Научная статья на тему 'USB радиомодем'

USB радиомодем Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
527
133
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
РАДИОМОДЕМ / ИНТЕРФЕЙС USB / ПОДВИЖНАЯ РАДИОСВЯЗЬ / ДАЛЬНОСТЬ РАДИОСВЯЗИ / ПОМЕХОУСТОЙЧИВОЕ КОДИРОВАНИЕ / ЧАСТОТНО МАНИПУЛИРОВАННЫЙ СИГНАЛ / ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ / RADIO INTERFACE USB / MOBILE RADIO / RADIO COMMUNICATION RANGE / NOISELESS CODING / FREQUENCY KEYED SIGNAL / EXPERIMENTAL STUDIES

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Демьяненко А. В., Топалов Ф. С., Ильин И. В.

В статье рассматривается актуальность создания компактного, мобильного радиомодема поддерживающего современный интерфейс USB. Результат разработки представляет собой полудуплексное приемопередающее устройство, работающее с частотно манипулированными сигналами в безлицензионном диапазоне частот. Радиомодем оснащен интерфейсом USB, через который происходит обмен данными, а так же его питание, в качестве антенн применялись малоэффективные четвертьволновые вибраторы. Увеличение дальности радиосвязи возможно путем применения антенн с высоким КНД. При подготовке данной статьи были проведены экспериментальные исследования двух разработанных устройств в городских условиях. Их целью было установление максимальной устойчивой дальности радиосвязи (при прямой видимости) на различных скоростях передачи данных как с исправлением ошибок при приеме, так и без. Экспериментатор, удаляясь от передающего радиомодема, осуществлял мониторинг принятых данных. Применение помехоустойчивого кодирования наиболее эффективно при высоких скоростях передачи данных (до 3 дБ), нежели при низких (1-2 дБ). Увеличение дальности радиосвязи возможно путем снижения скорости передачи это обусловлено зависимостью чувствительности приемника от скорости манипуляции. Стоит так же отметить, что уменьшение габаритов устройства возможно путем конструктивной модификации.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

USB Radiomodem

The article discusses the relevance of the compact, mobile radio modem sup-ports modern interface USB. The result is the development of a half-duplex tran-sceiver is a device that works with a frequency manipulated signal in a license-free frequency band. The radio modem is equipped with interface USB, through which data is exchanged, as well as its food, as antennas used inefficient quarter-vibrators. Increase in radio range is possible by the use of antennas with high directive gain. Experimental studies of two designed devices were carried out in an urban setting. Their aim was to establish the maximum sustainable radio range (with line of sight) at different data rates as error correction at the reception, and without. Experimenter, away from the transmitting radio modem, monitored the received data. The use of error-correcting coding is most effective at high data rates (up to 3 dB) than at low (1-2 dB). Increase in radio range is possible by reducing the transmission speed this is due to the dependence of the receiver sensitivity of the speed manipulation. It should also be noted that the decrease in device size is possible by structural modification.

Текст научной работы на тему «USB радиомодем»

USB радиомодем

А.В. Демьяненко, И.В. Ильин, Ф.С. Топалов Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону

Аннотация: В статье рассматривается актуальность создания компактного, мобильного радиомодема поддерживающего современный интерфейс USB. Результат разработки представляет собой полудуплексное приемопередающее устройство, работающее с частотно манипулированными сигналами в безлицензионном диапазоне частот. Радиомодем оснащен интерфейсом USB, через который происходит обмен данными, а так же его питание, в качестве антенн применялись малоэффективные четвертьволновые вибраторы. Увеличение дальности радиосвязи возможно путем применения антенн с высоким КНД. При подготовке данной статьи были проведены экспериментальные исследования двух разработанных устройств в городских условиях. Их целью было установление максимальной устойчивой дальности радиосвязи (при прямой видимости) на различных скоростях передачи данных как с исправлением ошибок при приеме, так и без. Экспериментатор, удаляясь от передающего радиомодема, осуществлял мониторинг принятых данных. Применение помехоустойчивого кодирования наиболее эффективно при высоких скоростях передачи данных (до 3 дБ), нежели при низких (1-2 дБ). Увеличение дальности радиосвязи возможно путем снижения скорости передачи - это обусловлено зависимостью чувствительности приемника от скорости манипуляции. Стоит так же отметить, что уменьшение габаритов устройства возможно путем конструктивной модификации.

Ключевые слова: радиомодем, интерфейс USB, подвижная радиосвязь, дальность радиосвязи, помехоустойчивое кодирование, частотно манипулированный сигнал, экспериментальные исследования.

За последние два десятилетия радиосвязь шагнула далеко вперед, особенно в областях, связанных с обменом информацией в цифровом виде [1 - 8]. С каждым годом происходит стремительное увеличение возможностей беспроводных систем: растет пропускная способность, помехоустойчивость, дальность радиосвязи. Доступные сегодня гражданские системы связи на основе Wi-Fi или Bluetooth обладают высокой скоростью обмена информацией и хорошей помехозащищенностью. Однако дальность их действия ограничивается десятками метров. Этот недостаток, а так же специфика и стоимость оборудования не удовлетворяют требованиям некоторых областей использования. К таким областям относятся: передача данных телеметрии, охранные системы и контроль доступа, дистанционное

управление объектами, резервирование проводных каналов связи, автоматизированные системы сбора информации, связь с подвижными объектами, конфиденциальная передача информации и др. В этих областях нет необходимости в высокой скорости передачи информации. Первостепенным для них является обеспечение надежного канала связи с мгновенным доступом и высокой достоверностью передачи данных на расстояния в десятки-сотни метров. Перечисленные требования можно выполнить при использовании радиомодемов.

Большинство производимых, в настоящее время, радиомодемов представляют собой громоздкие устройства, как правило, монтируемые стационарно, что исключает мобильность устройств. Кроме этого такие радиомодемы оснащены устаревшим интерфейсом Я8-232 и требуют отдельного источника питания, что усложняет процесс установки настройки и эксплуатации оборудования. Типовые характеристики таких радиомодемов

приведены в таблице 1.

Таблица № 1

Типовые характеристики современных радиомодемов

Параметр Значение

Напряжение питания 9 - 30 В

Потребляемый ток в режиме приема/передачи 80/150 мА

при напряжении питания 12 В

Выходная мощность передатчика 10 мВт

Режим связи полудуплекс

Диапазон частот 433,92 ± 0,2% МГц, фиксированная

Максимальная скорость передачи данных 19200 бит/с

Скорость работы последовательного интерфейса 1200 - 38400 бит/с

Внешние интерфейсы ЯБ-232, ЯБ-485

Актуальным являлось создание компактного, мобильного радиомодема поддерживающего современный интерфейс USB. Разрабатываемый

радиомодем был нацелен не только удовлетворить вышеперечисленным требованиям, но и расширить область применения в сторону подвижной радиосвязи.

Результат разработки представляет собой полудуплексное приемопередающее устройство, работающее с частотно манипулированными сигналами в безлицензионном диапазоне частот 433,075-434,775 МГц с ограничением мощности передатчика на уровне 10 мВт. Радиомодем оснащен интерфейсом USB, через который происходит обмен данными, а так же его питание. Интерфейс USB выступает в качестве физического уровня для интерфейса UART, а радиомодем при этом определяется системой как виртуальный последовательный порт COM. Скорость обмена через интерфейс от 1200 до 115200 Бод. Радиомодем поддерживает скорость передачи информации (скорость манипуляции) от 1 до 300 кбит/с не только с помощью двоичной частотной манипуляции (FSK) [1], но и с помощью спектрально эффективной гауссовской частотной манипуляции (GFSK) [2]. Это достигается благодаря предварительной фильтрации модулирующего сигнала в ФНЧ Гаусса с коэффициентом скругления BTs=0,5. При этом ширина спектра GFSK сигнала по уровню -3 дБ на 45% уже чем у FSK сигнала при прочих равных условиях. Однако столь высокая спектральная эффективность ведет за собой увеличение межсимвольной интерференции, и как следствие растет вероятность ошибочного приема [3].

Рис. 1 - Структурная схема радиомодема

Основой радиомодема служит микросхема радиотрансивера ADF7023 производства Analog Devices. Управляющий микроконтроллер Atmel AVR ATmega32A с 32 кБ памяти программ и 2 кБ оперативной памяти и частотой тактирования 11,0592 МГц [9]. Микросхема преобразователя «USB - UART» - FTDIFT232RL [10].

При разработке устройства было уделено внимание вопросу достоверности переданных данных. Радиомодем поддерживает функцию контроля целостности принятых данных путем добавления в передаваемый эфирный пакет поля контрольной суммы (CRC-16) и последующего сравнения принятого поля с вычисленной в приемнике контрольной суммой. Такой подход позволяет лишь удостовериться в корректности данных при приеме и не гарантирует доставку сообщения адресату. Наряду с этим поддерживается возможность коррекции ошибок передачи данных, используя код Рида-Соломона(38, 28) [11]. Устройство способно исправить до 5 ошибочных байтов в принятом искаженном пакете. Применение указанного помехоустойчивого кодирования делает устройство толерантным

к зашумленной обстановке или импульсным помехам, и способно дать кодовое усиление до 3,4 дБ [12].

Внешний вид радиомодема представлен на рис. 2.

Экспериментальные исследования двух разработанных устройств проводились в городских условиях. Их целью было установление максимальной устойчивой дальности радиосвязи (при прямой видимости) на различных скоростях передачи данных как с исправлением ошибок при приеме, так и без. Схема эксперимента выглядела следующим образом. Первый радиомодем, выполняющий роль передающего, устанавливался в окне 4-го этажа здания и подключался к персональному компьютеру. Он осуществлял излучение посылки в эфир с интервалом 1 с. Второй радиомодем, выполняющий роль приемного, использовался в мобильном варианте и был подключен к смартфону. Экспериментатор, удаляясь от передающего радиомодема, осуществлял мониторинг принятых данных. В случае, когда прием происходил без ошибок, приемный радиомодем

передавал смартфону уровень принятого сигнала в дБм. По результатам эксперимента была построена таблица 2.

Таблица № 2

Результаты эксперимента.

Контроль/исправление ошибок Скорость передачи данных, кбит/с Уровень принятого сигнала, дБм Расстояние, м

СЯС-16 10 -107 600

ЯБ(38, 28) -109 660

СЯС-16 50 -104 410

ЯБ(38, 28) -106 470

СЯС-16 100 -101 220

ЯБ(38, 28) -104 300

Как видно из таблицы 2, применение помехоустойчивого кодирования наиболее эффективно при высоких скоростях передачи данных (до 3 дБ), нежели при низких (1-2 дБ). Увеличение дальности радиосвязи возможно путем снижения скорости передачи - это обусловлено зависимостью чувствительности приемника от скорости манипуляции. Согласно документации на микросхему трансивера, чувствительность приемника составляет -116 дБм при скорости 1 кбит/с [13-15]. Однако, на практике такой показатель труднодостижим из-за зашумленной радиообстановки в данном диапазоне частот.

Во всех случаях в качестве антенн применялись малоэффективные четвертьволновые вибраторы. Увеличение дальности радиосвязи (вплоть до 3-5 км) возможно путем применения антенн с высоким КНД, например типа волновой канал, зигзаг и проч.

Стоит так же отметить, что уменьшение габаритов устройства возможно путем конструктивной модификации. Заменив крупногабаритные компоненты их аналогами в миниатюрных корпусах, и перейдя на многослойную топологию печатной платы размер устройства уменьшится в

2-3 раза. Кроме того, применив микроконтроллер со встроенной аппаратной поддержкой интерфейса USB, например ATmega32U4 в корпусе QFN44, можно отказаться от отдельной микросхемы преобразователя «USB -UART», что одновременно уменьшит и габариты, и стоимость устройства [16,17].

Результаты исследований, изложенные в данной статье, получены при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках реализации проекта «Создание высокотехнологичного производства для изготовления комплексных реконфигурируемых систем высокоточного позиционирования объектов на основе спутниковых систем навигации, локальных сетей лазерных и СВЧ маяков и МЭМС технологии» по постановлению правительства №218 от 09.04.2010 г. Исследования проводились в ФГАОУ ВО ЮФУ.

Литература

1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Москва: Издательский дом Вильямс, 2003. 1104 с.

2. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра: Пер. с англ. / Под ред. В. И. Журавлева. Москва: Радио и связь, 2000. 178 с.

3. Анненков А. М. Модель радиоканала с частотной модуляцией и непрерывной фазой. // Журнал радиоэлектроники. 2011. №7. 17 с.

4. Stephen Hinchy, Kalim Khan Reed-Solomon Forward Error Correction and the ADF7023. URL: analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-1292.pdf.

5. Варгаузин В.А., Цикин И.А. Методы повышения энергетической и спектральной эффективности цифровой радиосвязи. СПб.: БХВ-Петербург, 2013. 352 с.

6. Дмитриев А.В., Панас А.И. Динамический хаос. Новые носители информации для систем связи. М.: Физматлит, 2005. 252 с.

7. Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В., Семерник И.В. Исследование хаотических состояний автоколебательных систем. Генератор на лавинно-пролетном диоде. // Saarbrücken, Deutschland: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2013. 133 с.

8. Романов И.В., Измайлов И.В., Коханенко А.П., Пойзнер Б.Н. Нелинейное подмешивание радио и видеосигналов в системе связи с использованием динамического хаоса // Известия Томского политехнического университета. 2011. Т. 318. № 2. С. 53-58.

9. Atmel Corporation, «8-bit Microcontroller with 32KBytes In-System Programmable Flash», 2014. URL: atmel.com/ru/ru/Images/Atmel-8155-8-bit-Microcontroller-AVR-ATmega32A_Datasheet.pdf.

10. Future Technology Devices International Limited, «FT232R USB UART IC», 2010. URL:ftdichip.com/Support/Documents/DataSheets/ICs/DS_FT232R.pdf.

11.Питерсон У., Уэлдон Э. Коды, исправляющие ошибки. М.: Мир, 1976. 596 c.

12.Stephen Hinchy, Kalim Khan Reed-Solomon Forward Error Correction and the ADF7023, 2014. URL: analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-1292.pdf.

13.ADF7023: High Performance, Low Power, ISM Band FSK/GFSK/OOK/MSK/GMSK Transceiver IC Data Sheet (Rev C, 07/2012) / Analog Devices Inc. URL: analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADF7023.pdf.

14.Liam O'Hora, Autonomous IR Calibration on the ADF7023, 2014. URL: analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-1278.pdf.

15.Liam O'Hora, Embedded Packet Error Rate Testing on the ADF7023 and ADF7023-J, 2013. URL: analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-1276.pdf.

16.И.С. Коберси Анализ работы подсистемы групповой синхронизации в синфазном и асинфазном режимах широкополосной системы радиосвязи с широтно-импульсной модуляцией // Инженерный вестник Дона, 2014, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2014/2759.

17.Жуков К.Г. Распознавание типа модуляции сигналов цифровых линий связи // Инженерный вестник Дона, 2009, №2 URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2009/130

References

1. Sklar B. Tsifrovaya svyaz. [Digital communication. Theoretical basis and practical application] Moscow: Publishing House Williams, 2003. 1104 p.

2. Feher K. Besprovodnaya tsifrovaya svyaz [Wireless digital communications. Modulation and spreading] Trans. from English. Ed. V. Zhuravlev. Moscow: Radio I Svyaz, 2000. 178 p.

3. Annenkov A.M. Model radiokanala s chastotnoy modulyatsiey I neprerivnoy fazoy. Journal Radioelectroniky. 2011. №7. 17p.

4. Stephen Hinchy, Kalim Khan Reed-Solomon Forward Error Correction and the ADF7023. URL:analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-1292.pdf.

5. Vargauzin V.A., I.A. Tsikin Methody povisheniya energyticheskoy I spectralnoy effektivnosty tsifrovoy radiosvyazy. [Methods to improve the energy and spectral efficiency of digital radio] SPb.: BHV-Petersburg, 2013. 352 p.

6. Dmitriev A.V., Panas A.I. Dynamichesky chaos. [Dynamical chaos. New media for communication systems] M .: FIZMATLIT, 2005. 252 p.

7. Alekseev Y.I., Demyanenko A.V., Semernik I.V.Issledovanie chaoticheskih sostoyaniy avtokolebatelnih system. [Study of chaotic states of self-oscillating systems. Generator avalanche-time diode] Saarbrücken, Deutschland: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2013. 133 p.

8. Romanov I.V., Izmailov I.V., Kokhanenko A.P., Poizner B.N. Nelineinoe podmeshivanie radio and video signalov v systeme svyazy s ispolzovaniem dynamicheskogo chaosa Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. 2011. T. 318. № 2. pp 53-58.

9. Atmel Corporation, «8-bit Microcontroller with 32KBytes In-System Programmable Flash», 2014. URL: atmel.com/ru/ru/Images/Atmel-8155-8-bit-Microcontroller-AVR -ATmega32A_Datasheet.pdf.

10.Future Technology Devices International Limited, «FT232R USB UART IC», 2010. URL:ftdichip.com/Support/Documents/DataSheets/ICs/DS_FT232R.pdf.

11.W. Peterson, E. Weldon Cody ispravlyayushchie oshibky. [Error-Correcting Codes] M.: Mir, 1976. 596 p.

12. Stephen Hinchy, Kalim Khan Reed-Solomon Forward Error Correction and the ADF7023, 2014. URL:analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-1292.pdf..

13. ADF7023: High Performance, Low Power, ISM Band FSK / GFSK / OOK / MSK / GMSK Transceiver IC Data Sheet (Rev C, 07/2012) / Analog Devices Inc. URL:analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADF7023.pdf.

14. Liam O'Hora, Autonomous IR Calibration on the ADF7023, 2014. URL:analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-1278.pdf.

15. Liam O'Hora, Embedded Packet Error Rate Testing on the ADF7023 and ADF7023-J, 2013. URL: analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-1276.pdf.

16. Kobersi I.S. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2014/2759.

N

17. Zhukov К.О. vestnik Бош (Яш), 2009, №2 ЦЯЬ:

ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2009/130.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.