CC BY
86
УДК 681.3
БЕСПРОВОДНАЯ ПЕРЕДАЧА СВЕРХСЛАБЫХ РАДИОСИГНАЛОВ НА БАЗЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ*
А.С. Григорьев, А.А. Дахнович, П.А. Сторожев, Д.А. Кречетов
Кафедра «Радиоэлектронные средства бытового назначения»,
ГОУВПО «ТГТУ»
Представлена членом редколлегии профессором Ю.Л. Муромцевым
Ключевые слова и фразы: беспроводная передача сверхслабых радиосигналов; квадратурная обработка некогерентных сигналов; микроконтроллер; цифровая обработка сигналов; частотная и фазовая манипуляции.
Аннотация: Рассматривается возможность построения устройств беспроводной передачи информации с помощью сверхслабых радиосигналов и варианты передачи и приема таких сигналов на базе микроконтроллеров общего назначения.
Из теории цифровой связи известно, что для достижения приемлемого уровня битовых ошибок при передаче сигналов определяющим является обеспечение достаточно высокого (10... 15 дБ) отношения энергии бита сигнала к спектраль-
Еь
ной плотности мощности шума---------[1]. Несложное преобразование приводит к
N0
следующему соотношению
Еь _ БТ _ Ар Щ _ N / АР ~ N В ’
где Б - средняя мощность сигнала; N — средняя мощность шума; АР — полоса частот, занимаемая каналом связи; В _ 1/ Т — скорость передачи в бит/с.
Из этого соотношения видно, что обеспечить нужное отношение Еь / N0
можно даже в случае, когда сигнал «тонет» в шумах (Б / N < 1), — достаточно увеличить длительность каждого бита Т, то есть снизить скорость передачи В. Следует однако отметить, что для реализации такой возможности приемник должен уметь накапливать энергию передаваемого бита до момента принятия решения о том, каково его значение — 0 или 1. Это делается либо с помощью согласованных фильтров, либо с помощью корреляторов. Сложность технической реализации приемника во многом зависит от выбранной схемы модуляции/демодуляции.
Нами исследовался наиболее интересный с точки зрения практического осуществления случай некогерентной бинарной частотной манипуляции (РБК) на
* Принято к печати 11.12.2006 г.
поднесущей. Ее легко осуществить с помощью схемы (рис. 1), манипулируя на выходном порте микроконтроллера (МК) двумя НЧ-колебаниями: /і - логический 0 и /2 - логическая 1. В результате, при приеме информации обычным ЧМ-приемником после усиления и первичной демодуляции получим два НЧ сигнала с частотами /1, /2 и помехи из радиоканала. Для некогерентного обнаружения (детектирования) этих сигналов можно использовать схему квадратурной обра-
К усилителю мощности
МК
Y
Выходной
порт
Cl
1Н
I---------------------------------1
С2
Рис. 1. Работа микроконтроллера в режиме частотной манипуляции
СОБ ЮіҐ
Рис. 2. Схема квадратурной обработки некогерентных сигналов Ж8К
ботки, представленную на рис. 2. В этой схеме две верхние ветви настроены на обнаружение сигнала с частотой ff>i - для синфазной ветви опорный сигнал имеет вид cos су, а для квадратурной sin . Подобным образом две нижние ветви настроены на обнаружение сигнала с частотой W2 - для синфазной ветви опорный сигнал имеет вид cos 02 , а для квадратурной sin 02. Предположим, что принятый сигнал r(t) имеет вид cos + n(t), т.е. сигнальный компонент при-
нятого сигнала точно соответствует (по частоте и фазе) опорному сигналу верхней ветви. В такой ситуации максимальный выход должен дать интегратор произведений верхней ветви. Вторая ветвь должна дать нулевой выход (проинтегрированный шум с нулевым средним), поскольку ее опорный сигнал sin Wit ортогонален сигнальному компоненту сигнала r(t) . Третья и четвертая ветви также должны дать выходы порядка нуля, поскольку их опорные сигналы также ортогональны сигнальному компоненту сигнала r(t) .
Рассмотрим теперь другую возможность. Пусть принятый сигнал r (t) имеет вид sin Wit + n(t). В этом случае максимальный выход должна дать вторая ветвь схемы (см. рис. 2), а выходы других ветвей должны быть порядка нуля. В реальной системе сигнал r (t) скорее всего описывается выражением cos(Wit + ф) + n(t), то есть входящий сигнал будет частично коррелировать с опорным сигналом cos c^t и частично - с сигналом sin a^t. Поэтому некогерентный квадратурный приемник ортогональных сигналов и требует синфазной и квадратурной ветви для каждого возможного сигнала набора. Блоки, показанные на рис. 2 после интеграторов произведений, выполняют операцию возведения в квадрат, что предотвращает появление возможных отрицательных значений. Затем для каждого класса сигналов набора (в бинарном случае - для двух) складываются величины zj2 из синфазного канала и z\ из квадратурного канала. На конечном этапе формируется тестовая статистика z(T) и выбирается сигнал с частотой Wj или W2 , в зависимости от того, какая пара детекторов энергии дала максимальный выход. Вышеописанная схема квадратурной корреляционной обработки сигналов легко реализуется с помощью современных цифровых сигнальных процессоров (DSP).
Исследование работы этой схемы проводилось методом моделирования. На рис. 3 приведена схема моделирования в пакете MATLAB. Элементы Sine Wavel, Sine Wave2, Pulse Generator, Switchi, Sum 1, Uniform Random Number служат для формирования сигнала, зашумленного белым шумом. Scope - блок индикации в виде многоканального осциллографа. Остальные элементы служат для корреляционного выделения сигнала из шума. Частоты манипуляции f и f были выбраны следующими: f = i000 Гц, f = 2000 Гц. Частота дискретизации при моделировании была выбрана i0 кГц, что удовлетворяет требованиям теоремы Котельникова.
На рис. 4 показаны осциллограммы снимаемые блоком Scope в соответствующих точках схемы.
Из них видно, что принимаемый сигнал отстает по фазе, что неизбежно при накоплении сигнала. Ошибок на приемной стороне нет. Результаты моделирования представлены в табл. i.
В результате получили, что уровень шума может сильно превышать уровень передаваемого сигнала, и при этом прием информации будет происходить безошибочно.
Рис. 3. Схема моделирования в пакете МЛТЬЛБ
Рис. 4. Результат моделирования в пакете МЛТЬЛБ
Таблица 1
Результаты моделирования
Максимальный уровень напряжения с генератора белого шума при уровне сигнала 1В, В 30 l0 3 l
Максимальная скорость передачи информации, при которой ошибок в приеме не наблюдается, бит/с 0,2 2 20 200
Из этого следует, что мощность передатчика может быть крайне малой, благодаря чему такие устройства смогут долго работать при автономном питании. Из табл. 1 видно, что процесс накопления сигнала корреляционным методом приводит к довольно низкой скорости передачи информации. Однако существует довольно много практических приложений, для которых таких скоростей вполне достаточно. Например, беспроводная система сигнализации, в который сигнал от множества датчиков поступает на центральный модуль. В неактивном режиме датчики «молчат», то есть не ведут передачи сигнала в эфир. При срабатывании соответствующий датчик начинает передавать информацию. В информационной посылке должны быть зашифрованы тип воздействия вызвавшего срабатывание и порядковый номер датчика. Для передачи этой информации необходимо 8... 10 бит информации, что не требует высокой скорости передачи. Поэтому применение вышеописанного метода приведет к весьма эффективному и экономически выгодному решению задачи.
В последнее время при проектировании систем передачи и приема информации появилась возможность использования микроконтроллеров совмещенных с передатчиком (табл. 2).
На базе таких микросхем удобно строить всевозможные беспроводные системы сигнализации, автономные датчики, системы оповещения, кодового доступа, управления и контроля.
Одним из примеров МК совмещенного с передатчиком является гИС12Г675
[2].
Т аблица 2
Характеристики микроконтроллеров фирмы MICROCHIP
Тип Диапазон частот, МГц Модуляция Ядро контроллера Число каналов АЦП Поток данных, Кбит/с Чувствительность, дБм Выходная мощность, дБм
rfPIC12F675K 290...380
rfPICl 2F675F 390...450 ASK, FSK PIC12F675 4 40 2
rfPIC12F675H 850... 930
rfPICl2C509AG 310.480 ASK PIC12C509A Нет 40 6
rfPIC12C509AF 310.480 FSK
rfRXD0420 300.450 ASK, FSK, FM 80 -111
rfRXD0920 850.930 ASK, FSK, FM -109
Отличительные особенности:
- ГЬЛ8Ы-микроконтроллер и УКВ-передатчик на одном кристалле;
- широкий диапазон питающих напряжений и малое энергопотребление;
- возможность работы с ЧМ и АМ;
- кварцевая стабилизация частоты передатчика;
- работа с внешним тактовым генератором до 20 МГц или с внутренним 4 МГц;
- встроенная аналоговая периферия - 10р-АЦП и компаратор.
Вышеназванные специализированные МК не дают однако возможности использовать один из наиболее эффективных способов модуляции - фазовую манипуляцию (РБК). Кроме того, по мнению ряда специалистов, работа радиосистем в столь высокочастотном диапазоне негативно сказывается на здоровье людей.
Вместе с тем, анализируя архитектуру современных МК, можно заметить некоторые особенности, используя которые можно построить подобные устройства на базе любого МК общего применения.
МК общего применения имеют внутренний тактовый генератор, работающий на достаточно высокой частоте (4.50 МГц). На таких частотах вполне возможно осуществить возбуждение электромагнитных колебаний и передать их в эфир.
Внутренний тактовый генератор обычно строится по принципу инвертора, параллельно которому подключается внешний кварцевый резонатор. Вход и выход инвертора замыкают через конденсатор на общий провод для увеличения стабильности его работы. Для примера возьмем популярный микроконтроллер РІС16Г84.
Информацию можно передавать с помощью Г8К или Р8К манипуляций несущей.
Для частотной манипуляции корректирующий конденсатор С2 (см. рис. 1) на выходе встроенного тактового генератора следует подключить не на общий провод, а на один из выводов выходного порта микроконтроллера. В современных микросхемах вывод порта можно программно выставить в одно из трех состояний. При этом вывод может находиться в высокоимпедансном состоянии, закорочен на общий провод либо на шину питания. Интерес представляют два состояния: вы-сокоимпедансное и соединение с общим проводом. В результате макетирования было установлено, что при частоте стабилизирующего кварцевого резонатора в 4 МГц и емкостях корректирующих конденсаторов в 27 пФ частота тактового генератора изменялась на 400 Гц. При этом в работе микроконтроллера сбоев не наблюдалось. Таким образом, мы получили возможность программной манипуляции частоты 4 МГц с девиацией ±200 Гц. Осталось подать ее на усилитель мощности с высоким входным сопротивлением, чтобы он не оказывал влияния на работу микроконтроллера. Усиленный сигнал излучается в эфир.
Для фазовой манипуляции необходимо получить программно управляемое изменение фазы тактового генератора. Это можно сделать с помощью элемента «исключающее ИЛИ» (рис. 5). В этой схеме элемент «исключающее ИЛИ» выполняет функции модулятора, каждый раз меняя фазу выходного сигнала на 180° при изменении состояния на выходе порта МК. Таким образом, мы получаем возможность программной манипуляции фазой сигнала несущей частоты.
Данные схемотехнические решения, кроме их простоты, имеют еще и то преимущество, что в них модуляция происходит без разрывов несущего колебания, так как изменение модулирующего параметра тактируются самой же несущей частотой. Это существенно снижает уровень боковых лепестков в спектре модулированного сигнала.
Рис. 5. Подключение микроконтроллера при фазовой манипуляции
Работа МК общего применения на сравнительно низких, а значит более безопасных для человека, частотах приводит к снижению эффективности антенного тракта, так как приемлемые размеры антенны оказываются гораздо меньше длины волны несущего колебания. Тем не менее, существуют способы возмещения этих потерь.
Один из них заключается в использовании сетевой проводки жилых зданий, производственных сооружений и т.п. Так, в стандарте на беспроводной телефон в Великобритании одно из направлений дуплексной связи осуществляется на частоте 1,7 МГц, а в качестве антенны базового блока служит сетевая проводка переменного тока 50 Г ц.
Другой путь решения проблемы - это использование современных методов цифровой обработки сигналов на приемной стороне радиотракта, подобных описанному в этой статье.
Выводы
1. Разработан и смоделирован в пакете МЛТЬЛБ способ обработки сверхслабого сигнала с целью выделения информации, содержащейся в нем.
2. Анализ результатов моделирования подтверждает достоверность сделанного вывода о возможности приема очень слабых сигналов, уровень которых меньше уровня шума.
3. Существующие микроконтроллеры со встроенными приемопередатчиками имеют ограниченные возможности по передаче сигналов.
4. Показана возможность использования микроконтроллеров общего применения для целей беспроводной передачи данных.
5. Разработано два способа использования микроконтроллера общего применения для осуществления модуляции несущей: частотная манипуляция и фазовая манипуляция.
Список литературы
1. Скляр, Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение : пер. с англ. / Бернард Скляр. - М. : Вильямс, 2003. - 1104 с.
2. Баскаков, С.И. Радиотехнические цепи и сигналы / С.И. Баскаков. - М. : Высшая школа, 2003. - 462 с.
Radio Transmission of Super-Weak Radio Signals on the Basis of General-Purpose Micro-Controllers
A.S. Grigoryev, A.A. Dakhnovich, P.A. Storozhev, D.A. Krechetov
Department «Radioelectronic Home Appliances» TSTU
Key words and phrases: digital processing of signals; frequency and phase manipulations; micro-controller; radio transmission of super-weak radio signals; quadrature processing of incoherent signals.
Abstract: The possibility of designing devices for radio transmission of data with the help of super-weak radio signals and types of transmission and reception of such signals on the basis of general-purpose micro-controllers is studied.
Drahtlose Ubergabe der superschwachen Funksignale auf Grund der Mikrokontroller der allgemeinen Zweckbestimmung
Zusammenfassung: Es wird die Moglichkeit der Konstruktion der Einrichtun-gen der drahtlosen Ubergabe der Information mit Hilfe der superschwachen Funksignale sowohl die Varianten der Ubergabe als auch der Annahme solcher Signale auf Grund der Mikrokontroller der allgemeinen Zweckbestimmung betrachtet.
Transfert sans fil des signaux de radio ultra-faibles a la base des micromanipulateurs de la destination generale
Resume: Est examinee la possibility de la construction des dispositifs du transfert sans fil de l’information a l’aide des signaux de radio ultra-faibles ainsi que les variants de la reception et de l’emission de tels signaux a la base des micromanipulateurs de la destination generale.
