Cum se poate realiza o analiză simplă a legăturii (link-ului) pentru evaluarea transmisiei wireless utilizând module sub-GHz în medii interioare şi exterioare.
de Pradeep Shamanna, Microchip Technology Inc.
Wireless cu rază scurtă de acţiune se bucură de o popularitate în creştere în aplicaţii casnice şi industriale, în special în banda sub-GHz (mai puţin de 1GHz). Aceasta înseamnă că proiectanţii de sisteme au nevoie să înţeleagă metodele, estimările, costurile şi compromisurile implicate. Pe lângă formula de estimare a razei de acţiune, este bine de înţeles ce reprezintă canalul wireless şi mediul de propagare asociate sub-GHz.
În general, inginerii din domeniul RF şi wireless realizează un buget al legăturii atunci când încep un proiect RF. Acesta trebuie să ia în considerare raza de acţiune, puterea transmisă, sensibilitatea receptorului, amplificarea antenei, frecvenţa, siguranţa în funcţionare, mediul de propagare (ce include principiile fizicii legate de reflexia, difracţia şi difuzia undelor electromagnetice) şi factorii de mediu pentru a determina performanţele unei legături radio RF sub-GHz.
Reţelele wireless sub-GHz pot fi eficiente economic în orice sistem cu viteze mici de transfer de date, de la simple conexiuni punct-la-punct la reţele mult mai mari, unde prioritare sunt raza mare de acţiune, legătura radio robustă şi durata de viaţă a bateriei. Raza transmisiei poate fi crescută prin putere de ieşire cu reglementare superioară, absorbţie redusă, mai puţină poluare spectrală şi operare în bandă îngustă. Consumul energetic poate fi redus prin îmbunătăţirea propagării semnalului, o proiectare mai bună a circuitului şi o utilizare mai redusă a memoriei, conducând astfel la creşterea duratei de viaţă a bateriei.
Uzual, canalele sub-GHz fac parte din benzile de frecvenţă nelicenţiate ale ISM (Industrial Scientific Medical). Nodurile sub-GHz se adresează în general sistemelor economice, cu fiecare nod constând cu aproximativ 30 până la 40% mai puţin decât sistemele wireless avansate, consumând mai puţină memorie. Numeroase protocoale precum ZigBee bazat pe IEEE 802.15.4 (la ora actuală singurul protocol ce oferă versiuni de 2,4GHz şi sub-GHz în benzile 868 şi 900MHz), protocoale de automatizare, telefoane fără fir, Modbus wireless, acces fără cheie cu comandă de la distanţă (RKE), sisteme de monitorizare a presiunii din cauciucuri şi multe alte protocoale patentate (inclusiv MiWi), utilizează această bandă. Totuşi, operarea în bandă ISM sub-GHz poate produce interferenţe cu alte protocoale utilizând acelaşi spectru, cum ar fi telefoane mobile, telefoane fără fir şi aşa mai departe.
Bugetul legăturii
Bugetul legăturii înseamnă determinarea tuturor câştigurilor şi pierderilor de la transmiţător (TX) prin mediu (spaţiu liber) până la receptor (RX) într-un sistem wireless. Bugetul legăturii ia în considerare parametrii care decid puterea semnalului ce ajunge la receptor. Pentru a analiza şi estima bugetul legăturii trebuie determinaţi factori precum nivelele de amplificare ale antenei, nivelele de putere radio TX şi sensibilitatea receptorului.
Tipurile şi dimensiunile antenelor trebuie de asemenea luate în considerare, precum şi factorii secundari cum ar fi raza de acţiune necesară, lăţimea de bandă disponibilă, viteza de transfer de date, protocoale, interferenţe şi interoperabilitate. Sensibilitatea receptorului nu este parte a bugetului legăturii, dar pragul este necesar pentru a decide capabilitatea semnalului recepţionat.
Ecuaţia bugetului unei legături simple este aceea că puterea recepţionată (dBm) este egală cu suma dintre puterea transmisă (dBm) şi amplificare (dB) minus pierderile (dB). Prin evaluarea bugetului legăturii, este posibilă proiectarea sistemului pentru a corespunde cerinţelor şi funcţionalităţii la costurile dorite. Unele pierderi pot varia cu timpul. De exemplu, perioadele de erori crescute la nivel de bit BER (bit error rate) pentru sisteme digitale sau scăderea raportului semnal zgomot SNR (signal to noise ratio) pentru sisteme analogice.
Cerinţele testului
Modulele Microchip MRF89XA şi plăcile PICtail MRF49XA bazate pe transceiver sub-GHz pot fi utilizate pentru măsurarea performanţelor. Modulele MRF89XA sunt certificate FCC, ETSI şi IC. Ele diferă faţă de alte module embedded sub-GHz prin faptul că oferă caracteristici variate şi modularitate antenelor PCB certificate (tip serpentină). Placa PICtail este bazată pe antenă tip fir (1/4) pentru diferite frecvenţe, uzual montate pe placa de dezvoltare sau pe plăcile ataşate acesteia.
Figurile 1 şi 2 ilustrează interfaţa hardware a modulelor transceiver cu orice microcontroler PIC, interfaţă cunoscută sub numele de nod wireless.
Nodurile wireless pot fi realizate cu o combinaţie de placă de dezvoltare MCU PIC şi o placă fiică PICtail.
Experimentele cu privire la raza de acţiune şi performanţă necesită cel puţin două noduri wireless pentru testare. Pregătirea măsurării se face utilizând oricare dintre cele două plăci de dezvoltare cu module sub-GHz identice (pentru simplitate) pe fiecare. Pe baza aplicaţiei, pentru măsurare şi analiză se poate utiliza o combinaţie a acestor module.
Mediul de măsurare
Terenul de operare are un mare impact asupra propagării undelor. Testele de rază de acţiune trebuie realizate în diferite medii exterioare şi interioare pentru a oferi o înţelegere elementară a performanţelor modulelor. Mediile alese includ condiţii în raza vizuală pe teren plan sau accidentat, şi căi blocate pe teren plan sau accidentat.
Măsurările sunt de asemenea bazate pe orientarea antenei PCB (vertical sau orizontal), puterea de ieşire a modulelor sub-GHz (maximum sau implicit, amplificator de putere sau amplificator de zgomot redus (activat sau dezactivat), tip antenă (PCB, fir sau standard), şi antenă (tip serpentină, fir, baston şi dipol). Factorii care afectează măsurările în mediul interior includ echipamente de birou şi dacă sunt sau nu alte semnale Wi-Fi, Bluetooth sau microunde în apropiere. Structurile din beton, pereţii, geamurile, lemnul sau metalul pot de asemenea afecta măsurările.
Pentru testele de rază de acţiune, factorii de diferenţiere principali sunt montarea modulului, orientarea antenei şi sursa de alimentare constantă.
Figura 3 prezintă montarea verticală a antenei pe o placă de bază. Vertical este cu lob de elevaţie şi plan; orizontal este cu lob azimutal şi plan.
Antena este montată fie vertical, fie orizontal pe baza puterii de ieşire efective obţinute, a cerinţelor de spaţiu ale aplicaţiei şi a constrângerilor, precum a avea un lob primar puternic bazat pe frecvenţa fundamentală centrală şi lobi secundari bazaţi pe a treia sa frecvenţă armonică. Odată cu reducerea frecvenţei radio, dimensiunea antenei creşte proporţional. Lungimea firului în centimetri este egală cu 7500 împărţită la frecvenţa în Hertz. Pentru 433MHz, aceasta însemnă 17,3cm, iar pentru 915MHz, însemnă 8,2cm. Această ecuaţie este valabilă pentru dimensiuni ale firului antenei de până la un sfert din lungimea de undă.
Procedura de măsurare a razei de acţiune
Pentru realizarea măsurării razei de acţiune, primul lucru care trebuie făcut este programarea celor două noduri de transceiver sub-GHz RF şi wireless cu programul demonstrativ MiWi P2P. Apoi se va plasa un nod RF pe un stand aflat pe un suport la 1,5 – 2m după configurarea unui canal de operare specific. Implicit, nodul wireless este în modul de recepţie.
Se va plasa apoi nodul RF similar pe al doilea stand şi se va regla pe acelaşi canal de lucru. Unul dintre noduri va fi staţionar şi celălalt mobil. Se stabilesc parametrii nodurilor şi se asigură conectarea. Nodul mobil se deplasează şi se testează transmisia şi recepţia. Se fac măsurători la fiecare 1,5 până la 3m.
Odată ce este atins punctul critic, se va măsura distanţa actuală şi radială de la TX la RX. Punctul critic este acela în care comunicaţiile dintre TX şi RX devin intermitente. Se va reveni aproape 1,5m faţă de punctul critic şi se va verifica din nou siguranţa funcţionării comunicaţiei. Metoda măsurării distanţei este ilustrată în figura 4. Aceasta arată că creşterea valorii razei de acţiune este în funcţie înălţimea modulului TX.
Testul frecvenţei apariţiei erorilor pe pachete (PER) analizează acoperirea validă în condiţii de incintă sau în mediul exterior între două noduri wireless. Pregătirea testului PER este similară pregătirii în teren deschis.
Testul PER între două dispozitive este realizat într-o singură iteraţie cu un număr predeterminat de pachete de date. Specificaţiile ISM (IEEE 802.15.4) definesc o legătură sigură ca având PER mai mic sau egal cu 1% dintre 1000 de pachete de date transmise şi recepţionate. PER măsoară capabilitatea unui dispozitiv de a recepţiona un semnal fără degradare datorată unui semnal nedorit la o altă frecvenţă. Degradarea semnalului dorit faţă de PER-ul său de 1% sau BER trebuie să fie mai mică de 0,1%. Testul PER este realizat prin adăugarea unor întârzieri între pachetele de date dacă este necesar.
Măsurarea BER este realizată prin trimiterea de date prin nodurile wireless şi compararea ieşirii cu intrarea. Pe o perioadă de timp infinit de lungă, presupunerea generală este că transmiterea de date este un proces aleator. De aceea, pentru testul BER se utilizează o secvenţă de date pseudo-aleatoare. Ea este “pseudo” aleatoare deoarece un semnal complet aleatoriu nu poate fi creat prin metode deterministe (matematice), dar există aproximări ale comportării aleatoare care permit măsurarea precisă a BER. Modurile de modulaţie oferă bune performanţe BER la SNR jos. Cu toate acestea nu există metode de testare simple care să permită măsurarea directă a BER. O metodă simplă acceptată este de a calcula BER din PER. Pregătirea pentru măsurarea PER şi BER este similară măsurării razei de acţiune.
Testul de sensibilitate este utilizat pentru a obţine un indicator al limitei de sensibilitate. Nivelul puterii de intrare la receptor este diminuat prin atenuatori până când PER este mai mic de 1%. Testul constă din două module sub-GHz, conform figurii 5.
Modulul de transmisie sub-GHz este conectat printr-un atenuator electronic la modulul receptor. Ambele module sunt conectate la un PC prin cablu USB sau prin port serial RS232. PC-ul execută testul cu scripturi de test PER utilizând software-ul utilitar al driverului. Toate testele PER sunt realizate fără retransmisie. Testul PER pentru sensibilitate oferă utilizatorului libertatea de a creşte distanţa dintre cele două noduri şi de a verifica până la ce distanţă comunicaţia poate păstra PER sub 1% cu compensaţii pe canale.
Concluzie
Transmisiile radio sub-GHz pot crea produse wireless relativ simple care pot opera neîntrerupt cu alimentare de la baterii până la 20 de ani. Reţelele wireless sub-GHz pot fi economice în orice sistem cu viteză redusă de transfer de date, unde sunt prioritare rază lungă de acţiune, legătură radio robustă şi durată de viaţă extinsă a bateriilor. Raza de acţiune a transmisiei creşte datorită puterii de ieşire cu reglementare superioară, absorbţiei reduse, poluării spectrale mai mici şi operării în bandă îngustă. Un randament mai bun al circuitului, o propagare îmbunătăţită a semnalului şi o amprentă a memoriei mai mică pot conduce la ani de zile de operare cu alimentare de la baterie.
Operarea în bandă îngustă cu radio sub-GHz pot asigura raze de acţiune ale transmisiei de kilometri sau mai mult. Aceasta permite nodurilor sub-GHz să comunice direct cu un hub aflat la distanţă fără necesitatea de transmisie din nod în nod. Motivele principale pentru performanţele razei de acţiune ale transmisiei sub-GHz sunt atenuarea redusă, slăbire mai mică a semnalului, şi efecte precum difracţia. Acestea ajută semnalele să ocolească obstacolele, reducând efectul de blocare.
Este bine de utilizat benzile ISM sub-GHz ISM pentru legături particulare, iar ele nu vor interfera unele cu celelalte. Spectrul de zgomot indică o transmisie mai uşoară şi mai puţine reîncercări, ceea ce este mult mai eficient, economisind energia bateriei.
Atât eficienţa energetică, cât şi raza de acţiune a sistemului sunt funcţii de sensibilitatea receptorului şi frecvenţa transmisiei. Sensibilitatea este invers proporţională cu lăţimea de bandă a canalului, astfel încât o lăţime de bandă mai îngustă creează o sensibilitate a receptorului mai mare şi permite o operare mai eficientă la viteze de transmisie mai mici. De exemplu, la 433MHz, dacă erorile oscilatoarelor la transmiţător şi receptor sunt de 10ppm, eroarea este de 4,33kHz pentru fiecare. Pentru ca aplicaţia să transmită şi să recepţioneze eficient, lăţimea de bandă minimă a canalului este de două ori eroarea, sau 8kHz, ceea ce este ideal pentru aplicaţii în bandă îngustă.
Pentru mediul urban, utilizarea de 12 dB este o bună regulă pentru prezicerea creşterii necesare la bugetul legăturii pentru a dubla distanţa de transmisie. Sensibilitatea receptorului este prima variabilă dintr-un sistem care trebuie optimizată pentru a creşte distanţa transmisiei. Şi alte variabile dintr-un sistem afectează distanţa, dar trebuie schimbate într-un procent mai mare pentru a egala efectul oferit de schimbarea sensibilităţii receptorului.
Slăbirea datorată căilor multiple poate conduce la o reducere a semnalului de mai mult de 30 până la 40dB, şi este foarte recomandat ca la proiectarea unui sistem wireless să se ia o marjă adecvată la bugetul legăturii pentru a suplini această pierdere ￭
Microchip Technology
www.microchip.com