Skip to main content

A hiányzó kapcsolat

Megjelent: 2015. május 21.

Micrichip 3 abraNövekszik a rövid távú vezetékmentes kapcsolatok alkalmazásának népszerűsége az otthonokban, az épület- és ipari automatizálásban – különösen az 1 GHz alatti frekvenciasávokban. Emiatt a rendszertervezőknek az ezen frekvenciasávokban használatos tervezési módszereken, becsléseken kívül érteniük kell az adatkapcsolat minőségét jellemző adatok meghatározásához is.

 

Egyszerű, GHz-alatti, vezetékmentes kommunikáció elemzése bel- és kültéri alkalmazásra

A tervezők a hatótávolság becslésére alkalmas formulán kívül jó, ha értik a vezetékmentes csatorna felépítését és működését, valamint az 1 GHz alatti frekvencián működő[1] kommunikációs sávok jelterjedési tulajdonságait. Általában az RF- és a vezetékmentes kommunikációs mérnökök az RF-megoldás fejlesztésének kezdetétől fogva vezetik a csatorna létrehozásának költségösszetevőit. Ez a költ­ségszámítás kiterjed a hatótávolságra, az adási teljesítményre, a vevő szükséges érzékenységére, az antennanyereségre, a frekvenciára, a meg­bízhatóságra, a jelátviteli médium tulajdonságaira (beleértve az elektromágneses jel reflexióját, a jelszóródást meghatározó fizikai elveket), valamint azokra a környezeti tényezőkre, amelyeket számításba kell vennünk a szubgigahertzes rádiókapcsolat minőségi jellemzőinek meghatározása során.
A szubgigahertzes vezetékmentes hálózatok költséghatékony megoldást jelenthetnek bármilyen alacsony adatsebességű rendszerben, legyen az egy egyszerű pont–pont közötti kommunikáció, vagy akár sokkal nagyobb rácshálózat, ahol a hosszú hatótávolság, a megbízható rádiókapcsolat és a hosszú – elemújratöltés nélküli – üzemidő elsődleges szempont. Az adatátvitel hatótávolságát nö­veli a magasabb adóteljesítmény, a jel minimális elnyelődése, a használt frekvenciasáv kisebb mértékű spektrális szennyezése és a keskeny sávú működés. A javított jelterjedés, a jó áramköri tervezés, a szükséges mértékre korlátozódó memóriahasználat pedig hozzájárulhat a teljesítményfelvétel csökkenéséhez, és ezáltal az elem élettartamának növekedéséhez.
A GHz alatti frekvenciasávok rendszerint részei a frekvenciahasználati engedélyhez nem kötött, Industrial, Scientific and Medical (ISM – ipari, tudományos és orvostechnikai célra fenntartott, szabadon használható) frekvenciasávoknak. A szubgigahertzes hálózati csomópontokat (node) általában alacsony költségvetésű rendszerek építésére használják. Az egyes csomópontok 30-40%-kal kevesebbe kerülnek, mint a fejlett vezetékmentes rendszerek, és ráadásul kevesebb memóriát is használnak. Sok protokoll, mint például az IEEE 802.15.4-alapú ZigBee (amely jelenleg az egyetlen, amelyet a 2,4 GHz-es és a 868 és 900 MHz közötti – szubgigahertzes – frekvenciasávokban egyaránt használnak), továbbá az automatizálási protokollok, vezetékmentes telefonok, vezetékmentes Modbus terepi hálózatok, a távoli, billentyűzés nélküli adatbevitel (RKE – Remote Keyless Entry), a keréknyomás-ellenőrző rendszerek és egy sor egyedi protokoll (mint például a MiWi) is ezt a sávot foglalják. Ennek következtében az igen telített, szubgigahertzes ISM-sáv rádió­adásai kölcsönösen zavarhatják egymást más – ugyanezt a spektrumszakaszt használó – protokollokkal, ez pedig komolyan veszélyez­teti a mobiltelefonok, az engedélyezett vezetékmentes kézibeszélők és hasonlók működését.

A kapcsolat mérlege

A kapcsolat „mérlegét” ezúttal nem pénzügyi értelemben használjuk, hanem a jeltovábbítás veszteségeit és nyereségeit mérlegeljük. A kapcsolati „mérleg” az adó (TX) minden nyereségét és veszteségét igyekszik számításba venni, amennyiben azt közepes méretű „szabad tér” választja el a vevőtől (RX) a vezetékmentes átvitel során. A „kapcsolati mérleg” tehát figyelembe veszi mindazokat a paramétereket, amelyek eldöntik, hogy milyen erősségű rádiójel éri el a vevőt. Az olyan tényezőket, mint az antennanyereséget, az adó adási kimenőteljesítmény-szintjét és a vevő érzékenységi adatait egyaránt meg kell határoznunk, hogy a kapcsolat jelátviteli „mérlegét” elemezhessük, és elfogadható becsléseket tehessünk.
Az antenna típusát és méretét is számításba kell vennünk, éppúgy, mint olyan másodlagos tényezőket, mint az elvárt hatótávolság, a rendelkezésre álló sávszélesség, az adatátviteli sebesség, a protokollok, a zavarérzékenység és zavarsugárzás, tehát az a tulajdonság, amely meghatározza, milyen megbízhatóan működik a rádiókapcsolat más hasonló rendszerek jelenlétében. A vevőérzékenység ugyan nem része ennek a jeltovábbítási mérlegszámításnak, de a küszöbérték ismeretére szükségünk van a vételi lehetőség meghatározásához.
Az egyszerű jelszintmérleg egyenlete azt fejezi ki, hogy a vevőt elérő (dBm-ben kifejezett) jelteljesítmény egyenlő az adó által kisugárzott (dBm-ben kifejezett) jelteljesítmény és a dB-ben kifejezett nyereség összegével, amelyből kivonjuk a dB-ben kifejezett veszteségeket. A kapcsolati mérleg megállapításával lehetővé válik, hogy olyan rendszert tervezhessünk, amely egy elvárt pénzügyi költségkereten belül képes teljesíteni a követelményeket és funkcionalitásokat. Bizonyos veszteségek az időben is változhatnak. Ennek oka digitális rendszerekben például a bithibaarány átmeneti megnövekedése, analóg rendszerekben pedig a jel/zaj viszony átmeneti csökkenése lehet.

Vizsgálati követelmények

A Microchip MRF89XA modulokon és az MRF49XA szubgigahertzes adóvevőn (transceiver) alapuló PICtail-kártyák használhatók a jelátvitel minőségének mérésére. Az MRF89XA-modulok FCC-, ETSI- és IC-tanúsítvánnyal rendelkeznek. Ezek az eszközök abban különböznek más beágyazott, szubgigahertzes moduloktól, hogy számos különféle előírásnak tesznek eleget, és külön, moduláris tanúsítvánnyal rendelkeznek a NyÁK-vezetőcsíkokból kialakított antennáik is. A PICtail-kártyák különféle frekvenciákra méretezett (λ/4-méretű) huzalantennákkal használhatók, rendszerint a fejlesztőkártyára vagy annak vendégkártyáira felszerelve.
Az 1. és 2. ábra mutatja a transceiver-modulok hardverinterfészét bármelyik – általában vezetékmentes csomópontokként ismert – IC-mikorvezérlőhöz. Egy vezetékmentes csomópont egy PIC MCU-fejlesztőkártyából és egy PICtail-vendégkártyából összeállítható.
A hatótávolságra és a minőségre vonatkozó tesztek elvégzéséhez legalább két vezetékmentes csomópontra van szükség. A mérési elrendezés például megvalósítható két, bármilyen típusú MCU-fejlesztőkártyával, amelyek – az egyszerűség kedvéért – két azonos, szubgigahertzes modullal vannak kiegészítve. Máskülönben természetesen eltérő vezetékmentes modulok kombinációi is alkalmazhatók a mérés és analízis végrehajtására, különösen, ha a tervezett alkalmazás követelményeinek ez felel meg a legjobban.

 

Micrichip 1 abra

1. ábra Vezetékmentes RF-hálózati csomópont egy mikrokontroller és egy MRF89XA modul felhasználásával

Micrichip 2 abra

2. ábra  Mikrovezérlő illesztése a PICtail-kártyára épített MRF49X transceiverhez

Mérési környezet

A működési környezet jelentősen befolyásolja a hullámterjedést. A hatótávolsági teszteket ezért változatos bel- és kültéri körülmények között kell elvégeznünk, hogy képet kapjunk a modulok valós teljesítőképességéről. A vizsgálatokhoz érdemes látótávolságon be­lüli és akadályozott kilátású jelterjedéssel járó vizsgálatokat végezni sík és egyenetlen terepen.

 

A méréseket érdemes

  • vízszintes és függőleges elhelyezésű NyÁK-antennákkal,

  • az (alapértelmezésben maximális értékre beállított) kimenőtelje­sítmény függvényében,

  • be- vagy kikapcsolt teljesítményerősítővel, illetve kiszajú vevőoldali bemenőerősítővel,

  • különféle műszaki megvalósítású antennatípusokkal (NyÁK, huzal vagy szabályos dipól) és

  • antennákkal (serpentine, huzal, rugalmas „gumiantenna” és dipól) elvégezni.

 

A beltéri mérésekre ható tényezők közt ne feledkezzünk meg az iroda berendezésének hatásáról és arról, hogy van-e bármilyen jelforrás (például WiFi, Bluetooth vagy mikrohullámú sugárzó) a közelben. A betonszerkezeteknek, falaknak, közeli üveg-, fa- és fémtárgyaknak is lehet hatása a mérési eredményekre. A hatótávolsági teszteknél a fő hatótényezők közé számít a modul felerősítésének helye, az antenna irányítottsága és az állandó teleptöltöttségi szint.
A 3. ábra bal és középső képén az alaplapra közvetlenül rászerelt, függőleges elhelyezkedésű huzal-/botantennákat, a jobb oldali képen pedig egy NyÁK-ból kialakított függőleges síkantennát látunk.

 

Micrichip 3 abra

3. ábra Függőleges elhelyezésű PICtail-kártyák különféle antennamegoldásokkal


Az antennát függőlegesen és vízszintesen is fel lehet szerelni a kívánt kimenőteljesítménytől, az alkalmazás elhelyezési lehetőségeitől és korlátozásaitól függően. Ennek következménye egy erős, elsődleges sugárzási maximum („fül”) az alapharmonikuson, az antenna tengelyében, valamint másodlagos „fülekkel” a harmadik harmonikus frekvencián. Alacsonyabb hordozófrekvenciát használva a hangolt antenna mérete arányosan növekszik. Ökölszabályként megadható, hogy az antenna centiméterben kifejezett huzalhosszúságát úgy számíthatjuk, hogy 7500-at osztjuk a MHz-ben kifejezett frekvenciával. Eszerint 433 MHz-re 17,3 cm, 915 MHz-re pedig 8,2 cm hosszúság adódik negyedhullámú huzalantennát feltételezve.

A hatótávolság mérésének módszere

A hatótávolság-mérés végrehajtásához a két RF és GHz alatt működő transceiver-csomópontot programozzuk a MiWi P2P-demonstrációs programmal. Ezután válasszuk ki a használni kívánt működési csatornát, majd helyezzük el a csomópontok egyikét egy 1,5…2 m magas tartórúdra. A vezetékmentes csomópont alapértelmezett állapotban vevő üzemmódban van.
Helyezzünk el egy másik, hasonló vezetékmentes csomópontot egy másik tartórúdon, és állítsuk be ugyanarra a kommunikációs csatornára. Az egyik csomópontot rögzítsük stabilan, a másikat mozgat­ható állványon. Helyezzük üzembe a csomópontokat, és ellenőrizzük, hogy kapcsolatba lépnek-e egymással. Helyezzük át a mozgatható csomópontot, és ismét végezzük el az adási és vételi tesztet. A vizsgálatokat 1,5…3 m-es lépésekben növelt távolságnál ismételjük meg.
Amikor a kritikus pontot elértük, mérjük le a radiális távolságot a két csomópont között. Kritikus pontnak azt nevezzük, ahol az adási/vételi kommunikáció szakadozni kezd. Lépjünk visszafelé 1,5 m-rel a rögzített helyzetű csomópont felé, és ellenőrizzük, hogy helyreállt-e a megbízható kommunikáció. A távolságmérés módszerét a 4. ábra szemlélteti, amelyen az látható, hogy a hatótávolság több paraméterre – köztük is kiemelkedően az adómodul telepítési magasságára – különösen érzékeny.

 

Micrichip 4 abra

4. ábra A hatótávolság mérésének módszere

 

A csomaghibaarány (Packet Error Rate – PER) -vizsgálat elemzi, hogy a beltérben vagy kültéren telepített vezetékmentes csomópontok közötti kommunikációban a hibás adatcsomagok száma hogyan aránylik az összes küldött csomagok számához. A PER-vizsgálat előkészítése hasonló a kültéri hatótávolság-méréséhez.
Két készülék közötti kommunikáció PER-tesztje egyszerű ismétléses vizsgálat, aminek során előre meghatározott számú adatcsomagot küldünk. Az ISM (IEEE 802.15.4) specifikáció szerint egy adatkapcsolat megbízhatónak akkor tekinthető, ha a csomag­hiba­arány (PER) 1000 csomag adása/vétele közben nem haladja meg az 1%-ot. A PER méri egy készüléknek azt a képességét, hogy milyen mértékben képes a jelminőség csökkenése nélkül kommunikálni nemkívánatos más zavarójelek hatása alatt. Az elvárás az, hogy a jelminőség csökkenése miatti csomaghiba ne érje el az 1%-ot, vagy a bithibaarány (Bit Error Rate – BER) ne érje el a 0,1%-ot. Szükség esetén a PER-teszt elvégzése közben a csomagok közé késleltetési időt is beiktathatunk.
A bithibaarány mérése úgy történik, hogy a két vezetékmentes csomópont közti átviteli rendszeren adatokat küldünk át, és összehasonlítjuk a bemeneten belépő biteket a kimeneti bitekkel. Ha végtelen hosszú ideig tartó adatátviteli perióduson át vizsgáljuk, az az általános feltevés, hogy az átvitt adatokat véletlen bitsorozat írja le. Ez az oka annak, hogy a BER-teszt végrehajtására álvéletlen adatsorozatot használnak. Azért nem „valódi”, hanem „álvéletlen” sorozatot alkalmazunk, mert a valódi véletlen sorozatokat nem lehet determinisztikus matematikai modellel generálni, de a véletlen viselkedésnek vannak olyan „álvéletlen” közelítései, amelyek a pontos BER-vizsgálatok végrehajtásához kellőképpen véletlennek tekinthetők. Az alkalmazott modulációs eljárások alacsony jel/zaj viszonynál megfelelően kis bithibaaránnyal alkalmazhatók. Nem áll viszont rendelkezésre egyszerű módszer a közvetlen BER-mérések végrehajtására. Elfogadott, egyszerű közelítést jelent, ha a BER-értékre a PER-mérés eredményéből visszaszámolva következtetünk. A PER és a BER mérésének előkészítése hasonló a hatótávolság méréséhez.
Az érzékenységmérés előkészítéséhez szokás érzékenységi határ jelzését megjelenítő eszközt használni. A vevő bemenőteljesítmény-szintjét csillapító-áramkör segítségével addig csökkentik, amíg a PER – érthető okokból növekvő – értéke el nem éri az 1%-ot.
A vizsgáló összeállításhoz két szubgigahertzes modulra van szükség (5. ábra). Az adóként használt modul elektronikusan vezérelhető csillapítótagokon keresztül kapcsolódik a vevőmodul bemenetére. Mindkét modul USB-kábellel vagy egy RS232 soros porton keresztül egy PC-hez kapcsolódik. A PC hajtja végre a tesztelő programcsomag PER-teszt vezérlőprogramját a meghajtó-programcsomagon keresztül. A PER-teszteket adásismétlés nélkül kell végrehajtani.
Az érzékenységméréshez használt PER-teszt során a felhasználónak arra is lehetősége van, hogy a két csomópont közötti távolságot megnövelve ellenőrizze, mekkora távolságon belül lehet biztonságosan fenntartani a PER < 1% feltételt a csatornában alkalmazott kompenzációval.

 

Micrichip 5 abra

5. ábra Mérőrendszer az érzékenység ellenőrzéséhez

Összefoglalás

A szubgigahertzes rádiómodulokkal olyan – aránylag egyszerű – vezetékmentes adatátviteli csatornákat lehet kiépíteni, amelyek elemes tápellátással akár 20 évig is megszakítatlanul működhetnek. A szubgigahertzes vezetékmentes hálózatok költséghatékony megoldást kínálnak az olyan alacsony adatsebességű adatátviteli rendszerekre, amelyeknél a nagy hatótávolság, a robusztus rádiókapcsolat és a hosszú elemélettartam elsődleges szempont. A magasabb megengedett adóteljesítmény, a kisebb mértékű elnyelődés, a kisebb spektrális „szennyezés” és a keskenysávú működés megnövelt hatótávolságot eredményez. Az áramkörök jobb hatásfokából, a jobb jelterjedésből és a kisebb memóriaigényből eredő kisebb energiafogyasztás is hozzájárul ahhoz, hogy az eszközök sok éven át elemcsere nélkül használhatók legyenek.
A szubgigahertzes, keskenysávú adatátvitel hatótávolsága akár az 1 km-t is meghaladhatja. Ez lehetővé teszi, hogy a szubgigahertzes csomópontok közvetlenül is kommunikálhassanak egy távoli hálózatvezérlő állomással, anélkül, hogy csomópontról csomópontra ugrálva juttatnák el az üzenetet a rendeltetési helyére. A szubgiga­hertzes tartomány fő előnyei az alacsonyabb terjedési csillapítás, kisebb mértékű jelgyengülés, valamint az a tény, hogy a tárgyak körüli hullámelhajlás (diffrakció) segít abban, hogy a szubgigahertzes jelek eljussanak tárgyak által optikailag fedett területekre is, ezért kisebb az árnyékolás miatti „ellátatlan” terület.
Szerencsés megoldás, ha a szub­­giga­hertzes ISM-sávokon a lehető leg­kisebb „kitöltési tényezővel” működtetjük a rádiókommunikációt. A kü­lön­böző adóegységek más-más időpontban megjelenő, rövid adási ciklusai miatt csökken az egymás kölcsönös zavarásának valószínűsége.
A kevésbé zajos spektrumban könnyebben lebonyolíthatók az adási ciklusok, kevesebbszer kell az adásciklust megismételni annak megzavarása miatt. Ez megtakarítást jelent az adó energiafelhasználásában, amely teleptáplálású megoldásoknál hosszabb újratöltés nélküli üzemidőt eredményez.
Az energia-hatásfok és a hatótávolság egyaránt a vevőérzékenység és a vivőfrekvencia függvényei. Az érzékenység fordítottan arányos a csatorna-sávszélességgel, azaz a keskenyebb sávú átvitel magasabb vevőérzékenységgel jár. Az alacsonyabb adatátvi­teli sebes­ség­­nek tehát hatékonyabb működés az eredménye. Például ha 433 MHz frekvencián az adó és a vevő kristályoszcillátorainak frekvenciapontossága egyaránt 10 ppm, a frekvenciahiba az adónál és a vevőnél is legfeljebb 4,33 kHz lehet. Ha olyan alkalmazást szeretnénk létrehozni, amelyben az adás és a vétel hatékonyan történik, a minimális sávszélességet az összes frekvenciahiba miatti sávszélesség-növekedést figyelembe véve kétszeresére, azaz legalább 8 kHz-re kell választani, amely ideális a keskenysávú adatátviteli alkalmazásokhoz.
Városi környezetben a 12 dB-es adóteljesítmény-növelést jó ökölszabálynak tekinthetjük, ha az átviteli csatorna „mérlegét” úgy kívánjuk megváltoztatni, hogy kétszeresére nőjön a hatótávolság. Az első számú rendszerváltozó azonban a vevőérzékenység, amelyet optimalizálnunk kell a hatótávolság megnövelése érdekében. Más változói is vannak a rendszernek, amelyek szintén hatással vannak a hatótávolságra, de ezeket jóval nagyobb arányban kell megváltoztatni ahhoz, hogy hatásuk összemérhető legyen azzal, amit egy aránylag kisebb vevőérzékenység-növeléssel is elérhetünk.
A többutas terjedés miatti idő- és helyfüggő interferencia (fading) akár 30…40 dB-es jelszintcsökkenést is okozhat, ezért erősen javasolt, hogy egy vezetékmentes kapcsolat tervezése során a kapcso­lati szintmérleg méretezésekor megfelelő tartalékkal számoljunk a fading­ből eredő veszteségek fedezésére.

 


[1] A szövegben számos alkalommal fordul elő a „sub-GHz” angol kifejezés, amelyet a szöveg mintegy külön kategóriaként kezel az 1 GHz-nél magasabb vivőfrekvencián működő rádiókommunikációtól való megkülönböztetésül. Ez utóbbiaktól az alkalmazott technológia és az elérhető műszaki paraméterek szempontjából valóban jelentősen eltérnek a sub-GHz-es berendezések, amely kifejezésnek a hű magyar fordítása „1 GHz alatti vivőfrekvencián működő berendezés” lehetne. Ez eléggé körülményesen is hangzik, továbbá kevéssé utal az eltérő technológiai megoldásokban is megnyilvánuló kategória-megkülönböztetésre, ezért a magyar fordításban a továbbiakban a „szubgigahertzes” kifejezért használjuk. – A ford. megj,

 

Szerző: Pradeep Shamanna – Microchip Technology, Inc.

 

www.microchip.com

Még több Microchip

 

Címkék: vezetékmentes | hálózat | kommunikáció | csomópont | node | hatótávolság | csomagveszteség | bithiba arány