Układ nadajnika

Nadajnik systemu MIMO został przystosowany do pracy w nielicencjonowanym paśmie ISM 433MHz, w którym urządzenia nadające z mocą nieprzekraczającą 10dBm (10mW) mogą działać bez jakichkolwiek zezwoleń. Pasmo to jest bardzo często wykorzystywane do komunikacji w bezprzewodowych układach automatyki budynkowej, w pilotach samochodowych oraz innych urządzeniach powszechnego użytku. W paśmie tym ciągłe transmisje danych należą do rzadkości, natomiast krótkotrwałe zakłócenia typu burst zdarzają się przeważnie raz na kilka lub kilkanaście minut. Są to odstępy czasu, które nie stanowią źródła zakłóceń mogącego w istotny sposób zafałszować wyniki pomiarów prowadzonych badań.

W systemach MIMO praca na tak niskiej częstotliwości fali nośnej jest w zasadzie niespotykana, gdyż minimalna odległość wzajemna anten w tym przypadku wynosi około 35cm (połowa długości fali), co uniemożliwia ich montaż w urządzeniach przenośnych takich jak telefony lub laptopy. W opracowanym zespole nadawczo-odbiorczym zdecydowano się na wybór pasma 433MHz tylko ze względu na dostępność elementów elektronicznych oraz parametry posiadanego sprzętu pomiarowego.

W konstrukcji nadajnika wyróżniono kilka podstawowych bloków funkcjonalnych:  układ zasilania (SUPPLY),

 dwa wzmacniacze mocy wysokiej częstotliwości (PA1, PA2),  generator fali nośnej (OSC),

 układ syntezy częstotliwości (SYNTH),

 układ regulacji mocy wyjściowej nadajników (POWER CTRL),  procesor sterujący (CONTROL),

 moduł komunikacyjny RS232 (RS232).

38 OSC SYNTH PA1 PA2 CONTROL POWER CTRL RS232 T1 T2 mod_Q m o d _ I OSC carr_I carr_Q SUPPLY

Rys. 4.2. Schemat blokowy nadajnika systemu MIMO

Układ nadajnika zmontowany został w technologii montażu powierzchniowego na dwustronnej płytce drukowanej (rys. 4.3). Elementy zasilające, mimo że wymieniono je jako część składową nadajnika, znajdują się poza jego głównym modułem.

Rys. 4.3. Zmontowana płytka drukowana

nadajnika systemu MIMO

Wszystkie bloki nadajnika systemu MIMO zasilane są z pojedynczego źródła napięcia o wartości +5V. Ze względu na niski pobór prądu, wykorzystano najprostszy dostępny stabilizator liniowy LM7805.

39 Układ wzmacniaczy mocy wysokiej częstotliwości zrealizowano na tranzystorach bipolarnych BFR93A, pracujących w układzie wspólnego emitera CE. Uproszczony schemat ideowy wzmacniacza przedstawiono na rysunku 4.4.

GND PWR GND OSC MOD ANT

Rys. 4.4. Uproszczony schemat ideowy wzmacniacza mocy

wysokiej częstotliwości

Na jedno z wejść wzmacniacza mocy podawany jest sygnał OSC generatora fali nośnej o częstotliwości 433MHz. Amplituda tego sygnału jest niższa od progowego napięcia przewodzenia złącza baza-emiter, dzięki czemu przy braku polaryzacji bazy nie dochodzi do wprowadzenia tranzystora w stan przewodzenia. Na drugie wejście układu podawany jest cyfrowy sygnał modulujący MOD, który poprzez dzielnik rezystancyjny umożliwia spolaryzowanie bazy i załączenie wzmacniacza mocy wysokiej częstotliwości. W wyniku zmiany napięcia polaryzującego uzyskujemy efekt kluczowania amplitudy fali nośnej zwany modulacją OOK. Cyfrowy przebieg modulujący poddawany jest filtracji dolnoprzepustowej w celu usunięcia wyższych harmonicznych i zawężenia widma sygnału radiowego.

Wzmacniacz wysokiej częstotliwości zasilany jest napięciem PWR, które pochodzi z układu kontroli mocy. Zmiana poziomu tego napięcia decyduje o amplitudzie sygnału wyjściowego wzmacniacza, zapewniając prosty i skuteczny mechanizm regulacji mocy wyjściowej toru radiowego. Mechanizm ten nie jest potrzebny do poprawnej pracy sensorów, jednak został wprowadzony w urządzeniu testowym w celu uproszczenia pomiarów bitowej stopy błędów.

W przypadku prostych urządzeń nadawczych pracujących w paśmie 433MHz, do których należą różnego rodzaju piloty radiowe, bezprzewodowe czujniki ruchu, moduły telemetryczne oraz elementy automatyki budynkowej, wyróżnić można dwie podstawowe metody generacji fali nośnej. Do pierwszej z nich należą oscylatory wykorzystujące obwód rezonansowy LC, w których elementem indukcyjnym jest często odpowiednio ukształtowana ścieżka na płytce drukowanej, natomiast kondensator o zmiennej pojemności służy do precyzyjnego dostrojenia częstotliwości pracy. Generatory tego typu charakteryzują się stosunkowo niską stabilnością częstotliwości, a na etapie produkcji wymagają przeprowadzenia dodatkowych czynności

40 regulacyjnych. Wady te zostały wyeliminowane w konstrukcjach generatorów zbudowanych na bazie filtrów ze stojącą falą powierzchniową SAW, które dla omawianego pasma ISM dostrojone są do częstotliwości 433,92MHz. Filtry SAW charakteryzują się stabilnymi parametrami pracy, jednakże poza drobną korektą nie dają możliwości zmiany generowanej częstotliwości. Oba typy wymienionych generatorów są najczęściej zintegrowane z kluczowanym wzmacniaczem mocy wysokiej częstotliwości stanowiąc kompletny układ nadajnika OOK. Rozwiązanie oparte na filtrach SAW wydaje się być najlepszym, mogącym znaleźć zastosowanie do budowy bezprzewodowych sieci sensorycznych.

W omawianym zespole nadawczo-odbiorczym zdecydowano się na zastosowanie stosunkowo złożonej konstrukcji generatora, opartej na układzie syntezy częstotliwości. Rozwiązanie to poza wysoką stabilnością pracy, umożliwia regulację częstotliwości w szerokim zakresie przez zapis odpowiednich współczynników do rejestrów układu syntezy. Cecha ta jest szczególnie istotna ze względu na przyjętą w założeniach konstrukcyjnych możliwość zdalnej zmiany parametrów pracy nadajnika.

Schemat blokowy układu syntezy częstotliwości przedstawiono na rysunku 4.5.

Rys. 4.5. Schemat blokowy układu syntezy częstotliwości

Generator fali nośnej zbudowano w oparciu o dedykowany układ scalony MAX2620 firmy Maxim, składający się z oscylatora przestrajanego napięciem VCO (Voltage Controlled

Oscillator) oraz dwóch buforów o niskiej impedancji wyjściowej. Bufory stanowią element

separujący generator VCO, obniżając niekorzystny wpływ elementów obciążenia na parametry jego pracy. Sygnał wyjściowy OSC układu MAX2620 jest w dalszej części nadajnika przebiegiem wejściowym wzmacniaczy mocy wysokiej częstotliwości (rys. 4.4).

Kontrolę częstotliwości pracy generatora VCO zrealizowano za pomocą układu syntezy LMX2316 firmy National Semiconductor (SYNTH). Wzorcem częstotliwości jest zewnętrzny generator kwarcowy 4MHz, na podstawie którego wewnętrzne dzielniki syntezy wytwarzają przebieg odniesienia f_ref 10kHz. Jest on następnie porównywany w komparatorze fazy z podzieloną przez współczynnik N częstotliwością generatora VCO, dając sygnał błędu

41 Częstotliwość przebiegu generowanego w układzie syntezy częstotliwości wyrażona jest wzorem:

(4.1)

W trakcie pomiarów pierwszego prototypowego egzemplarza nadajnika, układ syntezy pracował stabilnie tylko w przypadku, gdy oba wzmacniacze mocy wysokiej częstotliwości były nieaktywne. Załączenie przebiegów modulujących i rozpoczęcie nadawania, prowadziło do silnych wahań częstotliwości wyjściowej. Próby ekranowania układu syntezy, a także separacja napięć zasilających nie doprowadziła do eliminacji tego niekorzystnego zjawiska, co mogło świadczyć o dużej wrażliwości układu LMX2316 na zewnętrzne pola elektromagnetyczne. Problem został usunięty po znacznym zwiększeniu stałej czasowej filtru

LPF, jednakże czas potrzebny na stabilizację częstotliwości pracy po zmianie wartości

rejestru N wydłużył się do około 9 sekund. Przebieg napięcia strojenia generatora VCO po załączeniu zasilania przedstawiono na rysunku 4.6.

Rys. 4.6. Przebieg napięcia strojenia generatora VCO

po załączeniu napięcia zasilającego

Amplituda sygnału wyjściowego wzmacniaczy wysokiej częstotliwości, których uproszczony schemat ideowy przedstawiono na rysunku 4.4 jest funkcją napięcia zasilającego, stąd opracowanie układu programowej zmiany jego poziomu umożliwiało zdalną kontrolę mocy wyjściowej. W tym celu wykorzystano wbudowany w procesor modulator szerokości impulsów PWM (Pulse Width Modulation).

42

Rys. 4.7. Układ regulacji napięcia zasilającego

wzmacniacze mocy

Sygnał PWM jest przebiegiem cyfrowym o stałej częstotliwości i amplitudzie, w którym zmianie ulega współczynnik wypełnienia impulsów, a tym samym wartość średnia napięcia tego sygnału. Po przeprowadzeniu filtracji w dolnoprzepustowym filtrze LPF otrzymujemy składową stałą wprost proporcjonalną do współczynnika wypełnienia. Napięcie stałe z wyjścia filtru LPF jest następnie wzmacniane prądowo we wtórniku napięciowym z kompensacyjną kontrolą wartości napięcia wyjściowego. Rozwiązanie takie cechuje się znikomym wpływem wielkości obciążenia na wahania napięcia zasilającego stopnie wzmacniaczy, co jest szczególnie istotne ze względu na minimalizację przesłuchów pomiędzy sąsiednimi torami radiowymi.

Elementem sterującym pracą nadajnika systemu MIMO jest układ ATmega32-16AU, należący do rodziny procesorów AVR firmy ATMEL. Procesor posiada architekturę RISC i pojedynczą instrukcję programu wykonuje w jednym lub dwóch cyklach zegara taktującego. Jego szybkość obliczeniowa znacznie przekracza wymagania stawiane przez procedury kodowania danych, jednak ze względu na swoją popularność i dostępność został zastosowany w prototypowym układzie nadajnika.

Zestaw sygnałów procesora, istotnych z punktu widzenia pracy nadajnika przedstawiono na rysunku 4.8.

Rys. 4.8. Sygnały zewnętrzne procesora sterującego

Procesor taktowany jest generatorem kwarcowym pracującym z częstotliwością 14,7456MHz. Wartość ta zbliżona jest do górnej dopuszczalnej granicy, ustalonej przez

43 producenta procesora na 16MHz, co zapewnia wysoki stopień wykorzystania możliwości obliczeniowych układu i jednocześnie zapewnia uzyskanie standardowych prędkości transmisji portu komunikacyjnego.

Sygnały modulujące DATA1 i DATA2 po przejściu przez filtry dolnoprzepustowe, usuwające z przebiegu wyższe harmoniczne, podawane są na wejścia kluczujące MOD wzmacniaczy wysokiej częstotliwości. Szybkość bitowa każdego z kanałów DATAn wynosi 4800 bit/s, co przy dwóch torach nadawczych daje łącznie 9600 bit/s w kanale radiowym. Ze względu na niewielką złożoność obliczeniową algorytmów kodowania po stronie nadawczej, możliwości procesora pozwalają na znaczne zwiększenie wymienionych szybkości przesyłu danych, jednak zdecydowano się na pozostawienie ich na powyższym poziomie ze względu na ograniczenia po stronie odbiorczej. Procedury dekodowania danych wymagają zdecydowanie większej szybkości obliczeniowej i są głównym czynnikiem ograniczającym prędkość transmisji danych.

Sygnał RS jest wyjściem portu komunikacyjnego USART procesora. Ze względu na jego zgodność ze standardem TTL, przed przesłaniem danych do komputera dokonuje się konwersji poziomów logicznych do wartości występujących na liniach RS232. Szybkość transmisji portu komunikacyjnego wynosi 19200 bit/s, jednakże w razie potrzeby może być kilkukrotnie podniesiona.

Złącze SPI służy do programowania pamięci Flash procesora i nie jest wykorzystywane w trakcie normalnej pracy układu.

Procesor komunikuje się z układem syntezy częstotliwości LMX2316 poprzez trójprzewodowy, dwukierunkowy interfejs szeregowy oznaczony symbolem FREQ.