Широкополосные технологии в трансиверах Semtech-Xemics

Многие производители радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) давно и успешно применяют в своих разработках ВЧ-трансиверы Semtech-Xemics (швейцарская компания Xemics вошла в состав Semtech в 2005 году).

Основные характеристики радиомодулей Semtech для поверхностного монтажа приведены в таблице.

В качестве модуляции в трансиверах Semtech используется широко распространенная частотная манипуляция (Frequency Shift Keying, FSK. Поступающие для передачи биты управляют скоростью линейного нарастания текущей фазы. FSK-сигнал, полученный таким образом, называется частотно-манипулированным сигналом с непрерывной фазовой функцией (Continuous Phase Frequency Shift Keying — CPFSK).

Приемники трансиверов идентичны между собой и построены по схеме с прямым преобразованием частоты. Достаточно часто также встречается другое название — приемник с нулевой или промежуточной частотой (Zero-IF).

Основные вопросы, которые обычно интересуют разработчиков радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) — это дальность радиосвязи, помехозащищенность и т. п. Сразу остановимся на таком понятии, как дальность связи. Поскольку излучаемая мощность электромагнитной энергии уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, ее увеличение не сильно влияет на дальность. Гораздо большего эффекта здесь может принести правильный выбор антенн, использование более сложных режимов работы самого трансивера, а также программирование его на более низкую скорость передачи данных.

Многие разработчики останавливаются на использовании простого базового режима работы трансивера со стандартным NRZ (Non return to zero) кодированием потока данных от пользователя, который как правило проще настраивать и использовать. Но на наш взгляд трансиверы Semtech имеют еще и некоторые аппаратные возможности для построения систем с расширением спектра сигнала. Рассмотрим эти особенности подробнее.

Радиомодуль DP1203 на базе трансивера XE1203F и кодек Баркера

Одной из интересных характеристик трансивера XE1203F по сравнению с другими компонентами этого класса является наличие аппаратного блока расширения спектра сигнала прямой последовательностью — Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS).

При активировании режима DSSS каждый бит данных кодируется 11-разрядным кодом Баркера 101 1011 1000 или 0x5B8h. Этот код является уникальным, и из рис. 1 видно, что автокорреляционная функция кода Баркера обладает ярко выраженным автокорреляционным пиком. Таким образом, расширяется база сигнала, то есть он становится широкополосным.

Рис. 1. График автокорреляционной функции 11-разрядного кода Баркера

В приемнике полученный сигнал после умножения на код Баркера снова становится узкополосным. Слабокоррелированная помеха после умножения на код Баркера, наоборот, становится широкополосной, поэтому в узкую полосу фильтра попадает лишь ее малая ослабленная часть.

Использование узла DSSS в трансивере XE1203F (рис. 2) является альтернативой для его основного режима работы с использованием блоков бит-синхронизатора и аппаратного распознавания входных данных (PATTERN detection). Частота передачи данных здесь фиксирована и составляет 1154 бод. При активировании DSSS узлы бит-синхронизатора и PATTERN-детектора должны быть выключены в соответствующих регистрах трансивера.

Рис. 2. Внутренняя конфигурация трансивера XE1203F при активировании режима DSSS

В передатчике изначально узкополосный сигнал умножается на высокоскоростную последовательность Баркера. Каждый импульс этой последовательности называется отсчетом или чипом, а скорость последовательности называется скоростью дискретизации (chip rate). Далее, чипы, без предварительной фильтрации, напрямую управляют синтезатором частот, то есть являются модулирующим сигналом для передатчика. Скорость передачи чипов составляет 12,7 кчип/с.

На приеме этот поток, уже выделенный FSK-демодулятором, со скоростью 12,7 кчип/с поступает на декодер Баркера, который преобразует его в последовательность данных, имеющих скорость 1154 бод. Декодер Баркера также формирует синхросигнал DCLK, подающийся на управляющий микроконтроллер для тактирования выборки декодированной информации.

Каждый чип, попадая в декодер, сравнивается с 11-ю эталонными битами последовательности Баркера. Во время сравнения происходит 8 временных выборок, и каждая такая выборка сравнивается с эталонным значением при помощи операции «исключающее или-не».

Выходной сигнал с элемента «исключающее или-не» попадает на вход счетчика, который подсчитывает количество совпадений (то есть интегрирует), и таким образом формирует код амплитуды проинтегрированного сигнала сравнения, который может принимать значения от 88 (макс.) до 0 (мин.) (88 = 11 бит * 8 выборок). Причем 88 совпадений соответствуют идеальному приему логической “1”, а 0 совпадений соответствуют идеальному приему логического “0”

Когда амплитуда сигнала сравнения достигает уровня, определенного внутренним регистром трансивера ADParam_Sync_thres, на выходе DCLK формируется синхроимпульс. Если амплитуда сигнала сравнения превышает значение, заданное регистром ADParam_Trac_thres, считается, что принята логическая «1». Аналогично формируется “0” и его сигнал строба.

Если регистр ADParam_Сhge_thres установлен в «0», тогда порог синхронизации и порог срабатывания уровня являются заданными по умолчанию. При этом счетчик неправильно обнаруженных (потерянных) битов устанавливается по умолчанию равным 50. Если этот регистр установлен в «1», порог синхронизации задается регистром ADParam_Sync_thres, порог срабатывания уровня задается регистром ADParam_Trac_thres, а счетчик потерянных битов задается регистром ADParam_Sync_loss.

Значения основных регистровых параметров по умолчанию следующие (при условии, что ADParam_Сhge_thres установлен в “1”): Sync thres (1) = 71; Track thres (1) = 62; Sync thres (0) = 17 (=88-71); Track thres (0) = 28 (=88-62);

Итак, для более точной настройки нам нужно правильно запрограммировать следующие основные регистры, отвечающие за режим DSSS:

• ADParam_Sync_thres: Этот регистр задает порог синхронизации для логической «1», при условии, что ADParam_Сhge_thres = 1. При этом порог синхронизации для логического «0» = 88 — ADParam_Sync_thres
• ADParam_Trac_thres: Этот регистр задает порог срабатывания логической «1», при условии, что ADParam_Сhge_thres = 1. При этом порог срабатывания логического «0» = 88 — ADParam_Trac_thres.
• ADParam_Sync_loss: Этот регистр задает количество неправильно обнаруженных чипов, после которого происходит потеря синхронизации. Регистр активен, если ADParam_Сhge_thres = 1.

Недавно компания Semtech разработала и запустила в серию новый модуль DP1283, построенный на основе чипа XE1283 — однокристального сочетания трансивера XE1203F и 8-разрядного экономичного микроконтроллера XE88LC06A/07A с RISC-архитектурой.

Как и базовые модули DP1203F и DP1205F, модуль DP1283 спроектирован для быстрого внедрения в конечное устройство. Он не требует от разработчика глубоких знаний по ВЧ-схемотехнике, а также использования дополнительных внешних компонентов, кроме антенны.

Для поддержки и демонстрации возможностей модуля DP1283 фирма Semtech опубликовала полный проект “Wireless RS232” с исходными текстами на языке С. Архив проекта можно скачать по адресу: http://www.eltech.spb.ru/pdf/semtech/240/wireless_rs232.zip. /ссылка утрачена/

Метод частотных скачков, используемый в трансивере XE1205F

В отличие от трансиверов XE1203 и XE1283, трансивер XE1205F (и модуль DP1205 на его основе) является узкополосным устройством. Наименьшее значение внутреннего полосового фильтра, которое можно установить 2-разрядным конфигурационным регистром, составляет 10 кГц (используя специальные дополнительные настройки, это значение можно уменьшить даже до 7 кГц!).

Эта возможность позволяет использовать XE1205 для специфических узкополосных приложений. Использовать сужение полосы можно, если скорость передачи данных и девиация частоты не будет превышать значений 4800 бод и 5 кГц соответственно, и при условии, что тактовая частота опорного генератора стабилизируется резонатором, имеющим высокую стабильность, или используется частотная коррекция.

В трансивере используется 16-байтный буфер FIFO для хранения передаваемых или принимаемых байтов данных. Байты данных передаются и принимаются из буфера FIFO по внешнему стандартному 3-проводному последовательному интерфейсу SPI.

Узкополосность, а также малое время восстановления передатчика при переключении между каналами (~250 мкс) позволяют трансивер XE1205 для построения радиосистем, использующих метод частотных скачков (FHSS).

Метод частотных скачков подразумевает, что вся отведенная для передачи полоса рабочих частот разделяется на определенное количество частотных каналов. Каждому каналу соответствует определенный временной сегмент (тайм-слот) некоторой продолжительности, определяемый техническими возможностями трансивера. Передатчик и приемник в каждый момент времени используют только один канал. Скачки с канала на канал происходят синхронно в некоторой последовательности (например, линейной или псевдослучайной).

Рис. 3. Фаза синхронизации для режима приема

Рис. 4. Фаза синхронизации для режима передачи

Рассмотрим построение FSSS-системы. Здесь можно выделить две основных фазы работы. В первой фазе (рис. 3, 4), передатчик и приемник синхронизируются на каком-нибудь канале, а затем, во второй фазе (рис. 5, 6), синхронно переходят на предопределенный канал для обмена данными. Здесь необходимо предусмотреть различные ситуации, как например, потерю пакета данных и т. п.

Рис. 5. Фаза обмена данными для приемника

Рис. 6. Фаза обмена данными для передатчика

В фазе синхронизации приемник “слушает” какой-то один канал, а передатчик, сканируя все каналы по очереди, передает слово “SYNC”. Когда передатчик с приемником окажутся на одном канале, приемник примет “SYNC”, а затем пошлет в ответ “ACK”. Таким образом, на первой фазе произойдет синхронизация и можно будет перейти к фазе обмена, а затем синхронно перескочить на другой предопределенный канал и т. д.

Для иллюстрации приведем четыре функциональных алгоритма: для режимов приема и передачи на этапах синхронизации и обмена данными. Для упрощения в алгоритмах показан простой линейный перебор каналов по нарастающей.

Полный проект построения FHSS-системы на базе трансивера DP1205 с исходными текстами на языке С можно скачать по адресу http://www.eltech.spb.ru/pdf/semtech/239/fhss.zip. /ссылка утрачена/

Метод можно применять как в трансивере DP1205, так и в широкополосных трансиверах DP1203 и DP1283. Правда, в последних двух не получится сформировать такое большое количество частотных каналов, как в узкополосном DP1205.

Резюме

Наличие аппаратного блока расширения спектра сигнала прямой последовательностью в трансиверах Semtech позволяет этим устройствам работать практически на уровне шумов. Поэтому их можно использовать для построения низкоскоростных помехозащищенных телеметрических систем, для снижения интерференции в каналах и уменьшения влияния внутриполосных помех, а также для работы в “зашумленных” местах.

Метод частотных скачков, реализованный в трансиверах Semtech, обеспечивает хорошую конфиденциальность и помехозащищенность передачи данных по радиоканалу. Помехозащищенность обеспечивается тем, что если на каком-либо канале приемник не смог принять передаваемый пакет, то он сообщает об этом передающей стороне и отправка пакета повторяется на одном из следующих частотных каналов.