Алтайский государственный университет
Опубликован: 05.06.2014 | Доступ: свободный | Студентов: 1602 / 768 | Длительность: 08:16:00
Лекция 4:

Примеры аппаратных решений решения для беспроводных сетей различных технологий

Изюминки беспроводных решений TI - приемопередатчики диапазона <1ГГц

Для субгигагерцового диапазона Texas Instruments предлагается достаточно широкий спектр продукции [19, 32, 36]:

  • антенные усилители - серии CC1190;
  • приемники - серии CC113L;
  • передатчики - CC115L, CC1150, CC1050, CC1070;
  • приемопередатчики - серии CC110L, CC1000, CC102x, CC1101, CC1100;
  • системы на кристалле:
    • СС430 - на основе приемопередатчика СС1101 с аппаратной поддержкой шифрования AES-128 и 16-битным контроллером (ядро MSP430);
    • СС111x - с 8-битным контроллером (ядро 8051), поддержкой шифрования AES-128.

В основе беспроводных решений TI рассматриваемого диапазона лежит хорошо зарекомендовавшая себя архитектура многоканального приемопередатчика CC1101.

Приемопередатчики CC1101

В основе беспроводных решений TI рассматриваемого диапазона лежит хорошо зарекомендовавшая себя архитектура многоканального приемопередатчика CC1101 (Рис. 4.7) с выходной мощностью до 12 дБм, чувствительностью -112 дБм и поддерживаемыми скоростями передачи данных до 600 кбит/с с управлением по интерфейсу SPI [36].

Упрощенная структура приемопередатчика CC1101

увеличить изображение
Рис. 4.7. Упрощенная структура приемопередатчика CC1101

Данный приемопередатчик требует для своей работы лишь несколько пассивных компонентов благодаря встроенному частотному синтезатору. Способен работать в частотных диапазонах 300-348, 387-464, 779-928 МГц. Поддерживает несколько режимов частотной и амплитудной модуляции - 2-FSK, 4-FSK, GFSK, MSK и OOK, ASK. Обладает малым временем выхода из режима низкого энергопотребления и режим приема или передачи (всего 240 мкс) и установлением частоты синтезатора (75 мкс), что позволяет использовать приемопередатчик в системах, использующих перестройку частоты (FHS). Поддерживается автоматическое прослушивание канала перед началом передачи (Clear Channel Assessment - CCA), имеется программируемый индикатор наличия несущей. Качество приема может быть оценено при помощи измерения уровня принятого сигнала (RSSI) - для отдельного пакета и при помощи индикатора качества связи (LQI) - в целом по статистике успешного/неуспешного приема пакетов.

СС1101 ориентирован на применение в системах с пакетной передачей данных, имеет аппаратную поддержку детектирования синхрослова, проверку адреса, автоматический подсчет длины пакета и вычисление контрольной суммы. Также имеются два раздельных 64-байтных FIFO буфера на прием и передачу (настраиваемый индикатор заполнения/опустошения буфера).

Кодовое усиление, как средство повышения надежности связи

Для уменьшения количества ошибок при приеме/передаче данных в CC1101 может быть задействован блок защиты от ошибок (Forward Error Correction - FEC) работающий по принципу избыточного кодирования [19, 38].

Кодирование реализовано при помощи сверточного нерекурсивного кодера (Рис. 4.8) постоянной длины (4) с частотой потока 1/2 (один входной бит порождает один двухбитный кодовый символ).

Структура сверточного кодера

увеличить изображение
Рис. 4.8. Структура сверточного кодера

Поскольку сверточное кодирование лучше всего работает в условиях случайного появления ошибки в передаваемой/принимаемой битовой последовательности, а природа ошибок в радиоканале чаще всего способствует повреждению нескольких последовательно передаваемых бит дополнительно при передаче/приеме используется блок перемежения/деперемежения. В CC1101 для перемежения используется матрица 4х4 - по одной ячейке на кодированный выходной бит. В итоге полная схема работы блока защиты от ошибок выглядит следующим образом - Рис. 4.9.

Схема работы блока защиты от ошибок

увеличить изображение
Рис. 4.9. Схема работы блока защиты от ошибок

Следует учитывать, что применение FEC ведет к падению фактической скорости передачи в два раза. Для сохранения прежней скорости передачи данных необходимо будет удвоить битовую скорость (или перейти от двоичного кодирования к четвертичному), что в ряде случаев может потребовать увеличения ширины частотного канала.

Режим Wake-on-Radio в приемопередатчиках CC1101

Приемопередатчик CC1101 является достаточно энергоэффективным решением - так, токи потребления в режиме приема лежат в пределах 14-17 мА, токи в режиме передачи - 15 - 35 мА в зависимости от заданного уровня выходной мощности и частотного диапазона. CC1101 имеет несколько режимов низкого энергопотребления, начиная от уровня 0.2 мкА до 200 мкА - в зависимости от задействованных узлов [4, 6].

В дополнении к этому реализован специальный режим работы - пробуждение по наличию радиосигнала - Wake-on-Radio (WOR). В данном режиме радиоприемная часть CC1101 периодически активируется для прослушивания канала в течение заданного времени для приема пакетов без участия внешнего контроллера. Для этого используется специальный таймер тактируемый от внутреннего RC-генератора, периодически генерирующий два сигнала - включение регулятора напряжения цифровой части и запуск кварцевого генератора (Event0) - режим IDLE и, через некоторое время, включение режима приема (Event1) - RX. Если в течение установленного времени пакет не пришел, приемопередатчик переходит в режим IDLE, а затем в режим SLEEP. Момент срабатывания Event0 может быть отслежен на одном из GDOx выводов (Рис. 4.10).

Принцип работы режима Wake-on-Radio

увеличить изображение
Рис. 4.10. Принцип работы режима Wake-on-Radio

На Рис. 4.11 качественно показаны уровни потребления тока в режиме WOR.

Если пакет пришел - работа устройства в режиме приема продолжится до окончания приема пакета. После этого внешний контроллер должен обработать пакет и перевести приемопередатчик в режим SLEEP командой SWOR. Следует учитывать два факта:

  • данные пакета теряются при переходе в режим SLEEP;
  • время на прием, обработку пакета и перевод в спящий режим должно быть меньше периода генерации таймером WOR сигнала Event0.

Применение режима WOR позволяет в несколько раз снизить ток потребления при приеме системы на прием пакетов.

CC1101 выпускается в малогабаритном низкопрофильном корпусе - QLP20 - размеры 4x4 мм.

Качественное распределение потребления тока при работе в режиме Wake-on-Radio

увеличить изображение
Рис. 4.11. Качественное распределение потребления тока при работе в режиме Wake-on-Radio

Дальнейшее развитие серии вылилось в начале 2011 года в две линейки продуктов - Perfomance Line и Value Line. Первая ориентирована, прежде всего, на приложения с высокой производительностью, требующими широкого спектра аппаратных возможностей для работы в самых разнообразных условиях, и вторая - линейка недорогих устройств, рассчитанных на массовое применение.

В линейке Perfomance представлены узкополосные (12.5 КГц / до 8 КГц) многоканальные приемопередатчики CC1120 и модифицированные приемопередатчики CC1101 - CC1121.

В линейку Value вошли приемопередатчик СС110L и отдельные микросхемы приемников CC113L и передатчиков CC115L - бюджетные микросхемы (цена единицы в крупной партии менее 1$) совместимые с приемопередатчиками CC1101[40-43].

Основные особенности семейства CC11xL

CC110L (Рис. 4.12) - приемопередатчик для частотных диапазонов 300 - 348 МГц, 387 - 464 МГц, и 779 - 928 МГц, основанный на CC1101 с аналогичными характеристиками производительности радиотракта [40].

Структура приемопередатчиков серии CC110L

увеличить изображение
Рис. 4.12. Структура приемопередатчиков серии CC110L

Приемопередатчик имеет аппаратную поддержку обработки пакетов (детектирование синхрослова, автоматический подсчет контрольной суммы), буферизации данных (FIFO буферы по 64 байта на прием и передачу), непрерывной передачи больших объемов данных. Наилучшие показатели чувствительности -116 дБм при скорости передачи данных 0.6 кбит/с. Скорость передачи данных варьируется в пределах от 0.6 до 600 кбит/с.

Приемопередатчик поддерживает частотную (2-FSK, 4-FSK, GFSK) и амплитудную (OOK) модуляции сигнала. Время выхода из режима низкого энергопотребления (ток потребления ~200 нА) в режим приема или передачи порядка 240 мкс. Отсутствие режима пробуждения по наличию радиосигнала (Wake-on-Radio - WOR) и блока коррекции ошибок (Forwarding Error Correction - FEC) несколько снижает функциональность устройства, но зато положительно сказывается на его цене. Отсутствует также аналоговый датчик температуры.

CC110L повыводно и схемотехнически совместим с CC1101 и выпускается в таком же корпусе - QLP20 (4x4 мм).

Для случаев, когда поток данных только однонаправленный идеально подойдут отдельные микросхемы приемников CC113L и передатчиков CC115L (Рис. 4.13 и Рис. 4.14), полностью совместимые с CC110L и имеющие еще меньшую стоимость [40-43].

Структурная схема приемника CC113L

увеличить изображение
Рис. 4.13. Структурная схема приемника CC113L
Структурная схема передатчика CC115L

увеличить изображение
Рис. 4.14. Структурная схема передатчика CC115L

Основные особенности семейства CC112x

Серии CC112x [43] являются усовершенствованными версиями приемопередатчика CC1101. Усовершенствования коснулись и радиотракта, и цифровой части, и режимов работы. В результате получился экономичный высокоселективный, чувствительный приемопередатчик, что позволяет использовать его в условиях высокого уровня шума, плотного использования радиоканала, высоком уровне интерференционных помех или больших расстояниях между узлами.

Высокопроизводительные многоканальные приемопередатчики CC112х (Рис. 1.2) обладают максимальной выходной мощностью до 16 дБм, чувствительностью -123 дБм и поддерживаемыми скоростями передачи данных от 1.2 до 200 кбит/с с управлением по интерфейсу SPI. Выходная мощность регулируется с шагом 0.5 дБм, а чувствительность может быть еще улучшена за счет применение схемы кодового усиления до -125 дБм (один информационный бит кодируется четырьмя чипами). Все это позволяет увеличить максимальную дальность передачи на расстояния до 10 километров.

Сердцем приемопередатчика является встроенный частотный синтезатор с низким уровнем фазовых шумов, что способствует высокой избирательности системы.

Приемопередатчик способен работать в частотных диапазонах 164-192, 410-480, 820-960 МГц. Поддерживается режимы модуляции 2-FSK, 4-FSK, 2-GFSK, 2-GFSK, MSK, OOK, ASK и аналоговая частотная модуляция. По сравнению с СС1101 уменьшено временя выхода из режима низкого энергопотребления в режим приема - до 150 мкс. Также поддерживается автоматическое прослушивание канала перед началом передачи (Clear Channel Assessment - CCA), имеется программируемый индикатор наличия несущей. Качество приема может быть оценено при помощи измерения уровня принятого сигнала (RSSI) с высокой степенью линейности в широком диапазоне.

СС112х имеют аппаратную поддержку детектирования синхрослова, проверку адреса, автоматический подсчет длины пакета и вычисление контрольной суммы. Добавлена поддержка ретрансляции пакетов, автоматическая отправка подтверждения принятия пакета. Размеры приемного и передающего буфера увеличены до 128 байт каждый, что упрощает передачу больших объемов данных (Рис. 4.15).

Упрощенная структурная схема приемопередатчиков CC112x

увеличить изображение
Рис. 4.15. Упрощенная структурная схема приемопередатчиков CC112x

Следует отметить, что в сигнальном тракте СС112х используются цифровые фильтры, обеспечивающие высокую стабильность параметров вне зависимости от напряжения питания, температуры. Благодаря фильтрам обеспечивается высокий уровень подавления сигнала вне текущего частотного канала - более 80 дБ (65 дБ при отступлении от центральной частоты канала на 12.5 КГц, 90 дБ при отступлении от центральной частоты канала на 10 МГц), что позволяет применять приемопередатчики в условиях плотного использования частотного диапазона или при большом количестве устройств на одной территории. Это повышает совместимость систем, использующих СС112х, как друг с другом, так и с другими системами, использующими радиоканал, упрощает процесс установки.

Версия СС1120 позволяет использовать ширину канала менее 12.5 КГц - например, при скорости 4.8кбит/c ширина канала может достигать всего 6.25 КГц.