Vítejte, dnes je
pátek
17.
květen
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky 
S bezdrátovou komunikací se sice potkáváme všude okolo nás, ale jak vysokofrekvenční (vf) technologie ve skutečnosti pracují, může být často záhadou. Základní představu o AM či FM vysílání zřejmě máme, ovšem celé téma již může vypadat docela odborně, takže snad bude nejlepší nechat ho těm, kteří se „vyznají“. Základy pro vysílání a také příjem informací, ať již půjde o hlas, či data, se za posledních čtyřicet let zásadně změnily. V honbě za rostoucími rychlostmi je zpracování a přenos dat prostřednictvím vf signálu, kdy také hovoříme o modulaci, mnohem kvalitnější. Mohou za to i některé sofistikované metody.
V článku si vysvětlíme některé základní principy bezdrátové komunikace a také způsoby modulace sloužící k přenosu hlasu či dat. U modulací pak nebudeme zacházet až k matematice, ale zaměříme se na hlavní přístupy a jejich vzájemné porovnání.
Úvod k bezdrátové vf komunikaci a kmitočtovému spektru
Pokud v současné době hovoříme o něčem bezdrátovém, máme tím zřejmě na mysli věci okolo nás, jako je chytrý telefon a rozhraní Wi-Fi® či Bluetooth®. Spíše než rozhlas možná posloucháme svou oblíbenou stanici na chytrém reproduktoru nebo se ještě bezdrátově připojujeme k domácímu routeru.
Některé věkové skupiny budou ještě dobře znát pojmy, jako jsou střední a také krátké vlny, které se dříve používaly k popisu frekvencí, na kterých rozhlasové stanice vysílaly. AM stanice na středních vlnách vysílající v pásmu 500 kHz až 1,7 MHz jsou stále ve hře, podobně jako krátkovlnné stanice s dlouhým dosahem, které využívají oblast od 3 MHz do 18 MHz. Vedle chytrého reproduktoru dnes ale hudbu a zprávy naladíme zejména v pásmu FM, tedy na VHF (very high frequency), resp. jako DAB (digital audio broadcasting). Většina lidí pak místní nebo i celostátní vysílání poslouchá v pásmech VHF či UHF (ultra-high frequency), které leží od 88 MHz do 240 MHz.
Digitální přenos dat, který využívá bezdrátové komunikace, zahrnuje rozhraní Wi-Fi, Bluetooth a ZigBee. To se již nacházíme v kmitočtovém rozsahu 2,4 GHz a u Wi-Fi pak rovněž na 5 GHz. Bezdrátové síťové protokoly provozované na delší vzdálenosti, jako je LoRa nebo Sigfox, zase využívají pásmo do 1 GHz, okolo 800 MHz. A v případě chytrých telefonů zde konečně máme skupinu frekvencí 900 MHz, 1 800 MHz, 2 700 MHz, 4 600 MHz a 6 000 MHz.
Základy bezdrátového přenosu
Ať již budeme přenášet hlas a analogové signály, nebo i digitální data, vysokofrekvenční komunikace zde obnáší superpozici či modulaci hlasu nebo dat na „nosném“ vf signálu. K dispozici zde máme opravdu různé druhy modulací, přičemž každou z nich provází specifické vlastnosti, takže nakonec vyhoví konkrétní formě komunikace. Některé jsou přímé a jiné zase složitější, takže se při zpracování neobejdeme bez většího výkonu. Když pak u signálu dochází k příjmu, získáváme hlas či data z vf nosné na základě opačného postupu, tedy demodulací.
Obr. 1 nám teoreticky znázorňuje funkční blokový diagram jednoduchého vysílače s amplitudovou modulací (AM). Zvukový signál přicházející z mikrofonu (ωa) je zesílen a přiveden do frekvenčního směšovače. Symbol baterie zde ukazuje, že audio signál bude mít kladné DC předpětí. Dalším vstupem směšovače je vf sinusový oscilátor (ωc), tedy nosná, řekněme 1 000 kHz. Smícháním posunutého audio signálu s vf průběhem vznikají dva produkty, (ωc + ωa) a (ωc – ωa).
Obr. 1 Jednoduchý vysílač s amplitudovou modulací AM (zdroj: Mouser)
Na obr. 2 pak vidíme, jak to vypadá v kmitočtovém spektru pro pevně daný audio vstup 1 kHz. Výsledkem je horní (1 001 kHz) a také dolní (999 kHz) postranní pásmo. Amplituda nosného signálu a také amplitudy u postranních pásem se budou lišit v závislosti na amplitudě audio signálu. Obr. 3 dále ukazuje blokový diagram AM přijímače. K příjmu vf signálu a jeho demodulaci systém používá metodu superheterodynu – „superhet“. Nalezneme zde směšovač, to abychom docílili jedné mezifrekvence 455 kHz, takže lze při demodulaci „detekovat“ audio AM signál. Řešení pak smíchá signál z místního oscilátoru (LO) se vstupními vf signály. Díky zavedení mezifrekvence bude jednodušší optimalizovat obvody přijímače pro jeden kmitočet spíše než pro celou řadu frekvencí. K příjmu 1MHz signálu je nyní poplatně součtu místní oscilátor nastaven na 1 MHz + 455 kHz = 1,455 MHz. Rozdíl mezi oběma signály bude filtrován v mf filtru typu pásmové propusti a před demodulací ještě dochází k zesílení.
Obr. 2 Spektrum nosného kmitočtu 1 000 kHz pro amplitudově modulovaný signál (zdroj: Mouser)
Digitální přenos dat je umožněn formou amplitudové modulace označované jako ASK (amplitude shift keying). Amplituda pevně dané nosné je nastavena tak, aby indikovala dva binární stavy – zapnuto a vypnuto – vysoká amplituda pro jedničku a nízká úroveň zase pro nulu, příp. se u log. 0 nepoužije žádná nosná. Každý, kdo již někdy poslouchal kolísavé vysílání v pásmu AM, ví, co s příjmem dokážou udělat atmosférické vlivy a okolní elektrické rušení, takže spolehlivost datového přenosu zde bude relativně nízká. Pokud jde ale o samotnou realizaci, dostáváme tak zcela přímý a také levný způsob modulace signálu.
Další analogovou metodou, která je běžně využívána pro místní stanice v pásmu VHF, se stává kmitočtová modulace FM. Audio signál zde okamžitě ovlivňuje frekvenci nosného signálu, přičemž amplituda nosné se na rozdíl od AM nemění. K přenosu digitálních dat zase poslouží metoda FSK (frequency shift keying) využívající k signalizaci jedniček a nul samostatné kmitočty v blízké vzdálenosti. FM systémy jsou méně náchylné na elektrické interference a také rušení při šíření signálu, takže budou z pohledu vysílání a přenosu dat ideálním řešením. K přenosu digitální informace slouží též fázová modulace PM stavějící na změnách fáze nosného signálu, zatímco se kmitočet společně s amplitudou nosné nemění.
Obr. 3 Blokový diagram superheterodynu – „superhetu“, přijímače AM vysílání (zdroj: Mouser)
Modulace je docela složité téma a k popisu své činnosti může vyžadovat spoustu matematiky. V tomto krátkém článku máme prostor jen k představení základních konceptů, ale než tuto širokou oblast opustíme, pojďme se ještě krátce zmínit o kvadraturní modulaci. Kvadraturní amplitudová modulace QAM je digitální modulací, která dokáže přenést jeden nebo i více datových toků. Aby zvýšila objem přenesených dat, využije způsobů amplitudové i fázové modulace. Nosné signály jsou buď ve fázi (I), nebo kvadraturně mimo fázi (Q). Jak systém QAM pracuje, nám názorně ukáže polární či konstelační diagram. Na obr. 4 vidíme signál 4-QAM se čtyřmi možnými stavy v kombinacích amplitudy a fáze. Pro fáze zde přitom uvažujeme úhly +45, +135, -45 nebo -135 stupňů.
Obr. 4 Konstelační diagramy pro signály 4-QAM a 256-QAM (zdroj: Mouser)
Signál 4-QAM bude tedy mít čtyři možné stavy složené ze dvou bitů. Pokud ale pro amplitudu a fázi použijeme větší počet kombinací, dokážeme u signálu zvýšit i hustotu bitů. Konstelační diagram na obr. 4 vpravo např. znázorňuje signál 256-QAM s osmi datovými bity, které lze takto reprezentovat.
Moderní vf koncepty pro softwarově definované rádio
Dostupnost špičkových procesorů ve stylu FPGA, GPU a DSP umožnila vývojářům provádět klíčové zpracování signálu přímo na „křemíku“. Složité matematické metody modulace a demodulace jsou ideální pro algoritmické zpracování, tedy trend, který odstartoval v sedmdesátých letech a v současné době se rychle stává pravidlem.
Termín SDR (software-defined radio) se nyní hojně používá k popisu mnoha stránek zpracování v rámci signálového řetězce, ke kterému spíše než s využitím diskrétních analogových součástek dochází právě uvnitř integrovaného obvodu. Spousta funkcí AM přijímače (superhetu) a také vysílače, jak je také popisovaly obr. 1 a 3, je nyní pouze jednou součástí jediného IO – SDR transceiveru. Některé tradiční analogové funkce, jako jsou front-end přijímače a jejich filtr typu pásmové propusti nebo též koncový stupeň výkonového zesilovače na vysílací straně, stále používají diskrétní součástky, ovšem flexibilní a softwarově založené IO transceiveru mohou zvládat všechno ostatní.
Jako příklad obvodu vf transceiveru s vysokou mírou integrace si uveďme ADRV9003 od společnosti Analog Devices dle obr. 5. ADRV9003 zde zahrnuje jednokanálový transmitter a receiver se dvěma kanály. Pokrývá přitom rozsah od 30 MHz do 6 000 MHz společně se šířkou pásma signálu 12 kHz až 40 MHz. Výstupní výkon vysílače přesahuje ve spektru +7 dBm. Místo mezifrekvence transceiver používá přímou konverzi, jak již bylo vysvětleno dříve. K příjmu a také vysílání se tak použije místní oscilátor pracující na požadovaném kmitočtu. ADRV9003 dále nabízí sofistikované kvadraturní funkce pro korekci chyb, včetně programovatelných digitálních filtrů, takže se dokážeme vyhnout i dodatečným obvodům. Díky vývodům GPIO, A/D převodníkům (ADC) a také D/A převodníkům (DAC) pak mohou vývojáři navrhnout funkce pro monitorování a řízení.
Obr. 5 Funkční blokový diagram širokopásmového integrovaného vf transceiveru ADRV9003 firmy Analog Devices (zdroj: Analog Devices)
CMX994od CML Microcircuits je zase integrovaným receiverem s přímou konverzí a I/Q demodulátorem, schopný pracovat od 30 MHz do 1 000 MHz. Funkční blokový diagram obvodu CMX994 vidíme na obr. 6, společně se způsobem využití některých dalších externích součástek či funkcí, takže lze vytvořit ucelené řešení přijímače. Integrované obvody nám rovněž řeší dílčí funkce coby součást složitějšího systému bezdrátové komunikace. Příkladem je TRF3705 od firmy Texas Instruments – integrovaný „double-balanced“ kvadraturní modulátor v pásmu 300 MHz až 4 000 MHz. Převádí zde modulované vstupní signály v základním pásmu na vf kmitočty a obvykle se používá v mobilních základnových stanicích. Řada Si4432 od Silicon Labs konečně nabízí nízkopříkonový transceiver s vysokou mírou integrace, vhodný pro aplikace v pásmu ISM (industrial, scientific a medical) od 240 MHz do 960 MHz, viz obr. 7. Si443x má výstupní vf výkon +20 dBm a bude se hodit pro levné a sériově vyráběné přívěšky na klíče sloužící k dálkovému ovládání, k řízení hraček nebo do senzorů v zabezpečovacích alarmech pro domácnosti.
Obr. 6 Klíčové funkce integrovaného receiveru, obvodu CMX994 s přímou konverzí od CML Microcircuits (zdroj: CML Microcircuits)
Obr. 7 Blokový diagram transceiveru Silicon Labs Si443x EZRadioPRO (zdroj: Silicon Labs)
Začínáme s vf technikou
V tomto stručném článku jsme si ukázali, jakým způsobem dochází k přenosu informací bezdrátovou cestou. Zároveň jsme v krátkosti prozkoumali základní principy modulace a demodulace, takže lze informaci superponovat na vf vlny a překrýt přitom bez vodičů krátké, ale i delší vzdálenosti. Moderní rádiové systémy pak stále více používají softwarově definované metody coby flexibilní, svižné a také rekonfigurovatelné způsoby řešení systémů bezdrátové komunikace.
K dalšímu seznámení s oblastí vf komunikace doporučujeme experimenty s oblíbenými levnými sadami SDR, jako je Pluto od Analog Devices [1].
Odkazy:
