ошибке в управлении.

Типичное применение двунаправленных систем:

• беспроводные считыватели кодов товаров;
• передача уникальных идентификационных номеров;
• телеметрия;
• беспроводные считыватели для кредитных и клубных карт;
• радиоинтерфейс между карманными компьютерами и сетью;
• определение местоположения объекта;
• телеметрия в спорте и медицине;
• управляемые системы безопасности и сенсоры.

Я хотел бы предложить Вашему вниманию микросхему приёмопередатчика TR 1000 производства компании RFM и решения для беспроводного радиомодема, описание программного обеспечения для пакетной передачи данных, маломощную радиостанцию, выполненную на этом кристалле.

Основные технические характеристики TR 1000:

• TR 1000 обеспечивает полудуплексную пакетную передачу данных на частоте 916,5 МГц;
• скорость передачи данных - от 2,4 до 115 кбод;
• вид модуляции - амплитудная и импульсная (OnOfKey);
• максимальная мощность передатчика - 1,5 дБм;
• питание - 3 В для радиомодуля и 4,5 В для микроконтроллера ATMEL;
• рабочий диапазон температур -40...+85ºС;
• чувствительность - зависит от скорости передачи данных и вида модуляции. Для скорости 2,4 кбод: чувствительность –98 дБм при факторе ошибок (BER) 10-3. Потребляемый ток в режиме приёма 1,8 мА. Сквозное подавление внеполосных сигналов при расстройке на ±5% от f0 состовляет 80 дБ;
• для скорости 19,2 кбод: чувствительность –95 дБм при факторе ошибок (BER) 10-3. Потребляемый ток в режиме приёма - 3,1 мА. Сквозное подавление внеполосных сигналов при расстройке на ±5% от f0 составляет 80 дБ;
• для скорости 115 кбод: чувствительность –91 дБм при факторе ошибок (BER) 10-3. Потребляемый ток в режиме приёма - 3,8 мА. Сквозное подавление внеполосных сигналов при расстройке на ±5% от f0 составляет 80 дБ. Вид модуляции - только амплитудная;
• динамический диапазон по входному сигналу - 100 дБ;
• ток потребления передатчика - 12 мА во всех режимах;
• ток потребления в спящем режиме - 5 мкА, переход в активное состояние происходит при наличии входного сигнала с уровнем –85 дБм и длительностью 100 мс для скорости 2,4 кбод, –80 дБм и 90 мс для скорости 19,2 кбод, –76 дБм и 15 мс для скорости 115 кбод.

На рис. 1 приведена структурная схема приёмопередатчика.

Рисунок 1. Структурная схема приёмопередатчика

Микросхема обеспечивает гибкое управление параметрами при минимальном количестве управляющих выводов. Выводы 17,18 предназначены для управления режимами приёма/передачи. Вывод 11 позволяет установить уровень порога в режиме приёма сигналов с импульсной модуляцией. Есть возможность внешним резистором, подключенным в выводу 9, управлять полосой ФНЧ. Использование полевого транзистора в пассивном режиме, подключенного к этому выводу, даёт возможность изменять полосу динамически в процессе сеанса связи. В канале приёма используется запатентованное компанией RFM решение с усилением порядка 86 дБ по несущей частоте. Два усилителя RFA1 и RFA2 разделены линией задержки с длительностью 0,5 мкс. Усилители работают попеременно во времени, обеспечивая усиление 35 и 51 дБ.

Такой режим гарантирует устойчивое усиление по несущей частоте без возбуждения. Первый усилитель работает с малыми сигналами и не входит в режим насыщения. Второй усилитель работает в логарифмическом режиме благодаря квадратичному детектору в обратной связи управления усилением. Такая комбинация обеспечивает высокую пороговую чувствительность и динамический диапазон порядка 70 дБ. Вместе с 30 дБ АРУ (в первом усилителе) в тракте приёма достигается динамический диапазон 100 дБ.

Продетектированный сигнал фильтруется ФНЧ и дополнительно усиливается по низкой частоте. Аналоговый низкочастотный вывод 5 может быть использован для подключения внешнего сигнального процессора. После пикового детектора цифровой поток поступает на схему сравнения с пороговым уровнем и на логический элемент. Импульсы с пикового детектора после интегратора поступают на схему АРУ. Отметим, что два селективных элемента: входной фильтр на ПАВ и узкополосная линия задержки обеспечивают совместно очень большое внеполосное подавление. В режиме передачи генератором несущей становится усилитель TXA1 с узкополосной линией задержки в обратной связи. Входной битовый поток модулирует усилитель мощности TXA2. В тракте передачи предусмотрены два режима работы: импульсная модуляция и амплитудная (АМ). Режим АМ следует использовать когда длительность модулирующих импульсов менее 30 мкс. Выходная мощность TXA2 пропорциональна току через вывод 8 TXMOD.

Рис. 2 иллюстрирует подключение дополнительных элементов для построения радиомодема со скоростью передачи данных 19,2 кбод. Разъём Р2 служит для подключения радиочасти. Принципиальная схема самой радиочасти приведена на рис. 3. Микросхема MAX 218 служит для преобразования сигналов с последовательного порта RS 232 (non return to zero) в уровни ТТЛ-логики микроконтроллера ATMEL (at89c2051), который отвечает за транспортный уровень коммуникационной сети и адресацию.

Рисунок 2. Дополнительные элементы для построения модема

Транспортный уровень (Link layer)

Радиомодем поддерживает протокол RS232 по стандартному кабелю. Возможные скорости передачи данных приведены выше, однако на рис. 2 приведены внешние элементы для скорости 19,2 кбод. Протокол предусматривает наиболее распространённый режим работы последовательного порта 8n1. Интерфейс контроллера и радиочасти предусматривает скорость передачи данных 22,5 кбод и расширение пользовательских 8-бит слов до 12 бит. Дополнительные 4 бита используются для балансировки количества нулей и единиц в потоке. Адрес модема в приведённом решении устанавливается вручную перемычкой на плате.

Рисунок 3. Структурная схема приёмопередатчика

Коммуникационный уровень (Data Link)

Функции этого уровня выполняются терминальной программой. Программа в соответствии с ISO 3309 выполняет проверку наличия ошибок, исправление их и/или при необходимости пересылку пакетов данных. Коммуникационный протокол обеспечивает передачу ASCII или бинарных данных. В пакете может быть до 32 байт, автоматическую пересылку пакетов вплоть до получения подтверждения. При неполучении подтверждения после 8 попыток генерируется сообщение "link failure".

Терминальная программа

Терминальная программа написана на языке С++ (Builder 4) автором статьи. При написании были использованы примеры, приведённые на сайте www.rfm.com. Программа имеет многодокументный MDI-интерфейс и контекстные подсказки. С каждой стороны в программе должен быть выбран собственный адрес модема и адрес удалённого модема (до 15), а также COM-порт. Программа позволяет пересылать как текстовые файлы, так и бинарные с кодированием и декодированием. Предусмотрено уведомление пользователя о времени пересылки выбранного файла. Установленные настройки сохраняются на жёстком диске. Требования к компьютеру: Windows 95–98.

Габаритные размеры модема - 100x70 мм (с тремя батарейками ААА).

Время непрерывной работы с одним комплектом батарей - 30 час.

Результаты испытаний

Испытания проводились в железобетонном здании. Связь между компьютерами поддерживалась через два поворота по коридору на расстоянии около 50 м. В условиях прямой видимости связь была устойчивой с 12 этажа до автостоянки (расстояние примерно 200 м). Модем обеспечивал безошибочную передачу данных в условиях комнаты при работающей электродрели с искрящими щётками.

По данным RFM, радиомодуль обеспечивает устойчивую связь на расстоянии до 50 м в условиях офиса и до 200 м - в условиях прямой видимости.

Назначение - сбор данных с удалённых объектов (передача данных с кассовых аппаратов на центральный накопитель, телеметрия, обмен данными между компьютерами).

На базе трансиверов TR1000 автором разработаны действующие макеты радиостанций с симплексным режимом работы.

Технические характеристики:

• несущая частота - 916,5 МГц;
• выходная мощность - 1,5 дБм;
• вид модуляции - широтно-импульсная;
• габариты 90x60x15 мм;
• питание: две батарейки ААА;
• назначение - связь на короткие расстояния (крановщик – монтажник и т.д.).

Остальные характеристики совпадают с характеристиками модемов.

На рис. 4 приведена принципиальная схема радиостанции. На операционных усилителях Analog Devices AD 8532 (У3_1, У3_2) собраны микрофонный усилитель и преобразователь аналогового речевого сигнала в последовательность импульсов, скважность которых обратно пропорциональна амплитуде сигнала. Преобразование речевого сигнала в последовательность импульсов позволяет использовать микросхему в наиболее экономичном ключевом режиме и установить в тракте приёма небольшой пороговый уровень для подавления шумов. Для унификации все использованные операционные усилители одинаковые. В качестве динамика лучше использовать высокоомную головку ~ 32 Ом. Микрофон может быть любой с полевым транзистором, например, HMO 1003 A, в переключателе режима работы и включении питания использованы кнопки PS580L, PS580N (с фиксацией и без). Радиостанция обеспечивает уверенную радиосвязь на расстоянии до 200 м на открытой местности.

Рисунок 4. Принципиальная схема радиостанции

С использованием речевого кодека, например CMX 649E3 (www.cmlmicro.com), пользовательские характеристики могут быть существенно улучшены, а принципиальная схема упрощена. Эта микросхема содержит адаптивный с дельта- модуляцией (ADM) речевой кодек с полнодуплексными функциями для беспроводных применений. Структурная схема микросхемы приведена на рис. 5. Основные элементы: микрофонный усилитель со схемой АРУ, ФНЧ, 13-бит PCM кодек, декодер, ФНЧ, выходной усилитель. Предусмотрен режим компенсации эха. Встроенное устройство определения голосовой активности позволяет отключать передатчик в паузах или автоматически переводить трансивер в режим приёма.

Рисунок 5. Структурная схема кодека CMX649

В России для нелицензированного использования разрешены устройства с выходной мощностью до 5 мВт на частоте 433,92 МГц. Для этой частоты компания RFM предлагает микросхему TR 3000. Её функциональное устройство не отличается от TR1000, поэтому всё, за исключением согласующей антенной катушки и конденсатора, относится и к TR 3000.

Для многих приложений мощности передатчика этих микросхем недостаточно. С помощью небольшого усовершенствования мощность модемов и радиостанций может быть увеличена до 10 мВт. На рис. 6 приведён коммутируемый двунаправленный усилитель, который может быть подключен в разрыв между антенной и выходом радиостанции. В усилителе использованы следующие элементы: переключатели MACOM SW373, усилитель SGA-3386 (Stanford Microdevices www.stanfordmicro.com). На рис. 7 приведена фотография радиостанции.

Рисунок 6. Коммутируемый двунаправленный усилитель

Рисунок 7. Симплексная радиостанция

Автор выражает признательность президенту RFM г-ну David M. Kirk за предоставленные образцы TR 1000.

Я буду рад ответить на возникшие вопросы и предложения. SOrlov@ort.mei.orbita.ru.