Рис. 3.8

6. Задание

Построить беспроводную сенсорную сеть, используя учебно-научно-

исследовательский комплекс «Сверхширокополосные беспроводные сенсорные сети»

В соответствии с предложенными топологиями 1 и 2(Рис. 3.9 и 3.10)

построить сенсорную сеть (топологии даны на выбор), используя учебно-

научно-исследовательский комплекс и показать, что сигналы от всех устройств поступают на компьютер.

6.1Извлечь комплект из коробки и убедится, что все компоненты присутствуют.

6.2Протестировать каждый приемопередатчик по-отдельности, подключая их к компьютеру по USB.

6.3Присвоить порядковые номера и заполнить таблицы доступа приемопередатчиков в соответствии с выбранной топологией.

6.4Настроить нужные приемопередатчики на ретрансляцию, включить режим передачи сигнала и подключить нужный к компьютеру.

25

6.5 Для проверки достоверности данных откройте окно, поднесите сенсор к нему и проверьте изменились ли показания температурного датчика.

Рис. 3.9 Топология 1

Рис. 3.10 Топология 2

Пунктирными линиями указано направление сигнала от устройства к устройству (беспроводная связь), сплошными линиями обозначены соединения ППС 40 с компьютером по USB, желтым цветом обозначены приемопередатчики

(с сенсорами), зеленым обозначен компьютер,принимающий сигналы от

устройств, буквой Д обозначены приемопередатчики с сенсорами.

26

Лабораторная работа №2 Расчёт энергетических характеристик канала связи

1. Введение

Одним из основных требований к каналу связи является качество связи,

которое можно численно выразить через вероятность ошибок на бит BER (bit- error-ratio) или пакет PER (packet-error-ratio) передаваемой информации. Обыч-

но для беспроводных систем вероятности ошибок на бит не должны превышать

BER = 10–3 или 10–4, а вероятности ошибок на пакет – PER = 10–2 (длина пакета может составлять 100–1000 бит). В таком случае применение простых алгорит-

мов помехоустойчивого кодирования способно обеспечить вероятности оши-

бок, характерные для проводных каналов (BER = 10–8 /10–9).

Характеристики канала связи определяются видом несущего сигнала (уз-

кополосный, широкополосный, СШП), способом модуляции несущего сигнала,

типом приема (когерентный, некогерентный), характером распространения сигнала (дифракция, переотражения), шумами приемника и др. В свою очередь,

от характеристик канала связи зависят минимальная чувствительность прием-

ника, дальность действия и другие параметры системы связи [1, 2].

Для конкретного типа системы связи BER можно выразить через отноше-

ние сигнал/шум на входе приемника. Однако для цифровых систем связи обыч-

но не пользуются таким параметром, как отношение сигнал/шум (SNR), так оно зависит от скорости передачи информации R и ширины полосы частот модули-

рованного сигнала W, что не позволяет сравнивать между собой разные систе-

мы связи; кроме того, для цифровых систем представляют интересы параметры в пересчете на бит информации. Вместо SNR обычно пользуются величиной

Eb/N0 (отношением энергии на бит к спектральной плотности шума), которая связана с SNR следующим выражением

27

где Ps – мощность сигнала (Вт), Pn – мощность шума (Вт), N0 – спектральная плотность шума (Вт/Гц), W – ширина полосы частот сигнала на входе приемни-

ка (Гц), Eb – энергия на бит информации (Вт с), Tb – длительность информаци-

онного бита (с), R – скорость передачи информации (бит/с). Величину R/W

(бит/Гц) часто называют спектральной эффективностью системы связи, ее ха-

рактерные значения – 1 для BPSK, OOK; 8 – для 64QAM и т.д.; для систем с расширением спектра R/W << 1. (В российской радиофизике часто применяют обратную величину, так называемую базу сигнала B = W Tb.) Обычно шум в системе связи определяется не помехами на пути распространения сигнала от передатчика к приемнику, а тепловыми шумами приемника, поэтому для расче-

тов можно принимать N0 = kT, где k = 1.38 10–23 Дж/К – постоянная Больцмана, а

T – тепловая температура приемника.

Таким образом, определенному значению BER соответствует свое значение Eb/N0 на входе приемника, следовательно, каждую систему связи можно ха-

рактеризовать значением (Eb/N0)min, при котором она еще обеспечивает требуе-

мое качество связи.

Для того чтобы оценить работоспособность конкретного канала связи, т.е.

способность системы связи обеспечить в приемнике требуемые вероятности BER

или PER, нужно рассчитать т.н. бюджет канала связи (Link Budget). Этот расчет сводится к вычислению отношения Eb/N0 на входе приемника и сравнению полученного значения с минимальным значением (Eb/N0)min.

28

2. Параметры канала связи

Основными параметрами, учитываемыми при расчете энергетики канала связи являются:

скорость передачи данных R [бит/c];

средняя мощность излучения передатчика Pt [дБмВт или дБм];

ширина полосы частот W [Гц];

спектральная плотность шума N0 = kT, [Вт/Гц], где k – постоянная Больц-

мана, T – температура. При комнатной температуре N0 = –174 дБм/Гц.

расстояние d между передатчиком и приемником;

ослабление сигнала на пути от передатчика к приемнику L (Path Loss)

[дБ];

усиление антенны передатчика Gt [дБ];

усиление антенны приемника Gr [дБ];

минимально необходимое отношение энергии бита к спектральной плотности шума (Eb/N0)min [дБ];

потери в аппаратуре I [дБ];

шум-фактор приемника NF [дБ].

При расчете средней мощности передатчика Pt следует учитывать скваж-

ность импульсов D (D 1), а также структуру сигнала. Например, если при мо-

дуляции носителя единичный бит передается радиоимпульсом, а нулевой бит – его отсутствием, и нулевые и единичные биты равновероятны, то

Pt = Pcont/(2D),

где коэффициент 2 связан с тем, что при передаче «нулей» энергия не излучает-

ся.

Зная Pt, можно вычислить энергию на бит в передатчике Eb = Pt Tb, где Tb –

длительность информационного бита, которая в свою очередь связана со скоро-

стью передачи данных соотношением Tb = 1/R. Таким образом, Eb = Pt/R.

29

При прохождении по каналу на расстояние d средняя мощность сигнала,

составляющая изначально Pt, ослабляется по степенному закону

Pr(d) Pt d–n,

где n показатель характеризует скорость ослабления (затухания) сигнала по ме-

ре удаления от передатчика. Для свободного пространства n = 2, в реальной же обстановке он может принимать значения как n < 2, так и n > 4 (например, при многолучевом распространении). Конкретные значения n следует брать из мо-

дели соответствующего канала.

Минимально необходимое отношение энергии бита к спектральной плот-

ности шума (Eb/N0)min зависит от параметров конкретной системы связи и для вероятности ошибки BER = 10–3 составляет

(Eb/N0)min = 13…15 дБ (ортогональные сигналы, некогерентный прием);

(Eb/N0)min = 10…12 дБ (ортогональные сигналы, когерентный прием);

(Eb/N0)min = 7…8 дБ (антиподальные сигналы, когерентный прием);

(Eb/N0)min = 8 дБ (BPSK, когерентный прием);

(Eb/N0)min = 18 дБ (64QAM).

Для прямохаотических систем связи это значение зависит от таких пара-

метров, как база сигнала, тип хаотических сигналов (амплитудный, фазовый хаос). Зависит он и от типа приемника, однако в прямохаотических системах связи прием сигнала осуществляется некогерентным способом (энергетическим приемником), так как иметь в приемнике копию хаотического сигнала передат-

чика технически сложно.

На рис. 1 приведена зависимость (Eb/N0)min от базы сигнала B = W Tb для некогерентного приемника хаотических радиоимпульсов (амплитудный хаос,

метод модуляции OOK). Верхняя кривая соответствует вероятности ошибки на бит BER = 10–4, а нижняя – BER = 10–3 (см. также Табл. 1.).

30

Рис. 1. Зависимость минимального значения (Eb/N0)min от базы сигнала для вероятности ошибки на бит BER = 10–3 (нижняя кривая) и BER = 10–4 (верхняя кривая)

Например, для хаотического сигнала с шириной полосы частот W = 2 ГГц и длительности радиоимпульса Tи = 100 нс база равна B = 200, поэтому, как видно из рис. 1, (Eb/N0)min = 16.2 дБ для BER = 10–3.

Шум-фактор приемника NF (шум вносимый цепями усиления, пересчитан-

ный ко входу приемника) зависит от класса, стоимости усилителей и составляет от NF = 7 дБ для высококачественных МШУ до NF = 15 дБ для электроники,

применяемой в недорогих устройствах.

Потери в аппаратуре I еще называют потерями на реализацию, они связаны с неидеальностью элементов системы связи. Характерные значения I = 3…5 дБ.

31

Таблица 1. (Eb/N0)min для некоторых значений базы сигнала B (прямохаотическая система связи, ООК, некогерентный приемник)

3. Расчет бюджета канала

В качестве результата расчета канала вычислим т.н. Link Margin, т.е. запас канала по отношению сигнал/шум M = (Eb/N0) / (Eb/N0)min или М [дБ] = (Eb/N0) [дБ] – (Eb/N0)min [дБ], существующий на требуемой дальности d.

От формулы для мощности сигнала перейдем к формуле для энергии:

Eb = Pr Tb = Pr/R.

32

Если все величины в формуле выразить через [дБ], получим

M [дБ] = Pt + 10lg(Tb)+ Gt + Gr – L(d) – N0 – NF – I – (Eb/N0)min.

Обычно требуется, чтобы этот запас составлял M = 3…10 дБ на предель-

ной предписанной дальности, это гарантирует работоспособность системы в

неидеальных условиях.

4. Пример расчета бюджета канала

Рассмотрим в качестве примера расчет прямохаотической системы

связи, в которой информация кодируется потоком хаотических

радиоимпульсов, а прием осуществляется энергетическим приемником

(детектором огибающей) [3].

Расчет осуществляется для следующих параметров:

скорость передачи данных R = 2500 Кбит/c;

длительность хаотических радиоимпульсов = 100 нс;

средняя мощность излучения передатчика Pmean = –9 дБм;

спектральная плотность шума N0 = kT, N0 = –174 дБм/МГц;

полоса частот несущего сигнала W = 2 ГГц (диапазон 3…5 ГГц);

расстояние d = 30 м;

усиление антенны передатчика Gt = 0 дБ;

усиление антенны приемника Gr = 0 дБ;

потери в аппаратуре I = 3 дБ;

шум-фактор приемника NF = 7 дБ.

Сам расчет приведен в виде таблицы 1. При расчете прямохаотической системы связи в качестве мощности передатчика следует принять мощность в непрерывном режиме, а для вычисления Eb умножать мощность на длитель-

ность радиоимпульса , а не на длительность информационного бита Tb =1/R.

Это связано с тем, что приемник прямохаотической системы связи

33

согласован с длительностью радиоимпульсов, а не длительностью бита, т.е.

приемник открывается на время прихода хаотического радиоимпульса из канала, и закрывается после его приема.

В данной таблице энергия на бит Eb явно не вычисляется, а длительность радиоимпульса входит в выражение «Средняя мощность шума на бит».

Таблица 1 составлена на образу и подобию таблиц расчета Link Margin для традиционных систем цифровой связи, у которых импульсы следуют один за другим без защитных интервалов, т.е. со скважностью 1, а средняя мощность совпадает с пиковой.

Таблица 1. Бюджет канала

Для расчета ослабления сигнала L при прохождении канала здесь

использованы данные из моделей СШП каналов, предоставленных

34

Комитетом по разработке стандарта IEEE 802.15.4a [4]. В этих моделях вычисление L разбивается на два этапа – расчет ослабления на расстоянии d0

= 1 м от передатчика L1 = (4 cd0/c)2, где c – центральная частота канала связи, и расчет ослабления на отрезке пути от d0 = 1 м до полного расстояния

L2 = 10n lg(d/d0). Эта процедура была выведена на основе анализа большого массива экспериментальных данных. В этой модели считается, что на расстоянии до 1 м сигнал рассеивается изотропно как квадрат расстояния, а

далее степень ослабления сигнала n зависит от типа канала (жилое,

промышленное, офисное помещение, открытая местность). В данной таблице расчеты приведены для n = 2.

Минимально необходимое отношение сигнал/шум в пересчете на бит

(Eb/N0)min найдем из Таблицы 1. Для этого сначала вычислим значение базы сигнала B = W Tb = 2 ГГц 100 нс = 200. Этому значению базы соответствует

(Eb/N0)min = 16.2 дБ.

Как следует из Таблицы, запас канала при заданных значениях параметров системы связи оказался равен M = 4.1 дБ.

5.Задания для самостоятельных расчетов

1.Для прямохаотической системы передачи информации рассчитать среднюю мощность излучения передатчика, обеспечивающую передачу информации со скоростями 1 Кбит/с и 1 Мбит/с на расстояние 10 м с запасом канала M = 5 дБ. (Необходимые значения параметров взять из примера выше.)

2.Для рассчитанных систем вычислить максимальную дальность связи.

3.Стандарт IEEE 802.15.4a определяет, что спектральная плотность

превышать S =

41.3 дБм/МГц. Подобрать ширину полосы частот W прямохаотической

35

системы связи так, чтобы на расстоянии d = 15 м она обеспечивала Link

Margin M = 7 дБ. (Необходимые значения параметров взять из примера

выше.)

36

Лабораторная работа №3

«Структура прямохаотического приёмопередатчика (узла

сенсорной сети) и его программного обеспечения»

1. Введение

Лабораторная работа «Структура прямохаотического приёмопередатчика и его программного обеспечения» предназначена для ознакомления со структурой прямохаотического приёмопередатчика и его программного обеспечения на примере сверхширокополосного прямохаотического приёмопередатчика ППС-40. В работе также предлагается определить типы сигналов между элементами приёмопередатчика с помощью осциллографа.

Необходимое оборудование: Два устройства ППС-40 и осциллограф, позволяющий отображать сигналы длительностью 100 нс. Рекомендуемые осциллографы – Tektronix TDS 3052 (500 MHz, 5 Gs/s), Tektronix DPO 4054 (500 MHz, 2,5 Gs/s)

2. Структура прямохаотического приёмопередатчика. Аналоговая часть

Кратко опишем структуру приёмопередатчика. Приёмопередатчик состоит из цифровой и аналоговой части. Сначала рассмотрим аналоговую часть. Передатчик в ППС-40 состоит из генератора хаоса, усилителя мощности и ключа-модулятора. Структура приёмопередатчика показана на рис. №1.

37

Рис.1. Конфигурация прямохаотического приёмопередатчика.

Работает передатчик следующим образом. Хаотический генератор производит непрерывный хаотический сверхширокополосный сигнал с полосой частот 3,1-5,1 ГГц. Ключ выполняет функцию коммутации антенны между передатчиком и приемником. Например, в режиме передачи один из каналов ключа соединяет выход усилителя мощности с антенной, а второй канал, соединяющий антенну и детектор, в этот момент отключен. Отметим,

что модулятор управляется информационным сигналом, поступающим с цифровой платы. Модулированный сигнал идёт на сверхширокополосную СВЧ антенну и передаётся в эфир.

Приёмник состоит из детектора огибающей, малошумящего усилителя и цифрового блока.

Сигнал с антенны поступает на вход логарифмического детектора, после детектирования поток НЧ импульсов оцифровывается с помощью порогового устройства, после чего поступает в цифровой блок, где подвергается дальнейшей обработке.

Опишем более детально функциональные элементы приёмопередатчика.

38

Рис. 2. Структура прямохаотической платформы ППС-40.

2.1Генератор хаоса

Генератор хаоса – основной элемент прямохаотического приёмопередатчика. Его структура показана на рис. 3. Основная задача генератора хаоса, обеспечивать стабильную генерацию сигнала при допустимой неравномерности спектральной плотности в заданной полосе частот. Используемый в ППС-40 генератор хаоса обладает следующими характеристиками:

Рабочая полоса частот: 3,1-5,1 ГГц Потребляемая мощность в режиме передачи:

на скорости ~100 Кбит/с – до 3 мВт на скорости ~2.5 Мбит/с – от 25 до 30 мВт

Потребляемая мощность в режиме приёма: 35-40 мВт Сигнал на выходе: 1 мВт

39

Рис. 3. Структура генератора хаоса используемого в ППС-40.

2.2Ключ

Данное устройство выполняет функцию электронного переключателя,

который соединяет общую антенну с передатчиком или приемником в зависимости от управляющего сигнала.

2.3Приёмник

Как для приёма, так и для передачи сигнала в эфир используется сверхширокополосная СВЧ антенна. Рабочая полоса антенны есть полоса частот от 2 ГГц – 6 ГГц. При приёме сигнала ключ направляет сигнал антенны на малошумящий усилитель. Усиленный сигнал проходит через фильтр высоких частот. Фильтр высоких частот используется для исключения помех со стороны устройств стандарта GSM 900-1800. Частота среза фильтра 2700

МГц. Далее сигнал детектируется с помощью логарифмического детектора.

На выходе логарифмического детектора полоса выходного сигнала составляет 50 МГц, что позволяет принимать хаотические радио импульсы с длительностью до 100 нс. Структура прямохаотического приёмника показана на рис. 4.

40

низких частот

Рис. 4. Структура приёмника прямохаотического сигнала.

3.Цифровой блок

Сигнал с приёмника поступает для дальнейшей обработки на вход цифрового блока. Цифровой блок – это координатор работы всего устройства.

Его структура показана на рис. 5.

Рис. 5. Структура цифрового блока прямохаотического приёмопередатчика.

Данное устройство производит обмен данными между приемопередатчиком и персональным компьютером (ПК), формирует пакеты данных, осуществляет помехоустойчивое кодирование данных, посылает поток низкочастотных импульсов (закодированных данных) на модулятор

СВЧ передатчика. Кроме того, оно принимает и декодирует поток

41

низкочастотных импульсов от СВЧ демодулятора (приемника) для передачи и извлечения данных в ПК и осуществляет переключение между режимами прием/передача и управляет потреблением мощности приемником и передатчиком. Цифровой блок включает в себя микроконтроллер, ПЛИС,

систему управления питанием и источник тактовых сигналов.

Микроконтроллер берет на себя функции управления всем устройством – включение/выключение приемника и передатчика, переключение между режимами работы. Также контроллер обеспечивает обмен данными с ПК,

формирует пакеты для передачи данных в эфир. ПЛИС в режиме передачи преобразует входной поток бит в выходную последовательность модулирующих импульсов требуемой скважности. Скорость следования импульсов определяется микроконтроллером. В режиме приема ПЛИС синхронизируется с входным потоком НЧ импульсов, демодулирует его и передает в микроконтроллер.

Скорость передачи данных в цифровом блоке и, следовательно, во всем устройстве составляет 2.5 Мбит/сек.

3.1Цифровой блок. ПЛИС

Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) является центральной частью цифрового блока. Данное устройство в составе приемопередатчика предназначено для выполнения следующего ряда задач:

коммутация ЦП с различными блоками приемопередатчика

хранение промежуточной информации при передаче/приеме данных в эфир/ из эфира

модуляция генератора хаоса

демодуляция низкочастотного сигнала с выхода приемника

Вкачестве среды разработки программы для ПЛИС используется пакет

ALTERA QUARTUS II. Данный пакет позволяет производить построение

42

программы, как на языке высокого уровня (Verilog) так и на языке отдельных логических вентилей (И, ИЛИ и т.п.).

3.2Архитектура программы ПЛИС

Программа в ПЛИС может находиться в одном из состояний:

спящее состояние (ядро плиса и генератор тактового сигнала отключены от питания)

выключено (все внутренние модули отключены)

режим передачи данных (данные передаются от внешнего МК, обрабатываются и посылаются в СВЧ модулятор)

режим приема данных (ожидание момента синхронизации, демодуляция и передача данных в МК)

Программа описывается на уровне блок-схем. Блок-схема программы изображена на рис. 6. На нем представлены: управляющее устройство,

оперативная память, приемник, передатчик, блок управления модуляцией/демодуляцией.

Опишем подробнее назначение, структуру и принципы функционирования отдельных модулей программы и всей программы в целом.

Управляющее устройство. Управляющее устройство (УУ) предназначено для переключения всех блоков программы в определенные режимы работы,

по команде от внешнего микроконтроллера (МК), коммутации внешнего МК с ЦАП , DDS (устройство прямого цифрового синтеза) и блоком памяти ПЛИС. Состоит УУ из небольшого набора логических элементов (И, ИЛИ,

НЕ).

Оперативная память предназначена для промежуточного хранения данных поступающих от внешнего МК для последующей выдачи в блок передатчика, для хранения данных поступающих из блока приемника, для

43

последующей передачи во внешний МК. Оперативная память организована

Рис. 6. Блок-схема кода ПЛИС.

по принципу асинхронного FIFO буфера, с последовательным интерфейсом чтения/записи. Размер памяти составляет 4 слова по 8 бит.

Здесь следует отметить важность именно асинхронного режима функционирования, так как внешний МК может иметь тактовый генератор отличный от тактового генератора ПЛИС.

Структура памяти представлена на рис. 7. Как видно из рисунка внешние асинхронные устройства (A и Б) могут одновременно записывать и считывать данные посредством двух идентичных независимых интерфейсов (DA, QA ,

CLKA) и (DB, QB , CLKB). DA и DB – это линии для входных данных, QA и QB

– линии для выходных данных, CLKA и CLKB – линии синхросигналов. Также память имеет вход начального сброса RESET и выходную линию сигнализации ПЕРЕПОЛНЕНИЯ – ПУСТОТЫ ER. Память состоит из четырех 8-битных регистров сдвига, соединенных друг с другом по параллельной схеме и арифметико-логического устройства, предназначенного для управления памятью. Принцип функционирования памяти заключается в следующем.

44

Пусть в начальный момент времени память пуста и на линии ER выставлен соответствующий сигнал (это достигается подачей импульса по линии RESET)

и пусть устройство А пишет в память данные, а устройство Б их считывает. Так как память пуста, то устройство А может начинать запись, а устройство Б должно ждать пока будет записан хотя бы один байт. Далее, А пишет первое слово в первый регистр сдвига. На линии ER появляется сигнализация, что память не пуста. Увидев это устройство Б начинает считывать данные из регистра 1. В это время устройство А продолжает писать данные уже в регистр

2. Затем процесс повторяется. Если скорость записи больше скорости чтения, то наступит момент времени, кода память заполнится и на линии ER появится

Рис. 7. Память FIFO.

соответствующая сигнализация. В этом случае, чтобы избежать потери данных А должно будет остановить передачу данных до появления хотя бы одного пустого регистра. Если скорость записи меньше скорости чтения, то наступит момент времени, когда память опустеет и на линии ER появиться соответствующая сигнализация. В этом случае устройство Б должно будет ждать появления хотя бы одного нового слова в памяти. Наличие такого типа памяти в составе ПЛИС обусловлено тем, что ПЛИС осуществляет физический уровень передачи и приема данных на строго заданной

45

скорости, а внешний МК в силу возлагаемых на него функций не может постоянно обмениваться данными с ПЛИС с требуемой скоростью

(например задержки на внешние прерывания). Более того, как уже говорилось, ПЛИС и МК могут иметь (и имеют) различные, а следовательно не синхронизованные тактовые сигналы.

Передатчик предназначен для преобразования битовых данных,

хранящихся в памяти ПЛИС в низкочастотный сигнал для модуляции генератора хаоса. Принцип преобразования показан на рис. 8. Согласно общей идеологии прямохаотических систем связи нулевые биты передаются

Рис. 8. Принцип модуляции, реализованный в ПЛИС.

пустыми позициями длительностью Т0, а единичные биты – импульсами длительностью T1 на позиции длительностью T0. Причем T0 = ndt, T1 = mdt где dt – период тактового сигнала плиса, n и m – натуральные числа и n>m.

В системе dt = 25 нс , n = 16 (T0=400 нс) , m = 4(T1 = 100 нс). Здесь следует описать принцип формирования пакета данных, хотя этот процесс и происходит в контроллере. Формат пакета данных физического уровня показан на рис. 9. Самый первый байт пакета есть преамбула. Первые три бита преамбулы равны 1, следующие 4 бита равны 0 и последний бит (старт бит)

равен 1. Первые три бита служат для обнаружения начала пакета данных, а

последний бит для обозначения начала потока битов пакета. За преамбулой следует байт управления. В нем закодирован стандарт передачи данных

46

внутри самого пакета. Так как данный физический уровень может

Рис. 9. Формат пакета данных и преамбулы.

быть использован в системах связи, которые могут располагаться в непосредственной близости друг от друга, то в этих системах предполагается использовать различные преамбулы и/или байты управления. За байтом управления следует байт, определяющий размер пакета данных. Из-за того,

что это поле имеет размер 8 бит, максимальный размер поля данных составляет 255 байт. Однако, во-первых, в сенсорных сетях, где и предполагается использовать подобные системы, размер типичной посылки составляет от нескольких байт до нескольких десятков байт. Во-вторых,

длинные пакеты значительно повышают вероятность потери данных (пакета)

при не очень хороших условиях в канале связи. И, в третьих, уровень доступа к среде (MAC уровень) стандарт 802.15.4а, под который изначально и разрабатывались подобные устройства определяет именно такой размер поля данных. За полем размера следуют собственно байты данных, содержащие информацию MAC уровня (адреса устройств назначения, отправления,

данные с датчиков и т.п.). За полем данных следует поле контрольной суммы,

которая рассчитывается как простая сумма всех байт пакета. Биты в байтах передаются в порядке убывания значимости, т.е. самый старший бит байта передается первым. Ключевой модуль ПЛИСа, реализующий часть задачи

47

приёма, предназначен для поиска в поступающем в него низкочастотном сигнале преамбулы пакета данных, синхронизации с обнаруженной преамбулой (и следовательно со всем пакетом) и демодуляции бит данных остального пакета, с последующим размещением получаемых данных в памяти ПЛИС. Структура приемника представлена на рис. 10. Как видно он состоит из синхронизатора и демодулятора. Синхронизатор изображен на рис. 11. Он состоит из набора триггеров, включенных последовательно. Каждый триггер хранит отсчет двоичного сигнала с выхода компаратора СВЧ приемника. Через промежутки времени, равные периоду дискретизации (25

нс) биты передаются между триггерами (слева направо сверху вниз на рис. 11). Последний бит в результате такого сдвига теряется, а место первого бита занимает новый бит, поступивший с выхода СВЧ компаратора. Биты с 1-го по

4-ый, с 17-ого по 20-ый и с 33-ого по 36-ой суммируются в трех различных сумматорах. Результаты затем сравниваются с некоторыми порогами. И если все три суммы окажутся больше соответствующих порогов то синхронизатор считает, что он обнаружил преамбулу. Фактически это устройство осуществляет непрерывную свертку входного сигнала с эталонным сигналом

- образом преамбулы.

Рис 10. Структура приемника ПЛИС.

48

Рис. 11. Структура синхронизатора приемника ПЛИС.

Распознав первые три бита преамбулы, синхронизатор ждет последний ее бит и в момент его прихода выдает сигнал синхронизации в демодулятор.

Если последний бит преамбулы не обнаруживается, то блок синхронизатора переходит в исходное состояние.

Демодулятор после прихода сигнала синхронизации производит обработку остального пакета данных бит за битом. Принцип обработки показан на рис. 12. Демодулятор находит сумму четырех первых отсчетов на каждой битовой позиции (400 нс) и сравнивает ее с порогом. Если сумма больше, то принимается решение о наличии на данной позиции логической единицы, и логического нуля в противном случае. Декодируемые таким образом биты упаковываются в байты и отправляются в память ПЛИС, а затем во внешний микроконтроллер. Как только контроллер фиксирует нужное количество байт, он останавливает ПЛИС. Блок приемника ПЛИС не производит детектирования и исправления ошибок. Эти функции возлагаются на внешний МК.

49

Рис. 12. Принцип работы демодулятора.

3.3Цифровой блок. Микроконтроллер (МК)

Микроконтроллер в составе приемопередатчика выполняет следующие

функции:

Осуществление интерфейса с внешними устройствами (персональный компьютер, различного рода датчики и т.п.) для обмена данными.

Управление энергопотреблением всего устройства и переключение между различными режимами работы

Обеспечение прототипа сетевого уровня разделения среды передачи данных (так называемый MAC уровень)

Обеспечение части физического уровня приема-передачи данных

(формирование пакетов физического уровня заданного стандарта,

передача пакета в ПЛИС, прием пакетов из ПЛИС, анализ ошибок и развертывание пакетов)

Управление порогом компаратора приемника

Вкачестве среды разработки используется пакет ATMEL AVR Studio

4.12.Среда позволяет создавать программы на языке ассемблера (AVR RISС

ассемблер) и на языке Си, компилировать и симулировать создаваемые программы, а также при наличии определенных аппаратных средств и

зашивать код программы в контроллер.

50

3.4Архитектура программы МК

На рис. 13 представлена блок-схема программы МК. Как видно вся программа состоит из функции приема данных от ПЛИСа, функции передачи данных в ПЛИС, функции автоподстройки порога компаратора приемника,

функции реализующей внешний интерфейс с персональным компьютером и датчиками и, наконец, главной функции, обеспечивающей некоторый MAC

уровень.

Рис. 13. Блок-схема программы микроконтроллера.

Функция передачи данных принимает на вход массив данных заданной длины, присоединяет к этому массиву преамбулу, байт управления,

рассчитывает контрольную сумму и прикрепляет результат к концу пакета.

Полученный таким образом массив данных, показанный схематично на рис.

9, посылается в ПЛИС. Также функция передачи следит за сигналом полноты/пустоты внутренней памяти (FIFO) ПЛИСа для корректной работы.

Функция приема данных из ПЛИСа работает комплементарно функции передачи данных. А именно, в режиме ожидания данных из эфира рассматриваемая функция контролирует сигнал полноты/пустоты ПЛИСа.

51

При сигнализации о появлении хотя бы одного байта в FIFO ПЛИС осуществляется передача этого байта в контроллер. Подобным образом перекачиваются все байты пакета. Во время перекачки данных осуществляется подсчет контрольной суммы пакета. После окончания активной фазы работы функции приема происходит проверка контрольной суммы. В случае успеха функция выдает на выход структурированный массив данных, аналогичный массиву для функции передачи. В случае обнаружения ошибки, принятый пакет игнорируется.

Интерфейсная функция. Эта функция позволяет общаться приемопередатчику с внешними устройствами, такими как персональный компьютер и получать данные от различных датчиков. В случае подключения к компьютеру используется штатный интерфейс контроллера UART. Со стороны компьютера это обычный COM-порт. Скорость передачи данных по подобному интерфейсу ограничена величиной 115200 бит/сек. Здесь стоит отметить, что на самом деле подключение осуществляется через специально разработанный переходник USB <=> COM, что позволяет также подвести к приемопередатчику питание непосредственно от USB шины ПК. Поэтому, со стороны ПК это выглядит как подключение через виртуальный COM порт, а

со стороны приемопередатчика все остается без изменений. Для подключения различных датчиков устройство имеет два специально выделенных входа АЦП, интерфейс I2C и еще несколько логических линий общего назначения.

Здесь следует отметить, что в случае использования таких приемопередатчиков для организации сенсорной сети, например, когда одно из устройств подключено к центральному пульту сбора данных, а к остальным устройствам подключены датчики, указанной пропускной способности COM

порта вполне хватит. Однако в случае передачи каких либо аудио или видео данных, даже при условии, что физическая скорость передачи данных будет на нужном уровне, пропускной способности

52

интерфейса приемопередатчика может не хватить. В этом случае требуется сделать переход на более скоростной интерфейс, например USB.

4.Задание

Вработе используются два устройства ППС-40.

1.Необходимо ознакомиться с ППС-40 руководствуясь рис.15 и

выделить на плате обозначенные на рисунке функциональные элементы прямохаотического приёмопередатчика.

2.Проверить работоспособность устройства, подав питание (включив устройство) и увидеть световую индикацию.

3.С помощью осциллографа определить тип сигнала (цифровой,

аналоговый) и его основные характеристики между элементами приёмопередатчика на ППС-40 в режиме передачи и приёма данных.

Удобнее всего наблюдать сигнал на двух различных устройствах ППС-40, одно из которых запрограммировано на передачу данных с сенсора, а другое на приём этих данных и передачу их на ПК.

4.Сигнал необходимо снимать в точках 1,2,5,6,7 (см. рис. 15)

5.Используя ПО для программирования ПЛИС и МК ознакомиться со

структурой программ для них, руководствуясь блок-схемами алгоритмов работы ПО.

На рис. 15 указаны основные элементы приёмопередатчика ППС-40.

Цифрами указаны соответствующие соединения между элементами. Рис. 15

является аналогом рис.1.

Приложение. На рис. 16-20 приведены ориентировочные сигналы,

полученные с помощью осциллографа Tektronix TDS 3052.

53

а)

1,7

Стабилизатор

б)

Рис. 15а,б. Конфигурация прямохаотического приёмопередатчика ППС-40.

а)вид платы сверху, б)вид платы снизу.

Данные снятые с помощью осциллографа в точках «1», «2», «5», «6», «7» показаны соответственно на рис. 16, 17, 18, 19, 20.

Рис. 16. Сигнал в точке «1».

Рис. 17. Сигнал в точке «2».

55

Рис. 18. Сигнал в точке «5».

Рис. 19. Сигнал в точке «6».

Рис. 20. Сигнал в точке «7».

56

Рис. 21. Конфигурация прямохаотического приёмопередатчика с

схематически показанными сигналами в точка 1-7.

57