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].
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).
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.
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).
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.
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].
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].
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).
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.