Deși comunicațiile fără fir există peste tot în jurul nostru, modul în care funcționează tehnologiile de radiofrecvență (RF) poate părea adesea un mister. Conceptele de bază ale transmisiunilor AM și FM ne sunt probabil familiare, dar, mai departe, subiectul poate părea extrem de specializat, pe care este mai bine să îl lăsăm pe seama “cunoscătorilor”. Elementele fundamentale ale transmiterii și recepției de informații, fie că este vorba de voce sau de date, s-au schimbat semnificativ în ultimele patru decenii. În încercarea noastră de a crește ratele de transfer de date, suprapunerea și transferul de date prin intermediul unui semnal radio, denumită modulație, a avansat considerabil, inclusiv prin unele metode sofisticate.
Introducere în spectrul de frecvențe al comunicațiilor radio
Când ne gândim astăzi la comunicații fără fir, ne gândim probabil la lucrurile din jurul nostru, cum ar fi Wi-Fi®, Bluetooth® și telefonul nostru inteligent. Poate că ascultăm posturile de radio preferate la difuzorul nostru inteligent mai degrabă decât la un radio, dar chiar și acesta se conectează wireless la routerul nostru de acasă.
Cei de o anumită vârstă vor fi familiarizați cu “undele medii” și “undele scurte”, termeni utilizați anterior pentru a descrie frecvențele posturilor de radio difuzate. Posturile de radio pe unde medii ‘AM’, care transmit în intervalul 500kHz − 1,7MHz, sunt încă active, la fel ca și posturile de radio pe unde scurte cu rază lungă de acțiune, care emit în intervalul 3MHz și 18MHz. În prezent, experiența noastră de difuzare a muzicii și a știrilor la radio, în afară de utilizarea unei boxe inteligente, implică în principal frecvențele foarte înalte (VHF) ‘FM’ și radiodifuziunea audio digitală (DAB). Cei mai mulți oameni ascultă emisiunile locale și naționale utilizând frecvențele VHF și ultra-înalte (UHF), care acoperă o plajă cuprinsă între 88 MHz și 240MHz.
Figura 1: Un emițător simplu cu modulație în amplitudine (AM). (© Mouser)
Transferul de date digitale prin intermediul comunicațiilor fără fir include Wi-Fi, Bluetooth și ZigBee. Aceste metode operează în gama de frecvențe de 2,4 GHz, dar Wi-Fi utilizează și 5 GHz. Protocoalele de rețele wireless cu rază lungă de acțiune, cum ar fi LoRa și Sigfox, utilizează frecvențe sub-GHz, în jurul valorii de 800MHz. Telefoanele noastre inteligente utilizează mai multe benzi, inclusiv 900MHz, 1.800MHz, 2.700MHz, 4.600MHz și 6.000MHz.
Bazele tehnologiei radio
Comunicațiile prin radiofrecvență implică suprapunerea sau modularea vocii sau a datelor pe un semnal “purtător” RF, fie că trimiteți semnale vocale analogice sau date digitale. Există multe și diverse tehnici de modulare utilizate, fiecare cu atribute specifice care se potrivesc unei forme de comunicație în raport cu alta. Unele sunt simple, altele sunt mai complexe și necesită capabilități de procesare semnificative. Odată ce semnalul transmis este recepționat, reversul procesului de modulare, demodularea, extrage vocea sau datele din purtătoarea RF.
Figura 2: Spectrul unui semnal purtător de 1.000kHz modulat în amplitudine. (© Mouser)
Figura 1 ilustrează schema bloc teoretică de funcționare a unui emițător simplu cu modulație în amplitudine (AM). Sunetul de la microfon (ωa) este amplificat și introdus într-un circuit de mixare a frecvenței. Simbolul bateriei are rolul de a ilustra că semnalul audio este polarizat pozitiv în curent continuu. Cealaltă intrare a mixerului este un oscilator sinusoidal RF (ωc), numit purtătoare, de, să zicem, 1.000kHz. Amestecarea semnalului audio polarizat cu RF are ca rezultat două produse − (ωa + ωc) și (ωa – ωc).
Figura 2 ilustrează cum arată spectrul de frecvențe pentru o intrare audio fixă de 1kHz. Se obțin o bandă laterală superioară de 1001kHz și o bandă laterală inferioară de 999kHz. Amplitudinea semnalului purtător și amplitudinile benzilor laterale variază în funcție de amplitudinea semnalului audio.
Figura 3: Schema bloc a unui receptor AM superheterodină ‘superhet’. (© Mouser)
Figura 3 ilustrează schema bloc a unui receptor de radiodifuziune AM. Acest receptor utilizează o metodă superheterodină “superhet” pentru a recepționa semnalul RF și a-l demodula. De asemenea, utilizează un circuit de mixare pentru a obține o singură frecvență intermediară de 455 kHz, de la care semnalul AM audio este demodulat “detectat”. Mixerul combină un semnal de oscilator local (LO) cu semnalele RF primite. Abordarea cu frecvență intermediară facilitează optimizarea circuitelor receptorului pentru o singură frecvență, mai degrabă decât pentru o gamă largă de frecvențe. Utilizând suma produselor pentru a recepționa un semnal de 1MHz, LO ar fi setat la 1MHz + 455kHz = 1,455MHz. Diferența dintre cele două semnale, 545kHz, este filtrată de filtrul trece bandă IF și apoi amplificată înainte de demodulare.
O formă de modulație în amplitudine denumită ASK (Amplitude Shift Keying − modulație cu salt în amplitudine) permite transferul de date digitale. Amplitudinea unei purtătoare de frecvență fixă este ajustată pentru a indica două stări binare − pornit și oprit. Un semnal de amplitudine mare pentru “1” (pornit) și un nivel de amplitudine mai mic pentru “0” (oprit). O alternativă este de a nu utiliza nicio purtătoare pentru a indica “0”. Din păcate, oricine a ascultat semnale de radiodifuziune AM știe că recepția poate să se estompeze din cauza condițiilor atmosferice și a zgomotului electric din jur, astfel încât fiabilitatea transferului de date este relativ scăzută. Cu toate acestea, există posibilitatea de a implementa o tehnică de modulare foarte simplă și cu costuri reduse.
Modulația în frecvență (FM) este o altă metodă analogică de modulare utilizată curent pentru stațiile locale de radiodifuziune VHF. Această tehnică de modulație utilizează semnalul audio pentru a varia instantaneu frecvența semnalului purtător. Spre deosebire de AM, amplitudinea purtătoarei rămâne constantă.
FSK (Frequency shift keying − modulație cu salt de frecvență) este o metodă de transmitere a datelor digitale care utilizează frecvențe separate, foarte apropiate, pentru a indica un “1” și un “0”. FM este mai puțin afectată de interferențele electrice și de perturbațiile de propagare, ceea ce o face o alegere ideală pentru aplicațiile de radiodifuziune și de transfer de date.
Modulația de fază (PM) utilizează modificările de fază ale semnalului purtător pentru a transfera informații digitale, păstrând frecvența și amplitudinea purtătoarei constante.
Figura 4: Diagramele de constelație ale unui semnal 4-QAM și ale unui semnal 256-QAM. (© Mouser)
Modulația este un subiect relativ complex și poate implica multă matematică pentru a înțelege modul în care funcționează. Acest scurt articol permite doar o introducere în conceptele de bază, dar înainte de a încheia acest subiect amplu, să evidențiem pe scurt conceptul de modulație în cuadratură. Modulația amplitudinii în cuadratură (QAM) este o tehnică de modulare digitală care transportă unul sau mai multe fluxuri de date. QAM presupune utilizarea tehnicilor de modulație în amplitudine și fază pentru a crește cantitatea de date vehiculate. Semnalele purtătoare sunt fie în fază (I), fie în cvadratură defazate (Q). O diagramă polară sau de constelație este un mod convenabil de a ilustra cum funcționează QAM. Figura 4 ilustrează un semnal 4-QAM, cu 4 biți de date posibile folosind combinațiile de fază și amplitudine. Fazele ilustrate sunt la unghiuri de +45, +135, -45 și -135 grade.
Semnalul 4-QAM are patru stări posibile de la doi biți. Utilizarea mai multor combinații de faze și amplitudini poate crește densitatea de biți într-un semnal. Diagrama de constelație din dreapta din figura 4 este un semnal 256-QAM cu 8 biți de date care pot fi reprezentați.
Concepte moderne de comunicații RF definite prin software
Disponibilitatea procesoarelor de înaltă performanță, cum ar fi FPGA-urile, GPU-urile și DSP-urile, a permis inginerilor proiectanți să realizeze o procesare semnificativă a semnalelor în siliciu. Metodele complexe de modulare și demodulare bazate pe matematică se pretează în mod ideal la procesarea algoritmică, o tendință care a început în anii 1970 și care devine rapid standard în prezent.
Figura 5: Schema bloc funcțională a circuitului integrat de emisie-recepție RF de bandă largă ADRV9003 de la Analog Devices. (© Analog Devices)
Termenul de radio definit prin software (SDR − Software-Defined Radio) este acum utilizat pe scară largă pentru a descrie multe aspecte ale procesării lanțului de semnale efectuate în interiorul unui circuit integrat, mai degrabă decât în componente analogice discrete. Multe dintre funcțiile receptorului și emițătorului AM superhet descrise în figurile 1 și 3 sunt acum doar o parte a unui singur circuit integrat de emisie-recepție SDR. Unele funcții analogice tradiționale, cum ar fi filtrul trece-bandă frontal al unui receptor și etajul final al amplificatorului de putere al unui emițător, utilizează în continuare componente discrete, dar circuitele integrate de emisie-recepție flexibile bazate pe software pot realiza restul.
Un exemplu de circuit integrat RF de emisie-recepție înalt integrat este ADRV9003 de la Analog Devices (figura 5).
ADRV9003 dispune de un emițător cu un singur canal și un receptor cu două canale. Acesta acoperă o gamă de frecvențe de la 30MHz la 6.000MHz, cu lățimi de bandă de semnal de la 12kHz la 40MHz. Puterea de ieșire la emisie este mai bună de +7dBm pe tot spectrul.
Figura 6: Caracteristicile semnificative ale circuitului integrat de recepție cu conversie directă CMX994 de la CML Microcircuits. (© CML Microcircuits)
Transceiverul utilizează o metodă de conversie directă în locul unei frecvențe intermediare, așa cum a fost descris mai devreme în articol. Această abordare utilizează un oscilator local la frecvența dorită pentru recepție și transmisie. ADRV9003 încorporează funcții sofisticate de corecție a erorilor în cuadratură și filtre digitale programabile, eliminând necesitatea unor circuite suplimentare. Proiectanții de soluții pot implementa capabilități de monitorizare și control cu ajutorul pinilor GPIO ai circuitului integrat, al convertoarelor analog-digitale (ADC) și al convertoarelor digital-analogice (DAC).
Dispozitivul CMX994 de la CML Microcircuits este un circuit integrat de recepție cu conversie directă cu un demodulator I/Q capabil să opereze de la 30MHz la 1.000MHz. Figura 6 ilustrează diagrama bloc funcțională a circuitului CMX994, evidențiind utilizarea unor componente externe suplimentare și a unor funcții utilizate pentru a crea o funcție completă de receptor.
Figura 7: Schema bloc a transceiverului Si443x EZRadioPRO de la Silicon Labs. (© Silicon Labs)
Există, de asemenea, circuite integrate pentru a furniza funcții individuale ca parte a unui sistem de comunicații wireless mai complex. Un exemplu este TRF3705 de la Texas Instruments, un modulator în cuadratură dublu-balansat de 300 MHz până la 4.000 MHz. Acesta poate converti semnalele de intrare modulate în banda de bază în frecvențe RF și este utilizat în mod obișnuit în aplicații de stații de bază celulare.
Seria Si4432 de la Silicon Labs oferă un circuit integrat de emisie-recepție cu consum redus de putere și înalt integrat pentru aplicații în banda ISM (industrială, științifică și medicală) de la 240MHz până la 960MHz (figura 7).
Si443x are o putere de ieșire RF de +20dBm și se potrivește cazurilor de utilizare cu volum mare și costuri reduse, cum ar fi brelocurile pentru chei cu telecomandă, controlul jucăriilor și senzorii de alarmă pentru securitatea locuinței.
Începeți să experimentați tehnologia RF
În acest scurt articol, am prezentat modul în care sunt transmise informațiile prin intermediul comunicațiilor wireless. Am explorat pe scurt conceptele de bază ale modulării și demodulării, care permit suprapunerea informațiilor pe undele radio pentru a acoperi distanțe scurte și lungi fără fir. Sistemele radio moderne utilizează din ce în ce mai mult tehnici definite de software pentru a oferi o abordare flexibilă, agilă și reconfigurabilă a arhitecturii sistemelor de comunicații fără fir.
Pentru a studia mai aprofundat subiectul comunicațiilor RF recomandăm cititorilor să experimenteze cu renumitele kituri SDR, precum Analog Devices Pluto.
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter
