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 радиопри╦мника 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 при╦мопередатчики.

Типичное применение однонаправленных маломощных беспроводных систем - это удал╦нный 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 при╦мопередатчика 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 при╦ма 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 при╦ма - 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 при╦ма - 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 при╦мопередатчика.

Рисунок 1. Структурная схема при╦мопередатчика

Микросхема обеспечивает гибкое управление параметрами при минимальном количестве управляющих выводов. Выводы 17,18 предназначены для управления режимами при╦ма/передачи. Вывод 11 позволяет установить уровень порога в режиме при╦ма 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, да╦т возможность изменять полосу динамически в процессе сеанса связи. В канале при╦ма 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 при╦ма 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. Разъ╦м 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 распростран╦нный 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 привед╦нном решении устанавливается вручную перемычкой на плате.

Рисунок 3. Структурная схема при╦мопередатчика

Коммуникационный уровень (Data Link)

Терминальная программа

Терминальная программа написана на языке С++ (Builder 4) автором статьи. При написании были использованы примеры, привед╦нные 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 удал╦нного 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 ж╦стком 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 щ╦тками.

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 удал╦нных 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 при╦ма 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 при╦ма.

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. Е╦ функциональное устройство не отличается от TR1000, поэтому вс╦, 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 привед╦н 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.