ПЕРЕДАЧА ЦИФРОВЫХ ДАННЫХ ПО РАДИОКАНАЛУ

Содержание

Обзор АСКУЭ с передачей данных по радиоканалу

ПЕРЕДАЧА ЦИФРОВЫХ ДАННЫХ ПО РАДИОКАНАЛУ

Технология передачи данных по радиоканалу довольно популярна, и многие производители электросчетчиков обратили на нее внимание.

Главные плюсы такой технологии: дешевизна, простота, дальность действия (до 10 км) и низкое энергопотребление (возможна автономная работа от батарейки до 10 лет).

Для беспроводного обмена данными используются радиочастотные диапазоны, не требующие оформления разрешений. В России для этих целей выделены частотные диапазоны 433.075-434.750 МГц, 868,7-869,2 МГц и 2400-2483,5 МГц.

Диапазоны 433 и 868 очень хорошо зарекомендовали себя в условиях плотной городской застройки, радиоволны хорошо проникают сквозь бетонные конструкции, и не сильно ослабевают, проходя через кирпичную кладку.

Диапазон 433 используется дольше остальных, поэтому на этих частотах работает большое количество устройств, радиоэфир сильно загружен и сильно «засорен» помехами особенно в городских условиях. АСКУЭ, работающая на этих частотах применима исключительно в сельской местности.

Для диапазона 868 разрешена мощность в 2,5 раза больше, чем у 433, поэтому антенны менее громоздкие. Также на этих частотах меньше уровень фоновых и индустриальных помех. В настоящее время при выполнении систем АСКУЭ в РФ этот диапазон частот не нашел широкого применения, однако технологии, использующие частоты 868 МГц, будут развиваться.

Развитие технологии

Чтобы решить проблемы дальности связи и плохого сигнала, в последние годы появились радиомодемы с функцией ретрансляции сигнала. Эти устройства принимают сигнал от других модемов и передают его дальше. Таким образом, если расстояние между базовым модемом и каким-либо модемом сети больше, чем максимальное расстояние прямой видимости, то сигнал пойдет через промежуточные модемы.

Помимо ретрансляции радиомодемы научились выстраивать единую сеть и автоматически определять кратчайший путь до приемного оборудования. В итоге, если какой-то модем выйдет из строя, то сеть сама перестроится и передаст данные через другой модем. Благодаря такому механизму значительно повышается надежность всей сети.

Эти идеи с ретрансляцией сигнала и построением сети производители радиомодемов переняли из стандарта ZigBee.

О стандарте передачи данных zigbee

Стандарт ZigBee предусматривает частотные каналы в диапазонах 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. Наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость достигаются в диапазоне 2,4 ГГц. Поэтому большинство производителей микросхем выпускают приемопередатчики именно для этого диапазона, в котором предусмотрено 16 частотных каналов с шагом 5 МГц (полоса частот 2400-2483,5 МГц).

Скорость передачи данных вместе со служебной информацией в эфире составляет 250 кбит/c . При этом средняя пропускная способность узла для полезных данных в зависимости от загруженности сети и количества ретрансляций может лежать в пределах 5 … 40 кбит/с.

Расстояния между узлами сети составляют десятки метров при работе внутри помещения и сотни метров на открытом пространстве. За счет ретрансляции зона покрытия сети может значительно увеличиваться.

В основе сети ZigBee лежит ячеистая топология (mesh-топология). В такой сети, каждое устройство может связываться с любым другим устройством как напрямую, так и через промежуточные узлы сети.

Ячеистая топология предлагает альтернативные варианты выбора маршрута между узлами. Сообщения поступают от узла к узлу, пока не достигнут конечного получателя.

Возможны различные пути прохождения сообщений, что повышает доступность сети в случае выхода из строя того или иного звена.*

* по материалам сайта http://www.wless.ru

Чтобы наглядно понять преимущества технологии ZigBee представим 15-ти этажный жилой, где все счетчики оборудованы ZigBee-модемами.

Если мощность сигнала модемов на всех этажах одинакова и ее хватает только на преодоление 4-х этажей, то для счетчиков 15 этажа маршрут может быть следующий: 15 этаж – 11 этаж -7 этаж – 3 этаж – подвал.

Если на 11 этаже маршрутизатор перестанет работать, то сеть автоматически инициирует поиск нового маршрута, который может получиться следующим: 15 этаж – 12 этаж – 8 этаж – 4 этаж – подвал.

Такой подход повышает работоспособность и помехоустойчивость всей сети и дальность связи, даже если каждый модем в отдельности является маломощным устройством.

Подведем итоги

  • Системы АСКУЭ на радиомодемах, как правило, недорогие;
  • Радиомодемы хорошо зарекомендовали себя в загородных поселках, где радиоэфир не так загружен, как в городе;
  • Для крупных поселков необходимо ориентироваться на радиомодемы с ретрансляцией сигнала.
  • Работает на любом устройстве с интернетом
  • Быстрая настройка удалённого опроса
  • 7 дней бесплатного пользования

Узнать подробнее

Источник: https://yaenergetik.ru/blog/automatic-meter-reading-circuit/5-radio-transmission-technology/

Передача данных через Arduino на частоте 433 МГц

ПЕРЕДАЧА ЦИФРОВЫХ ДАННЫХ ПО РАДИОКАНАЛУ

В этой статье я постараюсь подробно описать процесс организации передачи данных между контролерами Arduino по радиоканалу с использованием передатчика MX-F01 и приемника MX-RM-5V.

Эти модули планирую использовать в своей умной метеостанции, чтобы избавиться от лишних проводов.

Для начала, давайте познакомимся с железом.

Технические характеристики передатчик MX-F01

  • Напряжение питания: 3-12 В
  • Ток потребления в режиме ожидания: 0 мА
  • Ток потребления в режиме передачи: 20-28 мА
  • Рабочая частота: 433.920 МГц (Есть на частоту 315 МГц)
  • Выходная мощность передатчика: 40 мВт
  • Дальность передачи: до 500 м в зоне прямой видимости с дополнительной антенной длинной 17,5, 35 или 70 см
  • Тип модуляции: амплитудная
  • Температурный диапазон: –10…+70 °C
  • Размеры: 19х19х8 мм

Назначение выводов передатчика MX-F01

  • ATAD – данные
  • VCC – питание “+”
  • GND – питание “-“
  • ANT – антенна

Технические характеристики приемника MX-RM-5V

  • Напряжение питания: 5 В
  • Ток потребления: 4 мА
  • Рабочая частота: 433.920 МГц (Есть на частоту 315 МГц)
  • Размеры: 30х14х7 мм

Назначение выводов приемника MX-RM-5V

  • GND – питание “-“
  • DATA – данные
  • VCC – питание “+”
  • ANT – антенна

Базовую информацию получили – пора приступать к практической части.

Подключение передатчика MX-F01 к Arduino

Для управления передатчикомMX-F01 я буду использовать Arduino Mega 2560.

Приступим к подключению:

  • ATAD на MX-F01 подключаем к 12 дискретному выводу Arduino Mega 2560
  • VCC на MX-F01 подключаем к +5V Arduino Mega 2560
  • GND на MX-F01 подключаем к GND Arduino Mega 2560
  • ANT на MX-F01 к антенне в виде куска провода длинной 17,5, 35 или 70 см (я пока антенну не припаивал)

Подключение приемника MX-RM-5V к Arduino

Для управления приемником я буду использовать Arduino Nano ATmega328.

  • DATA на MX-RM-5V подключаем к 12 дискретному выводу Arduino Nano ATmega328
  • VCC на MX-RM-5Vподключаем к +5V Arduino Nano ATmega328
  • GND на MX-RM-5V подключаем к GND Arduino Nano ATmega328
  • ANT на MX-RM-5V к антенне в виде куска провода длинной 17,5, 35 или 70 см (я пока антенну не припаивал)

Библиотека VirtualWire

Чтобы упростить написания кода для работы с радиомодулями, была создана библиотека: VirtualWire.

VirtualWire.rar (17,3 KiB, 4 251 hits)

Распакуйте содержимое архива в папку /libraries/, которая находится в каталоге среды разработки Arduino.

Пример 1

Данный скетч будет отправлять раз в секунду сообщение “Hello World”. Для наглядности, в начале передачи будет загораться светодиод, а после окончания – гаснуть.

#include

const int led_pin = 13; // Пин светодиода
const int transmit_pin = 12; // Пин подключения передатчика

void setup(){vw_set_tx_pin(transmit_pin);vw_setup(2000);       // Скорость передачи (Бит в секунду)pinMode(led_pin, OUTPUT);

}

void loop(){const char *msg = “Hello World”; // Передаваемое сообщениеdigitalWrite(led_pin, HIGH); // Зажигаем светодиод в начале передачиvw_send((uint8_t *)msg, strlen(msg)); // Отправка сообщенияvw_wait_tx(); // Ожидаем окончания отправки сообщенияdigitalWrite(led_pin, LOW); // Гасим светодиод в конце передачиdelay(1000); // Пауза 1 секунда

}

Пример 2

Данный скетч будет отправлять раз в секунду сообщение, которое содержит количество миллисекунд, прошедшее с момента начала выполнения текущей программы. Для наглядности, в начале передачи будет загораться светодиод, а после окончания – гаснуть.

#include

const int led_pin = 13; // Пин светодиода
const int transmit_pin = 12; // Пин подключения передатчика

void setup(){vw_set_tx_pin(transmit_pin);vw_setup(2000);       // Скорость передачи (Бит в секунду)pinMode(led_pin, OUTPUT);

}

void loop(){

digitalWrite(led_pin, HIGH); // Зажигаем светодиод в начале передачи

String millisresult = String(millis()); // Присваиваем переменной значение, равное количеству миллисекунд с момента начала выполнения текущей программыchar msg[14];

millisresult.toCharArray(msg, 14);

vw_send((uint8_t *)msg, strlen(msg)); // Отправка сообщенияvw_wait_tx(); // Ожидаем окончания отправки сообщенияdigitalWrite(led_pin, LOW); // Гасим светодиод в конце передачиdelay(1000); // Пауза 1 секунда

}

Пример кода для работы с приемником MX-RM-5V с использованием библиотеки VirtualWire

#include

byte message[VW_MAX_MESSAGE_LEN]; // Буфер для хранения принимаемых данных
byte messageLength = VW_MAX_MESSAGE_LEN; // Размер сообщения

const int led_pin = 13; // Пин светодиода
const int receiver_pin = 12; // Пин подключения приемника

void setup(){Serial.begin(9600); // Скорость передачиданныхSerial.println(“MX-RM-5V is ready”);

vw_set_rx_pin(receiver_pin); // Пин подключения приемника

vw_setup(2000); // Скорость передачи данных (бит в секунду)vw_rx_start(); // Активация применика}void loop(){if (vw_get_message(message, &messageLength)) // Если есть данные..

{digitalWrite(led_pin, HIGH); // Зажигаем светодиод в начале приема пакетаfor (int i = 0; i < messageLength; i++){Serial.write(message[i]); // выводим их в одной строке}Serial.

println();digitalWrite(led_pin, LOW); // Гасим светодиод в конце}

}

Для “Пример 2” кода передатчика

Не забудьте припаять антенны, а то без них дальность передачи будет всего несколько сантиметров.

На этом пока все.

P.S

Частота 433.920 МГц выделена для работы маломощных цифровых передатчиков таких как: радиобрелки автосигнализаций, брелки управления шлагбаумами на стоянках и другие подобные системы.

Присоединяйтесь к нашей группе в Telegram @GeekElectronics

    • source
    • Миниатюра:
    • Рубрика: Arduino от А до Я

    Источник: https://GeekElectronics.org/arduino/arduino-ndash-peredacha-dannyih-po-radiokanalu-na-chastote-433-920-mgts.html

    Передача цифровых данных по радиоканалу

    ПЕРЕДАЧА ЦИФРОВЫХ ДАННЫХ ПО РАДИОКАНАЛУ

    В этом проекте мы будем отправлять и получать цифровые данные с помощью 433 МГц передатчика и приемника на базе модулей Linx.

    Если кто-то из начинающих радиолюбителей прочитав о таких “страшных” частотах сразу заскучал, представив себе сложную схему – спешим заметить, что проще схемы нету, и собрать её легче чем, допустим, усилитель на TDA2003.

    На следующих рисунках показана первая часть проекта – сборка модулей на печатных платах и создания ВЧ-связи между ними.

    Linx модули представляют из себя гибридные микросхемы, смонтированных на маленьких платах, предназначенных для поверхностного монтажа уже на основной большей плате. Сама ВЧ-часть делается на отдельной печатке, остальная часть схемы, для испытаний и наладки может быть на любой макетной плате.

    Передающая часть состоит из мультивибратора на основе таймера 555. Он генерирует импульсы с периодом 1 сек, которые передаются.

    Передатчик питается от одной батареи АА и использует DC/DC преобразователь MAX756, что работает в повышающем режиме для преобразования батареи 1,5 В в напряжение 3,3 В, необходимое для передатчика. Можно не усложнять и сразу запитать нужным вольтажом.

    Приемник работает от двух 1,5 В батареек. Он получает импульсы посылаемые с передатчика и от этого мигает светодиод. Это наш первый простой тест с ВЧ каналом.

    Схема передатчика и приёмника

    Оборудование с такой схемой обеспечивает стабильный прием сигналов на 100 метров с помощью передатчика, расположенного в доме.

    Разработка коммуникационного протокола

    Проблема, с которой мы сталкивались в представленном выше эксперименте в том, что радиочастотный канал заполняют другие сигналы, поэтому TX модуль принимает что-то даже если TX модуль выключен. Следовательно, нам нужен способ различать наши сигналы и чужие.

     Мы можем различить появление нужной передачи 0 и 1, направив пакет тонов различной длительности. После многочисленных экспериментов был выбран 250 мксек период для последовательной передачи данных. А 0 и 1 сигналы устанавливаются 150 мксек и 200 мксек, соответственно.

    Таким образом 1 байт, отправленный TX модулем предшествует 400 мксек синхронизирующего импульса. На рисунке ниже показана осциллограмма, отправления байта 00110100.

    PIC программа для TX модуля здесь. Программа начинается примерно через 2 сек задержка, которая необходима для предотвращения отправки случайных данных сразу после включения питании. TX модуль питается от одной батареи АА, чье напряжение поднимается до 3.3 В микросхемой MAX756.

    Передающая часть

    Приемник является чуть более сложным. Он также работает на MAX756, которое преобразует 1,5 В АА батареи в 5 В. На 330 Ом резисторе падает напряжение до 3 В. Можно, конечно, поставить MAX756 в 3,3 В режиме, но нам нужно 5 В для запитки других устройств, подключенных к модулю приемника.

    Приёмная часть

    Приемная программа реализована в виде конечного автомата с двумя состояниями. State0 является стартовой. В этом состоянии мы дожидаемся синхронизации импульсов. Вначале компаратор PIC указывает на передачу.

    После этого мы измеряем длину полученного импульса. Если она значительно ниже – его игнорируют и схема остаётся в том же состоянии в ожидания очередного импульса.

    Пороговое значение установлено экспериментально и является оптимальным.

    Как только нужный синхроимпульс получен, двигаемся к state1. В этом состоянии мы получаем 8 бит и можем скомпоновать их в байте. Переход в это состояние возможен только если передатчик посылает достаточно долго синхронизирующий сигнал. После измерения длины полученного импульса мы сравниваем ее с порогом.

    Если импульс слишком короткий, удаляем его и возвращаем обратно state0. В противном случае, проверяем длительность импульса против другого уровня, чтобы различить его между 0 и 1. В результате полученный бит хранится в виде с-бита в регистре статуса и используя сдвиг влево включаем его в байт.

    После приема 8 бит мы вернемся к state0 и процесс повторяется.

    Чтобы проверить, что действительно получен байт, который был послан передатчиком, заставим мигать светодиод соответствующее число раз (4 раза в текущей настройке). После этого ждем около 2 сек и возвращаем обратно state0 получать очередной байт.

    Реализация десяти импульсного кодирования данных

    Недавно мы обнаружили очень полезный коммуникационный протокол, который значительно снижает энергопотребление передатчика. Это 10-импульсное кодирования данных, которое использует интервалы между короткими импульсами для кодирования нулей и единиц в байте.

    Таким образом, передатчик должен излучать только во время импульсов, что значительно увеличивает срок службы батареи. Кроме того, приемник может автоматически адаптироватся к скорости передачи данных.

    Мы взяли в качестве прототипа программу, разработанную для аналогичного проекта от одной известной фирмы. Схемы почти такие же, как и в предыдущих экспериментах и используют двухпроводный интерфейс для ЖК-модуля, для отладки.

    Передатчик посылает текстовую строку при нажатии на кнопку и эта строка отображается на дисплее на стороне получателя.

    Схемы TXM и RXM 433

    Важный вопрос состоит с шириной импульса, которую следует использовать. После многочисленных экспериментов мы пришли к значению 100 мкс, что соответствует примерно 5 кБит/сек скорости на максимальной 10 кБит/с, которую поддерживает модуль передатчика.

    Получается, что уменьшение длительности импульса в 2 раза приводит к менее уверенному приему. Также, в диапазоне 433 МГц имеется немало шумов в виде нескольких хаотических импульсов на выходе приемника. Дальнейшее уменьшение ширины импульса делает трудным различие между сигналом и шумом.

    Таким образом, добились хорошего баланса между чувствительностью приемника и фильтрацией шумов.

    Программа для передатчика начинается с того, что после нажатия кнопки передатчик будет вызван из спящего состояния и отправлен обратно в сон после передачи данных. Это значительно снижает энергопотребление модуля.

    Текущие настройки обеспечивают зазоры между импульсами для передачи 0 и 1 810 мксек и 1890 мксек, соответственно, в то время как эталонный зазор – шириной 1350 мксек. Таким образом передача одного байта колеблется между 7.8 и 15.

    1 мсек, в результате чего скорость передачи данных примерно 66 и 128 байт/сек. Этого более чем достаточно для большинства дистанционно управляемых устройств.

    Радиолиния была проверена путем размещения блоков в помещениях, расположенных на разных этажах частного дома с расстоянием 50 метров. Прием испытательного сигнала был стабильный и без ошибок.

    Одноканальный пульт дистанционного управления

    Сейчас мы попробуем реализовать 1 канал управления при наличии различных помех. Для этого устанавливаем передатчик в режим генерации симметричных квадратных импульсов, период которого регулируется переменным резистором.

    Он подключен к PIC входу АЦП и напряжение преобразуется как параметр задержки.

    Период модулирующего сигнала может быть настроен с шагом в 100 мксек начиная от 500 мксек и до 255х100+500 = 26 мсек, что соответствует полосе модулирующих частот от 2000 Гц до 30 Гц, соответственно.

    Схема передатчика на одну команду

    Приемник позволяет регулировать чувствительность приема сигнала и настроиться на конкретную частоту модуляции. Он использует аналоговый выход. Напряжение на этом выходе пропорционально уровню сигнала. Когда нет сигнала, постоянное напряжение на этом выходе составляет около 1.1 В.

    это напряжение поступает на неинвертирующий вход встроенного в микроконтроллер компаратора. Инвертирующий вход этого компаратора подключенный к правому (по схеме) переменнику. Напряжение на этом входе должно быть немного больше, чем на неинвертирующем и оно определяет чувствительность системы.

    На выходе компаратора считывается код и длительность импульсов на его выходе измеряется в единицах, чье числовое значение задается левым (на схеме) подстроечником. Он соединён с АЦП. Таким образом вся система может быть настроена для реагирования на частоту модуляции, и больше ни на какие другие частоты.

    Следовательно, он работает как частотный селективный фильтр, настроенный переменным резистором.

    Схема приёмника на одну команду

    При настройке системы сначала выбирает частоту модуляции в передатчике. После этого настраивают приемник, медленно вращая переменник влево. Обе ручки должны быть в примерно одинаковом положении для синхронизации. Файлы проекта в общем архиве.

       Форум по ВЧ

       Обсудить статью Передача цифровых данных по радиоканалу

    Источник: https://radioskot.ru/publ/nachinajushhim/peredacha_cifrovykh_dannykh_po_radiokanalu/5-1-0-1029

    Основные принципы цифровой беспроводной связи. Ликбез

    ПЕРЕДАЧА ЦИФРОВЫХ ДАННЫХ ПО РАДИОКАНАЛУ

    Всем привет. В этой статье я хотел бы рассказать немного об основных приемах и идеях современной цифровой беспроводной связи — на примере стандарта IEEE 802.11. В наше время очень часто люди живут на довольно высоких уровнях абстракции, плохо представляя как именно работают окружающие нас вещи.

    Ну что ж — попытаюсь принести в массы свет просвещения. В статье будут использоваться вещи и терминология, объясненные в этой статье. Так что людям, далеким от радиотехники рекомендуется сначала прочитать её.

    DANGER: в статье присутствует матан — особо впечатлительным не нажимать на эту кнопку:

    Аналоговые сигналы

    До развития компьютеров — посредством радиоволн передавались обычно аналоговые сигналы — то есть сигналы, множество значений которых непрерывно.

    Например — звук — зависимость давления от времени. Полученный с приемника сигнал (напряжение) поступает на усилитель звуковой частоты и заставляет колебаться динамик.

    Или видеосигнал для кинескопа. Уровень сигнала определяет значение мощности, бегающего по экрану лучика, который в нужные моменты времени засвечивает люминофор, формируя изображение на экране

    Основной минус такого способа передачи информации — низкая помехоустойчивость — передающая среда всегда вносит в наш сигнал какую то случайную составляющую — изменение формы видеосигнала меняет цвета отдельных пикселей(все мы помним шумы радиоприемника и рябь на экране телевизора).

    Цифровые сигналы

    Цифровые сигналы — то есть сигналы, имеющие дискретное множество значений — по этому параметру значительно лучше аналоговых, так как нас интересует не непосредственно значение сигнала, а диапазон в котором находится это значение и помеха нам не страшна(например в диапазоне напряжений 0В — 1.6В мы считаем, что это лог 0, а в диапазоне 3.3В — 5В лог 1).

    Расплата за это — увеличение требуемой скорости передачи и обработки информации.
    Первое, что люди научились делать — естественно передавать такие сигналы по проводам, просто переключая состояние линии данных и синхронизации из единицы в ноль. На этом небольшой ликбез закончен — далее речь пойдет о том — а как же передается цифровой сигнал при помощи радиоволн.

    Как работает WiFi.

    Спектр единичного импульса

    В радиосвязи нас часто интересует спектр сигнала — цифровой сигнал — последовательность прямоугольных импульсов — для начала рассмотрим спектр одного прямоугольного импульса.

    Вспомним — что такое спектр(коэффициент перед интегралом опущен):
    Спектр прямоугольного импульса длительностью T и амплитудой A:
    Вывод Выносим константу за интеграл и делаем замену дифференциала
    Считаем определенный интеграл
    Далее делаем замену на синус по Формуле Эйлера

    Таак — а как же быть с отрицательной амплитудой? Вспомним что в действительных числах спектр раскладывается на сумму синусов и косинусов с нулевыми фазами — в такой форме на самом деле удобней представлять в компьютере, но для анализа такая форма совершенно неудобна — при изменениях сигнала во временнОй области — спектры будут меняться совершенно непонятным для человека образом, поэтому два спектра синусных компонент и косинусных компонент преобразуют в полярные координаты, сворачивая пары синусов и косинусов с нулевой фазой в синус с ненулевой фазой, получая амплитудный спектр и фазовый, а теперь вспомним, что домножение сигнала на -1 — эквивалентно скачку фазы на 180 градусов, поэтому отрицательная часть отразится относительно горизонтальной оси, а в точках перегиба — фаза будет испытывать скачок на 180 градусов.

    Также видим, что спектр одиночного импульса представляет собой sinc функцию, довольно часто встречающуюся в цифровой обработке сигналов и радиотехнике.

    Почти вся энергия импульса содержится в центральном пике спектра — его ширина обратно пропорциональна длительности импульса. А высота — прямо пропорциональна — то есть — чем длиннее импульс — тем уже и выше его спектр, а чем короче — тем ниже и шире. Спектр последовательности импульсов с хорошей степенью точности можно считать совокупностью гармоник в спектральной полосе, ширина которой обратно пропорциональна длительности импульса T. Итак — вывод — уменьшая длину импульсов нашего цифрового сигнала мы можем размазывать сигнал по широкой полосе спектра — при этом пропорционально уменьшается его высота — при увеличении полосы в N раз — во столько же уменьшится высота спектра вплоть до уровня шумов. Широкополосная передача имеет довольно много плюсов — один из них — устойчивость к узкополосным помехам — так как информация размазана по спектру — узкополосная помеха портит только малую часть этой информации. Если тупо уменьшить длину импульсов нашего информационного сигнала — спектр, конечно, уширится, но ведь приемник не знает какую информацию мы ему передаем и не сможет выделить её из шумов. Поэтому необходим способ — преобразовать узкополосный сигнал в широкополосный шумоподобный — для передачи по радиоканалу, а после приема преобразовать обратно в узкополосный — нужно добавлять в сигнал избыточную информацию, то есть информацию, известную и приемнику и передатчику, при помощи которой приемник может отличить сигнал от шумов. Закодируем каждый бит информации известной и приемнику и передатчику последовательностью.

    Автокорреляционная функция. Коды Баркера

    Наша задача — найти в длинной последовательности входных данных заранее известную короткую последовательность.

    Автокорреляция — статистическая взаимосвязь между случайными величинами из одного ряда, но взятых со сдвигом.

    Особое значение данный параметр имеет в локации — вот сгенерировали мы какой то сигнал и засекли время — скорость распространения сигнала нам известна, значит зная время, которое потребовалось сигналу, чтобы сбегать до препятствия и обратно — мы можем вычислить расстояние для препятствия. Но вот незадача — идеальных условий в жизни не бывает — как правило вокруг очень много шумов и вместе с отраженным сигналом на вход приемника поступает всякий мусор. А мы во-первых не должны спутать наш сигнал ни с чем другим, во вторых — достаточно точно определить момент времени, когда он вернулся назад. Математически — автокорреляция определяется так:
    То есть мы накладываем функцию на саму себя, но со сдвигом — перемножаем и вычисляем интеграл, отмечаем точку, затем опять сдвигаем, опять вычисляем интеграл и так для всех возможных сдвигов. Если мы прикладываем функцию не к самой себе, а к какой то другой, то это называется просто корреляция.
    На приведенной ниже картинке демонстрируются операции свертки, корреляции и автокорреляции. Отличие свертки и корреляции — в направлении — свертка функций f(x) и g(x) — это та же корреляция, только функций f(x) и g(-x), автокорреляция — корреляция функции с самой собой
    То есть в момент времени, когда входной сигнал наиболее похож на нужную нам функцию — корреляционная функция будет иметь пик. Ширина этого пика, если не брать во внимание шум — будет равна удвоенной длине зондирующего импульса и будет симметричной относительно центрального пика — даже если исследуемый сигнал не является симметричным. К слову — пиков может быть несколько — центральный пик и так называемые боковые лепестки — зависит от функции. Корреляционный метод является самым оптимальным методом определения сигнала известной формы на фоне белого шума — другими словами метод имеет наилучшее отношение сигнал/шум. Зондирующий импульс должен удовлетворять следующим требованиям — иметь как можно более узкий центральный пик и при этом иметь минимальный уровень боковых лепестков, то есть функция похожа сама на себя только в очень коротком интервале времени — чуть сдвинуть и она становится совершенно непохожа. В локации этим требованиям удовлетворяет ЛЧМ сигнал. Имеющий минимальный уровень боковых лепестков, автокорреляционная функция ЛЧМ сигнала имеет следующий вид:
    Аналогом ЛЧМ сигнала в дискретных системах является последовательность Баркера Например — известная последовательность длинной 11 бит: 11100010010. Найдем автокорреляционную функцию этой последовательности, циклически сдвигая её и считая сумму попарных произведений, при этом заменив 0 на -1 11100010010 11100010010

    11

    11100010010 01110001001

    -1

    11100010010 10111000100

    -1

    11100010010 01011100010

    -1

    11100010010 00101110001

    -1

    11100010010 10010111000

    -1

    … И так далее — в общем автокорреляционная функция имеет значение 11 только при полном совпадении, во всех остальных случаях — -1. То же самое справедливо и для инверсии последовательности, то есть для 00011101101. Плюс ко всему — прямая и инверсная последовательности слабо коррелируют между собой — мы их не спутаем.

    Получается, что мы можем каждый бит информации кодировать 11 битами последовательности Баркера — прямой для единиц и инверсной для нулей. Элементы последовательности Баркера называют чипами.На практике кодирование происходит примерно так:

    Приемник просто может считать корреляцию последовательностей Баркера(прямой и инверсной) и входного сигнала и по пикам корреляционной функции определять — где во входном сигнале закодированы нули, а где — единицы

    Модуляция

    В общем — как сделать из узкополосного информационного сигнала — широкополосный шумоподобный, а потом его восстановить — разобрались. Теперь поговорим немного о способах передачи данных через среду — средой может быть вакуум, воздух, оптоволокно, провод и т.д.

    Для того чтобы передавать сигнал при помощи радиоволн нам нужна несущая частота, промодулировав её — мы насаживаем нашу информацию на несущую. Есть 3 основных типа модуляции — амплитудная, частотная и фазовая.

    Можно наш готовый к передаче сигнал направить на переключатель и просто включать-выключать передачу несущей — тем самым промодулировав амплитуду

    Достоинства и недостатки амплитудной модуляции рассматривались в этой статье, так что подробно здесь останавливаться на ней не будем — в настоящее время амплитудная модуляция почти не применяется.

    Следующий тип модуляции — частотная, когда сигнал данных управляет частотой несущей — либо напрямую (ГУН), либо переключаясь между двумя разными генераторами(при этом происходит скачок фазы)

    Тут тоже есть что сказать, но как нибудь в другой раз — иначе статья получится слишком уж большой.

    Фазовая модуляция

    Несложно догадаться — что тут мы кодируем информацию в фазе сигнала — например нуль соответствует нулевому сдвигу по фазе, а единица — сдвигу на 180 градусов — такой способ кодировки легко реализовать технически — например умножая сигнал на 1 — имеем нулевой фазовый сдвиг, а умножая на -1 — сдвиг на 180 градусов.

    Такая модуляция называется Binary Phase Shift Key или BPSK А что если мы хотим иметь больше фазовых сдвигов? Для начала объясню логику инженеров, которые придумали следующие танцы с бубном — у вас всего 2 управляющих сигнала — 1 и -1 и при помощи них нужно наиболее простым способом закодировать произвольное число фазовых сдвигов — можно конечно поставить какой нибудь супер ЦАП и управлять генерируемой частотой напрямую, но математика предлагает нам кое что получше. А именно вот эту формулу:

    К слову — на ее основе мы произвели переход от спектров синусоид и косинусоид с нулевыми фазами к спектру синусоид с ненулевыми фазами и фазовому спектру — теперь мы просто делаем обратное преобразование.

    На этом основана Квадратурная Модуляция

    — вместе с несущей мы генерируем еще один сигнал, который сдвинут относительно несущей на 90 градусов, то есть находится с ней в квадратуре. Теперь — управляя амплитудой каждого сигнала(In phase и Quadrature) — умножая на 1 или -1, а затем суммируя — мы можем получить уже 4 возможных фазовых сдвига.

    Теперь за раз мы можем кодировать 2 бита. То есть скорость передачи возрастает вдвое. Но и вероятность ошибки при тоже неизбежно возрастет. Аналогичным образом можно получить большее число фазовых сдвигов. Возможные состояния сигнала обычно показывают на векторной диаграмме или на плоскости сигнального созвездия
    Обратите внимание, что последовательность бинарных слов на диаграмме представляет собой Код Грея, что минимизирует вероятность ошибки. Кроме того — есть дополнительный сдвиг на 45 градусов — это делается для того, чтобы уменьшить паразитную амплитудную модуляцию при скачках фазы на 180 градусов На практике синхронный способ передачи не используется — потому что есть привязка к какой то начальной фазе, а со временем набегает ошибка и фаза уплывает, нужно постоянно переустанавливать начальную фазу — синхронизировать приемник и передатчик. Поэтому носителем информации в реальных системах является не фаза, а изменение фазы — дифференциальный способ передачи сигнала позволяет избавиться от синхронизации. Например при каждом появлении нуля — фаза делает скачок на 180 градусов (BPSK).

    Далее уже можно начать говорить о тонкостях реализации — как всегда — на практике все оказывается сложнее, чем в теории, данная статья — скорее небольшой ликбез для расширения кругозора.

    • никто не читает теги
    • радиосвязь
    • wifi
    • DSSS
    • 802.11

    Источник: https://habr.com/post/192120/

    Современные стандарты цифровой радиосвязи

    ПЕРЕДАЧА ЦИФРОВЫХ ДАННЫХ ПО РАДИОКАНАЛУ

    Сегодня известные производители оборудования для радиосвязи отказываются от традиционных аналоговых систем и переходят на современные цифровые стандарты. Такой переход объясняется возросшим спросом на более надежную и эффективную аппаратуру, построенную на основе микропроцессоров.

    Применение универсальных цифровых технологий позволяет повысить качество, надежность и эффективность канала связи, легко совмещаемого с другими системами обмена информацией.

    Для чего нужна цифровая связь

    Под цифровой понимается особый способ организации радиосвязи, при котором данные проходят двойную обработку.

    На передающей стороне полезный сигнал в специальных аналого-цифровых преобразователях (АЦП) принимает вид стандартного кода из нулей и единичек и в таком виде поступает в радиоканал.

    На ответной стороне специальная аппаратура принимает модулированный «цифрой» сигнал и выделяет из него полезную информацию.

    На заключительном этапе осуществляется обратное преобразование посредством устройств называемых ЦАП, после которых сигнал поступает к пользователю в аналоговом виде.

    Дополнительная информация: При устаревшей аналоговой передаче применяются традиционные способы модуляции амплитуды, частоты или фазы транслируемого сигнала.

    В цифровом канале сформированная в АЦП комбинация цифр воздействует на один из этих параметров (выбор типа манипуляции-модуляции определяется используемым стандартом).

    Повсеместный переход на цифру объясняется рядом причин, приводимых ниже:

    • Новые технологии успешно решают проблему перегруженности радиочастотного диапазона и позволяют более эффективно использовать его.
    • За счет цифровых методов обработки объемы передаваемой информации существенно увеличиваются.
    • Одновременно упрощается законодательное регулирование вопросов, связанных с получением рабочих частот.

    Указанные возможности и определяют сферу применения цифровой радиосвязи, востребованной в случаях большой загруженности частотных каналов и при необходимости передачи значительных объемов информации.

    Преимущества перехода на «цифру»

    В сравнении с аналоговым оборудованием, применяемым при передаче радиосигнала, современные цифровые системы имеют целый ряд преимуществ. С основными достоинствами перехода с «аналога» на «цифру» можно ознакомиться в следующем перечне:

    • повышенное качество передачи речи (отсутствие помех в виде шумов);
    • возросший радиус действия;
    • возможность вести несколько разговоров по одному каналу в одно и тоже время (их уплотнение);
    • допустимость передачи коротких сообщений;
    • надежная защита от прослушивания;
    • повышенная функциональность управления процессом связи;
    • возможность встраивания в действующие системы обработки информации.

    Важно! Последнее преимущество реализуется за счет допустимости непосредственной передачи цифровых данных по радиоканалу (минуя АЦП).

    Единственным минусом систем такой связи считается сравнительно высокая стоимость самих передающих и приемных устройств.

    Стандарты цифровой радиосвязи

    Для облегчения перехода профессиональной аппаратуры на цифровые методы Европейским Институтом Коммуникаций и Связи (ETSI) в свое время был разработан ряд форматов, в которых использовался 2-х интервальный протокол TDMA. На его основе созданы и внедрены стандарты мобильной GSM и радиосвязи DMR, широко распространенные во всем мире.

    По мнению специалистов именно этот протокол в ближайшем будущем обеспечит повышение эффективности эксплуатации частотных каналов. За счет его применения удается:

    Расширить функциональные возможности систем цифровой связи.Снизить стоимость используемого оборудования.
    Продлить сроки службы аккумуляторов и других вспомогательных модулей.

    И, наконец, его внедрение позволяет эксплуатировать действующие каналы связи, не рискуя перегрузить их. Рассмотрим каждый из введенных в последние десятилетия стандартов более подробно.

    TETRA

    Система связи TETRA (она расшифровывается как «TErrestrial Trunked RAdio») была представлена еще в 90-х годах ХХ века. Она разрабатывалась с целью обеспечения функционирования служб безопасности в европейских границах. Этот стандарт позиционировался как открытый протокол транкинговой радиосвязи и оказался удачным техническим проектом, позволившим решить все поставленные задачи.

    Его интерфейс предполагает работу оборудования в стандартной сетке частот, шаг которой составляет 25 кГц (с учетом разносов радиоканалов на 10 МГц минимум). Используемые диапазоны – от 150 до 900 МГц. В TETRA применен стандартный метод разделения каналов TDMA, в соответствие с которым на одной реальной частоте работают сразу 4 логических канала (их называют слотами).

    Обратите внимание: Пятый канал используется для передачи служебной информации.

    В стандарте применен принцип дифференциальной фазовой манипуляции (вид модуляции) 4-PSK с символьной скоростью порядка 18 кБод.

    Придя на смену морально устаревшей системе MPT 1327, этот стандарт сам просуществовал не очень долго. Появление альтернативных способов цифровой связи (LPD/PMR, в частности) и последующее их признание за границами Европы явилось толчком к развитию новых систем, не имеющих отношения к безопасности.

    APCO-25 (Project 25)

    Одновременно с внедрением стандарта TETRA для удовлетворения внутренних потребностей в системах связи в пределах США был представлен его аналог, называемый APCO-25.

    Он представляет собой совместный проект всех действующих властных структур, поддерживаемый ассоциацией американских производителей телекоммуникационного оборудования.(TIA).

    DMR

    Основной современный стандарт DMR (аббревиатура Digital Mobile Radio) – это единый для Европы формат цифровой радиосвязи.

    При этом он позиционируется в качестве открытого стандарта, допускающего совместную работу аппаратуры от различных производителей. Введен в апреле 2005 года, причем в его основу заложен уже знакомый протокол TDMA (доступ с разделением по времени).

    Такой подход позволил в рабочей сетке частот с шагом 12,5 кГц разместить сразу два разнесенных по времени канала (фото справа).

    Интерфейс DMR, реализуемый за счет такого разделения, действует в следующих диапазонах частот:

    • 136,0 – 174,0 МГц;
    • 403,0 – 470,0 МГц;
    • 450,0 – 527,0 МГц.

    Универсальный и широкодиапазонный стандарт DMR разработан исключительно как недорогая цифровая альтернатива действующим аналоговым системам. Лидер рынка профессиональных средств радиосвязи компания «Motorola», например, выпустила семейство изделий MOTOTRBO™, используемых в своей работе этот формат, практически не имеющий недостатков.

    dPMR

    Стандарт dPMR (аббревиатура Digital Private MR) реализован на технологии открытого доступа к частотному каналу, состоящему из двух полос по 6,25 кГц (FDMA).

    Дополнительная информация: Он также относится к открытым стандартам, составляющим определенную конкуренцию уже рассмотренному ранее DMR.

    Этот формат разработан тем же институтом ETSI, а его основное назначение – реализация бюджетных цифровых решений в различных режимах связи. За счет сужения полосы частот качественные показатели соответствующей аппаратуры несколько уступают изделиям, работающим в стандарте DMR.

    NXDN

    NXDN является практически полным аналогом стандарта dPMR. Он основан на той же технологии FDMA, в основу которой заложено разделение каналов на более узкие полосы шириной по 6,25 кГц.

    Основное отличие NXDN от dPMR состоит в том, что этот стандарт не относится к открытым проектам.

    Это – результат совместной разработки двух компаний (Icom Incorporated и Kenwood Corporation), то есть он является их частной собственностью.

    Работающая на его основе аппаратура выпускается только этими корпорациями. Ее недостаток – узкая полоса пропускания и невозможность унификации с другими системами.

    PDT

    Одной из разновидностей уже рассмотренного формата DMR является стандарт PDT (Professional Digital Trunking).В нем применяется тот же протокол TDMA с разделением полосы частот 12,5 кГц на 2 временных канала (тайм слота).

    Однако в отличие от DMR этот стандарт является собственностью органов безопасности Китая, то есть имеет статус национального. Доступ к соответствующей аппаратуре, естественно, ограничен, что следует отнести к его недостаткам.

    e-DMR

    Подобно NXDN, стандарт e-DMR относится к частным разработкам производителя аппаратуры связи «Detracom» из Франции.

    По аналогии с DMR в основу стандарта заложена технология TDMA, предполагающая временное разделение полосы частот шириной 12,5 кГц на два слота.

    Данный вариант – типичный пример деятельности производителя, создавшего собственный протокол и представляющего продукт, выходящий за рамки стандартных платформ.

    «Detracom» предлагает к продаже образцы оборудования, линейка которого включает портативные радиостанции, а также базовую аппаратуру собственного производства. На их основе созданы цифровые системы, работающие в следующих диапазонах:

    1. 30-50 МГц.
    2. 68-88 МГц.
    3. 146-174 МГц.

    В их работе предусматривается полнодуплексный вызов голосом. Как таковых преимуществ этот стандарт не имеет. К его недостаткам может быть отнесена специфичность используемого оборудования.

    В заключительной части обзора отметим, что каждый из рассмотренных стандартов внес свой вклад в дело перехода на современные виды коммуникаций. Благодаря их внедрению удалось существенно повысить качество двухстороннего общения по открытым каналам связи.

    Источник: http://asvagroup.com/2019/03/sovremennye-standarty-tsifrovoj-radiosvyazi/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.