После опроса прошло время… Прошу извинить за задержку: сложно выкроить время.
В процессе написания данного текста выявилось столько тонкостей, которые хотелось бы описать, что это может потянуть на небольшой труд :-). Поэтому я решил публиковать материал по главе за раз. Только после полного исчерпания вопросов и уточнений по конкретной главе будет публиковаться следующая.
Итак, требуется построить простейшую сеть, вид которой представлен на следующем рисунке. Сеть желательно построить, не применяя дорогостоящие анализаторы спектра и прочую аппаратуру для анализа радиотехнических цепей. Также желательно, чтобы ПО было достаточно прозрачным и максимально простым.
Предполагается, что датчики D0...Di...DN имеют автономное питание, а устройство сбора данных подключение к питающей сети или какому-нибудь другому источнику относительно неограниченного питания.
В данном труде предпринимается попытка (очередная :)) систематизировать подходы к построению такой простейшей одноранговой сети для сбора данных с автономных датчиков с точки зрения радиоинженера, обладающего только базовыми знаниями в области программирования.
Предпринята попытка создать устройства на основе покупных изделий такого класса, которые можно просто соединять как конструктор, не применяя дорогостоящие приборы.
Построение системы по рисунку выше начинается с радиоканала. Если радиоканал плох, то всё остальное если и будет работать, то неважно. И ПО будет заниматься львиную долю времени исправлением дефектов радиоканала. Чтобы такого не было, нужно принимать во внимание следующие аспекты.
Диапазон
Начнём с рабочего диапазона частот. Откроем документ [1], В нём в Приложении 10 отображено следующее:
Здесь видно, что в строке 2 таблицы даны очень соблазнительные данные. Как то, нет ограничения по рабочему циклу. Практический опыт показывает, что данный конкретный интервал частот просто-таки загажен. По крайней мере в Москве. Поэтому, хотя и соблазнительно использовать окно частот по строке 2, лучше обратить внимание на предыдущую строку. Здесь наложены жёсткие ограничения, но тут можно работать с системами сбора данных, которые передают редко и быстро (данные малыми порциями в несколько байт максимум).
Также следует учесть, что в том же документе в Приложении 14 дано следующее:
Данная таблица относится к беспроводным аудиоустройствам типа эстрадных микрофонов.
Один ГКРЧ ведает, почему «неспециализированные устройства» в данном диапазоне нельзя использовать в пределах аэродромов, а радиомикрофоны можно.
Но так или иначе, но если в данном конкретном месте предполагается использование аудио устройств с радиоканалом, то возможны взаимные помехи с системой сбора данных. Это следует учитывать.
Отмечу, что диапазон значительно менее «загажен».
Следует учитывать, что на соседних частотах работают устройства охранной радиосигнализации. Также при наличии под боком сотовой вышки на работе может сказаться и этот фактор.
В бюджетных устройствах весьма сложно реализовать хорошую режекцию соседних диапазонов, а тем более, отфильтровать конкретную узенькую полоску, выделенную из всего возможного диапазона.
При отсутствии анализатора спектра в данной ситуации единственным возможным решением является метод проб и ошибок по поиску более или менее «загаженного» окна. К сожалению.
Также следует учитывать, что при использовании чипов из линейки типа CC1101 промежуточная частота в оных не превышает нескольких сот кГц. Поэтому нужно ещё смотреть, что на зеркальном канале происходит.
Точность установки частоты
Часто при первом запуске созданных устройств на приём/передачу неопытный инженер сталкивается с отсутствием связи даже на самых малых расстояниях при правильно выставленных параметрах. Причина — разброс номиналов кварцевых резонаторов и, соответственно, опорных частот синтезаторов.
В обычном розничном (и не только) «радиомагазине», как правило, доступны кварцевые резонаторы с точностью установки не выше 10 ppm. Т.е. на частоте 26 МГц, которая является стандартной для CC1101, разброс частот составляет 260 Гц. Вроде бы немного. Однако для хорошей дальности и высокой чувствительности при низком объёме передаваемых данных очень заманчивым является применение скорости 1.2 кбод (или ниже) с соответствующей полосой, что сопоставимо с отклонением настройки частоты кварцевого резонатора. Это приводит к ошибкам демодуляции в режимах типа FSK или MSK. Соответственно, неправильный приём header приводит к потере синхронизации и полной потере пакета данных.
Практика показывает, что использование узких полос невозможно при применении обычных кварцевых резонаторов в режиме частотной модуляции. В режимах типа ASK/OOK это менее существенно, но в этом режиме дальность связи значительно меньше.
Требуется либо использование высокоточных резонаторов, либо применять какую-то технологию, позволяющую устранять последствия разброса задающих частот.
В дальнейшем будет приведена простейшая программа, которая даёт возможность выставить рабочую частоту с заданной точностью с использованием бюджетного частотомера. Однако программа хороша при использовании единичных устройств. В случае хоть какой-то серийности метод очень громоздок.
Самым простым и надёжным способом установки правильной опорной частоты является использование высокостабильных кварцевых генераторов, например, от Taitien [2]. Эти генераторы сравнительно дёшевы, стабильны и имеют прецизионную подстройку, если очень нужно такое. Их можно даже использовать в качестве опорных в системах с OFDM.
При использовании генераторов с клипированным синусоидальным сигналом на выходе, он подаётся на контакт 8 CC1101 с помощью несложной схемки, приведённой на следующем рисунке.
Здесь микросхема DD2 используется в качестве усилителя-формирователя.
Не следует обращать внимание на частоту 20 МГц: взято из другого устройства.
Антенна
В документации на CC1101 даны примеры реализации схем согласования со стандартными антеннами с импедансом 50 Ом. На сайте Texas Instrument есть и другие решения вплоть до документации на печатные антенны, которую можно нести на производство печатных плат.
Тем не менее, опыт показывает, что из-за разброса параметров материалов печатных плат, особенностей монтажа и других факторов практически невозможно создать топологию платы такую, чтобы антенна из Application Notes имела именно те параметры, которые от неё ждут, с хорошим согласованием, т.е. эффективность излучения и чувствительность были высокими.
Поэтому применять антенны, которые являются частью топологии платы, нужно с большой осторожностью. И нужно быть готовыми к неожиданностям.
Компания STMicroelectronics производит балуны типа BAL-CC1101-01D3. Их несколько сложно монтировать, но они дают прекрасные предсказуемые результаты. Согласование с любой антенной с импедансом 50 Ом практически идеальное, что позволяет смело использовать готовые покупные антенны.
Очень хорошие результаты даёт сочетание вышеуказанного балуна с антенной типа ANT 868 SP от Linx Technologies. Один из результатов будет описан позднее.
Заключение по радиотракту
В данной главе описаны некоторые сложности, с которыми сталкивается радиоинженер при построении одноранговой сети на базе чипа класса CC1101. Представленные методы позволяют решить проблемы бюджетными методами.
В процессе написания данного текста выявилось столько тонкостей, которые хотелось бы описать, что это может потянуть на небольшой труд :-). Поэтому я решил публиковать материал по главе за раз. Только после полного исчерпания вопросов и уточнений по конкретной главе будет публиковаться следующая.
Введение
Итак, требуется построить простейшую сеть, вид которой представлен на следующем рисунке. Сеть желательно построить, не применяя дорогостоящие анализаторы спектра и прочую аппаратуру для анализа радиотехнических цепей. Также желательно, чтобы ПО было достаточно прозрачным и максимально простым.
Предполагается, что датчики D0...Di...DN имеют автономное питание, а устройство сбора данных подключение к питающей сети или какому-нибудь другому источнику относительно неограниченного питания.
В данном труде предпринимается попытка (очередная :)) систематизировать подходы к построению такой простейшей одноранговой сети для сбора данных с автономных датчиков с точки зрения радиоинженера, обладающего только базовыми знаниями в области программирования.
Предпринята попытка создать устройства на основе покупных изделий такого класса, которые можно просто соединять как конструктор, не применяя дорогостоящие приборы.
Глава 1. Некоторые радиотехнические проблемы и способы их решения
Построение системы по рисунку выше начинается с радиоканала. Если радиоканал плох, то всё остальное если и будет работать, то неважно. И ПО будет заниматься львиную долю времени исправлением дефектов радиоканала. Чтобы такого не было, нужно принимать во внимание следующие аспекты.
Диапазон
Начнём с рабочего диапазона частот. Откроем документ [1], В нём в Приложении 10 отображено следующее:
Здесь видно, что в строке 2 таблицы даны очень соблазнительные данные. Как то, нет ограничения по рабочему циклу. Практический опыт показывает, что данный конкретный интервал частот просто-таки загажен. По крайней мере в Москве. Поэтому, хотя и соблазнительно использовать окно частот по строке 2, лучше обратить внимание на предыдущую строку. Здесь наложены жёсткие ограничения, но тут можно работать с системами сбора данных, которые передают редко и быстро (данные малыми порциями в несколько байт максимум).
Также следует учесть, что в том же документе в Приложении 14 дано следующее:
Данная таблица относится к беспроводным аудиоустройствам типа эстрадных микрофонов.
Один ГКРЧ ведает, почему «неспециализированные устройства» в данном диапазоне нельзя использовать в пределах аэродромов, а радиомикрофоны можно.
Но так или иначе, но если в данном конкретном месте предполагается использование аудио устройств с радиоканалом, то возможны взаимные помехи с системой сбора данных. Это следует учитывать.
Отмечу, что диапазон значительно менее «загажен».
Следует учитывать, что на соседних частотах работают устройства охранной радиосигнализации. Также при наличии под боком сотовой вышки на работе может сказаться и этот фактор.
В бюджетных устройствах весьма сложно реализовать хорошую режекцию соседних диапазонов, а тем более, отфильтровать конкретную узенькую полоску, выделенную из всего возможного диапазона.
При отсутствии анализатора спектра в данной ситуации единственным возможным решением является метод проб и ошибок по поиску более или менее «загаженного» окна. К сожалению.
Также следует учитывать, что при использовании чипов из линейки типа CC1101 промежуточная частота в оных не превышает нескольких сот кГц. Поэтому нужно ещё смотреть, что на зеркальном канале происходит.
Точность установки частоты
Часто при первом запуске созданных устройств на приём/передачу неопытный инженер сталкивается с отсутствием связи даже на самых малых расстояниях при правильно выставленных параметрах. Причина — разброс номиналов кварцевых резонаторов и, соответственно, опорных частот синтезаторов.
В обычном розничном (и не только) «радиомагазине», как правило, доступны кварцевые резонаторы с точностью установки не выше 10 ppm. Т.е. на частоте 26 МГц, которая является стандартной для CC1101, разброс частот составляет 260 Гц. Вроде бы немного. Однако для хорошей дальности и высокой чувствительности при низком объёме передаваемых данных очень заманчивым является применение скорости 1.2 кбод (или ниже) с соответствующей полосой, что сопоставимо с отклонением настройки частоты кварцевого резонатора. Это приводит к ошибкам демодуляции в режимах типа FSK или MSK. Соответственно, неправильный приём header приводит к потере синхронизации и полной потере пакета данных.
Практика показывает, что использование узких полос невозможно при применении обычных кварцевых резонаторов в режиме частотной модуляции. В режимах типа ASK/OOK это менее существенно, но в этом режиме дальность связи значительно меньше.
Требуется либо использование высокоточных резонаторов, либо применять какую-то технологию, позволяющую устранять последствия разброса задающих частот.
В дальнейшем будет приведена простейшая программа, которая даёт возможность выставить рабочую частоту с заданной точностью с использованием бюджетного частотомера. Однако программа хороша при использовании единичных устройств. В случае хоть какой-то серийности метод очень громоздок.
Самым простым и надёжным способом установки правильной опорной частоты является использование высокостабильных кварцевых генераторов, например, от Taitien [2]. Эти генераторы сравнительно дёшевы, стабильны и имеют прецизионную подстройку, если очень нужно такое. Их можно даже использовать в качестве опорных в системах с OFDM.
При использовании генераторов с клипированным синусоидальным сигналом на выходе, он подаётся на контакт 8 CC1101 с помощью несложной схемки, приведённой на следующем рисунке.
Здесь микросхема DD2 используется в качестве усилителя-формирователя.
Не следует обращать внимание на частоту 20 МГц: взято из другого устройства.
Антенна
В документации на CC1101 даны примеры реализации схем согласования со стандартными антеннами с импедансом 50 Ом. На сайте Texas Instrument есть и другие решения вплоть до документации на печатные антенны, которую можно нести на производство печатных плат.
Тем не менее, опыт показывает, что из-за разброса параметров материалов печатных плат, особенностей монтажа и других факторов практически невозможно создать топологию платы такую, чтобы антенна из Application Notes имела именно те параметры, которые от неё ждут, с хорошим согласованием, т.е. эффективность излучения и чувствительность были высокими.
Поэтому применять антенны, которые являются частью топологии платы, нужно с большой осторожностью. И нужно быть готовыми к неожиданностям.
Компания STMicroelectronics производит балуны типа BAL-CC1101-01D3. Их несколько сложно монтировать, но они дают прекрасные предсказуемые результаты. Согласование с любой антенной с импедансом 50 Ом практически идеальное, что позволяет смело использовать готовые покупные антенны.
Очень хорошие результаты даёт сочетание вышеуказанного балуна с антенной типа ANT 868 SP от Linx Technologies. Один из результатов будет описан позднее.
Заключение по радиотракту
В данной главе описаны некоторые сложности, с которыми сталкивается радиоинженер при построении одноранговой сети на базе чипа класса CC1101. Представленные методы позволяют решить проблемы бюджетными методами.
Ссылки
[1] Решение ГКРЧ от 28 апреля 2008 г. № 08-24-01-001
[2] 3.2 x 2.5 mm SMD Voltage Controlled Temperature Compensated Crystal Oscillator ( http://www.taitien.com/wp-content/uploads/2015/12/XO-0076_TX.pdf)
[3] СС1101 под управлением PIC-контроллера или построение одноранговой сети для радиоинженера. Часть 1
[2] 3.2 x 2.5 mm SMD Voltage Controlled Temperature Compensated Crystal Oscillator ( http://www.taitien.com/wp-content/uploads/2015/12/XO-0076_TX.pdf)
[3] СС1101 под управлением PIC-контроллера или построение одноранговой сети для радиоинженера. Часть 1