Основные проблемы использования проводных интерфейсов передачи данных

Узнать стоимость написания работы

Оглавление

Аннотация. 4

Введение. 5

1 Основные проблемы использования проводных интерфейсов передачи данных. 6

2 Интерфейсы передачи данных, используемые на космических аппаратах. 7

2.1..... Мультиплексный канал информационного обмена. 7

2.2..... SpaceWire. 9

3 Современные беспроводные интерфейсы передачи данных. 12

3.1..... Bluetooth. 12

3.2..... WI-FI 13

3.3..... ZigBee. 14

3.4..... NFC. 15

4 Проблемы, возникающие при беспроводной передаче информации в экранированном корпусе устройства и пути их решения. 18

4.1..... Моделирование излучения антенн в замкнутом экранированном корпусе. 18

4.2..... Проведение эксперимента с использованием модулей интерфейса ZigBee. 24

4.3..... Разнесение при получении сигнала. 27

Список используемых источников: 31


Аннотация


Введение

Искусственные спутники Земли — космические летательные аппараты, выведенные на околоземные орбиты, представляющие собой сложные систем, предназначенные для решения различных научных и прикладных задач, состоящие из различных электронных устройств таких как всевозможные датчики, предоставляющие данные об обстановке на аппарате, блоки электроники и т.п.

В свою очередь практически каждое такое устройство состоит из электронных модулей. На данный момент для обмена информацией между такими модулями используются традиционные проводные соединения – шлейфы.

Передача информации внутри электронным устройств, между его модулями, никак не регламентирована. Производитель устройства сам определяет топологию сети, протокол, физический уровень. Во всех устройствах на космических аппаратах используются традиционные проводные не высокочастотные интерфейсы передачи данных (МКО-1 МГц)

Традиционный способ соединений, несмотря на давнее применение и наличие отработанной реализации, обладает рядом недостатков: прокладка и монтаж проводных соединений являются высоко трудозатратными, следовательно, перенастройка сети и внесение изменений также требуют дополнительных трудозатрат, экранирование проводов не является идеальным, что повышает вероятность внесения помех в работу модулей и восприимчивость к стороннему излучению, для повышения электромагнитной совместимости происходит оптимизация толщины экранирующего слоя путем отработочных испытаний, которые опять же вносят дополнительные трудозатраты, таким же путем осуществляется оптимизация диаметра проводника, в конце концов массогабаритные показатели конечной системы ухудшаются из-за наличия большого числа проводов, необходимости их резервирования и увеличения толщины экранирующего слоя.

Для решения данных проблем было предложено лабораторией космического эксперимента НГУ и ОА «ИСС» разработать беспроводной интерфейс передачи между модулями электронного устройства.

В настоящее время существует огромное множество беспроводных интерфейсов, работающих в различных частотных диапазонах, большая часть в не лицензируемых бесплатных диапазонах. Также кроме классификации по диапазонам частот, существуют классифицируются по дальности действия–беспроводные персональные сети, беспроводные локальные сети, беспроводные сети масштаба города.

При замене проводного интерфейса беспроводным основной проблемой с которой придется столкнуться это многократные переотражения сигналов внутри экранированного металлического корпуса прибора. Так же необходимо учитывать частотный диапазон, габариты корпусов устройств. Из всего этого следует что необходимо проводить анализ современных интерфейсов с последующим выбором наиболее подходящего по предъявляемым требованиям, моделирование излучения и тестирование реальных устройств с последующей интерпретацией результатов и выбора дальнейшего направления разработки.


1 Основные проблемы использования проводных интерфейсов передачи данных.

Использование традиционного проводного способа передачи данных сопровождается целым рядом проблем.

Первой из них являются высоко трудозатратные прокладка и монтаж проводных соединений, которые имеются в большом количестве в каждом устройстве, состоящем из модулей. Трудозатратность же преумножается с ростом сложности электронных модулей, с увеличением их количества, проще говоря, с усложнением архитектуры сети передачи информации.

Рис.1 Устройство при монтаже проводных шин.

Следовательно, перенастройка сети в целом и отдельных устройств, то есть внесение изменений в топологию сети и ее работу, также является высоко трудозатратной процедурой.

Второй проблемой использования проводных соединений является экранирование проводов, которое не является идеальным. Из чего следует повышение вероятности внесения помех в работу электронных модулей, при излучении электромагнитной энергии, а также восприимчивость к излучению со стороны модулей.

В связи с этим фактом происходит увеличение толщины экранирующего слоя проводных соединений. Данная процедура осуществляется путем оптимизации толщины экранирующего слоя за счет отработочных экспериментов, которые также приносят дополнительные трудозатраты. Аналогичная процедура оптимизации происходит с диаметром самого проводника.

Третьей и основной проблемой применения проводного интерфейса являются массогабаритные показатели конечной системы, которые ухудшаются из-за наличия большого количества проводов, увеличения толщины экранирующего слоя и толщины самих проводников и необходимости их резервирования

С учетом различных типов устройств, находящихся на искусственном спутнике Земли, а их количество может достигать 310 штук, можно сделать вывод, что, если произвести замену проводных соединений беспроводным интерфейсом передачи данных, можно получить существенный выигрыш в массогабаритных показателях конечной системы, то есть спутника.

В связи с этим, было предложено лабораторией космического эксперимента НГУ и ОА «ИСС» разработать беспроводной интерфейс передачи между модулями(платами) электронного устройства для замены существующих и ныне используемых проводных интерфейсов


2 Интерфейсы передачи данных, используемые на космических аппаратах.

На данный момент для обмена информацией между электронными устройствами на космических аппаратах используются проводные интерфейсы МКО (мультиплексный канал информационного обмена) и SpaceWire.

2.1 Мультиплексный канал информационного обмена.

Интерфейс обмена информацией регулируется ГОСТом 52070- (MIL-STD-1553B) «Интерфейс магистральный последовательный системы электронных модулей»

Особенностью интерфейса является двойная избыточная линия передачи информации, полудуплексный протокол «команда-ответ» и до 31 удалённого абонента (оконечного устройства). Каждая линия управляется своим контроллером канала. Стандарт устанавливает требования к:

· составу технических средств интерфейса;

· организации контроля передачи информации;

· характеристикам линии передачи информации (ЛПИ);

· характеристикам устройств интерфейса;

· интерфейсу с резервированием.

Структурная схема технических средств интерфейса в ее основной (базовой) конфигурации приведена на рисунке 2

Рис.2 Шина MIL-STD-1553B с двойным резервированием.

На одной шине может быть всего один контроллер в текущий момент времени. Он является инициатором всех сообщений по этой шине.

· оперирует командами из списка в своей внутренней памяти

· командует оконечным устройствам послать или принять сообщения

· обслуживает запросы, получаемые от оконечных устройств

· фиксирует и восстанавливает ошибки

· поддерживает историю ошибок

Оконечные устройства служат для

· организации взаимодействия шины и подключаемой подсистемы

· организации моста между двумя шинами

Монитор канала отличается от оконечного устройства тем, что не может передавать сообщения по шине. Его роль заключается в мониторинге и записи транзакций по шине, без вмешательства во взаимодействие контроллера и оконечных устройств. Эта запись может быть использована для последующего анализа.

Физический уровень: одна шина состоит из пары проводов с волновым сопротивлением 70-85 Ом при частоте 1 МГц. В одном из вариантов соединения используется коаксиальный разъём, по центральному контакту которого передаётся сигнал, закодированный Манчестерским кодом, по экранному проводу проходит возвращение тока сигнала (коаксиал 70-85 Ом), еще есть третий проводник - наружная оплетка, которая является экраном линии. Принимающее и передающее оконечные устройства подключаются к шине с использованием трансформаторной развязки, а не задействованные подключения отделяются с использованием пары изолирующих резисторов, развязанных через трансформатор. Это уменьшает влияние короткого замыкания и добавляет уверенности, что ток шины не течёт по корпусу.

Рис.3 Трансформаторная развязка

Манчестерский код используется для того, чтобы передавать сигнал данных и сигнал синхронизации по одной паре проводников (или коаксиальному проводу), а также для исключения любых постоянных составляющих, задерживаемых трансформаторной развязкой. Тактируемая скорость (электрическая скорость) в канале составляет 1 Мбит/с. Допуск на погрешность и долговременный дрейф скорости тактовых импульсов составляет 0,1 %; краткосрочная стабильность скорости должна быть в пределе 0,01 %. Амплитуда входного напряжения передатчика должна составлять 18-27 В.

Надежность в системе передачи информации может быть достигнута за счёт использования двух или трёх независимых физических каналов (резервирования каналов), к которым подключены все устройства на шине. В случае отказа канала в текущий момент, резервирование канала предусматривает резервирование контроллера шины, проводника и оконечных устройств.

2.2 SpaceWire

SpaceWire— телекоммуникационная сеть для космических аппаратов с пропускной способностью до 400 МБит/сек, узлы которой соединяются при помощи последовательных соединений типа точка-точка, работающая в полнодуплексном режиме( основанная на части стандарта соединения IEEE 1355).

Технология SpaceWire в разной степени поддерживается ведущими космическим агентствами мира – Роскосмосом, ESA (Европейское космическое агенство), NASA (США), JAXA (Япония), реализуется и применяется в перспективных проектах космической техники некоторыми ведущим фирмами космической отрасли в мире.

Рис.4 Обобщённая структурная схема сети

Сеть SpaceWire состоит, в общем случае, из некоторого числа узлов-абонентов (SpaceWire nodes) и сетевых узлов – маршрутизирующих коммутаторов (routing switches) (рис.5).

Узлы-абоненты сети SpaceWire – это устройства, передающие и принимающие потоки данных. Они связаны с маршрутизирующим коммутатором или друг с другом дуплексными каналами связи, называемыми линками (link). Узел оснащен одним или несколькими линк-портами и интерфейсом с источником данных (хост-устройство (host) – процессорный модуль, датчик, исполнительное устройство, периферийный контроллер, и др.).

Модуляция и представление данных в SpaceWire в целом похоже на кодирование передаваемых данных — части стандартов IEEE 1355—1995, описывающей дифференциальную передачу сигналов (DS-DE). SpaceWire использует асинхронное соединение и обладает пропускной способностью на уровне от 2 Мбит/с до 400 Мбит/с. DS-DE оказался предпочтительнее, так как он описывает модуляцию, битовые форматы, маршрутизацию, управление потоком и обнаружение и исправление ошибок на уровне оборудования, лишь с небольшой помощью ПО. Также SpaceWire обладает очень низким уровнем ошибок, определением состояния системы, а также относительно простой цифровой электроникой. В SpaceWire были заменены устаревшие разностные носители PECL на физическом уровне стандарта IEEE 1355 DS-DE на низковольтную дифференциальную передачу сигналов (LVDS). В SpaceWire также предусматривалось использование 9-штырьковых разъемов, используемых в космической отрасли. SpaceWire и IEEE 1355 DS-DE предусматривают более широкий диапазон скоростей для передачи данных, а также некоторые новые возможности автоматического преодоления отказа. Возможности преодоления отказа позволяют данным найти альтернативные пути передачи, так как космический модуль оснащен несколькими шинами данных, в результате чего обеспечивается отказоустойчивость. Кроме того, SpaceWire предусматривает размножение временных прерываний по соединениям SpaceWire, устраняя потребность в отдельных временных дискретных сигналах.

Физический интерфейс на физическом уровне стандарт описывает требования к физической среде передачи, электрическим и механическим интерфейсам, включая типы разъемов и кабелей, а также параметры сигнальных линий на печатных платах.

Рис.5 Кабель SpaceWire для космических применений.

Кабель SpaceWire – восьми проводной, из четырех медных экранированных витых пар проводов (рис.10). Стандартная длина кабеля – до 10 м. Диаметр стандартного кабеля – не более 7 мм, удельный вес – до 80 г/м. В качестве стандартных разъемов для кабелей определены микроминиатюрные 9­контактные разъемы D­типа (4 витые пары плюс сигнальная земля) (рис.11). В следующей редакции SpaceWire планируется расширить число типов разъемов, определить и разъемы для подключения к шине задней стенки (backplane) в блоках. Стандарт ECSS-E-50-12A регламентирует скорости передачи по каналу SpaceWire от 2 до 400 Мбит/с на расстояния до 10 м.

Сетевой уровень определяет методы маршрутизации пакетов и их коммутации при прохождении через сетевые узлы коммуникационной сети. В сети SpaceWire используется так называемая "червячная маршрутизация" (wormhole routing) [9], относящаяся к категории методов коммутации "на лету" (on-the-fly).

Информация о используемых интерфейсах передачи данных в условиях сложной помеховой обстановке и возможных интенсивных внешних воздействий на борту космических аппаратов и аналогичных систем, на которые ориентированы стандарты SpaceWire и МКО, дает некое представление о наборе правил и действий (очерёдности действий), позволяющих осуществлять соединение и обмен данными между включёнными в сеть устройствами. То есть дает основу разработке протокола передачи данных для беспроводного межмодульного (межплатного) интерфейса для космических аппаратов.


3 Современные беспроводные интерфейсы передачи данных.

Первым шагом разработки стал анализ современных беспроводных интерфейсов передачи данных и выбор наиболее подходящего по следующим критериям:

· Требования к минимальному энергопотреблению.

· Требования к питанию

· Скорость передачи данных(1Мбит/с)

· Излучаемая мощность. Вносимые помехи и восприимчивость к сторонним.

· Топология сети и количество устройств в ней

Для анализа были предложены следующие беспроводные интерфейсы передачи данных: Bluetooth, WI-FI, ZigBee, NFC.

3.1 Bluetooth

Производственная спецификация беспроводных персональных сетей (Wireless personal area network, WPAN). Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами, как персональные компьютеры (настольные, карманные, ноутбуки), мобильные телефоны, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, бесплатной, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе до 10 м друг от друга (дальность сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.

Принцип действия основан на использовании радиоволн. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISM-диапазоне (англ. Industry, Science and Medicine), который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях (свободный от лицензирования диапазон 2,4-2,4835 ГГц). В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты (англ. Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование недорогое.

Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду (всего выделяется 79 рабочих частот шириной в 1 МГц, а в Японии, Франции и Испании полоса у́же — 23 частотных канала). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 кбит/с в обоих направлениях) используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации будут переданы повторно.

Протокол Bluetooth поддерживает не только соединение «point-to-point», но и соединение «point-to-multipoint».

Скорости передачи:

· Bluetooth 1.2 1мбит/с

· Bluetooth 2.1 + EDR 2-3 мбит/с

· Bluetooth 3.0 + HS до 24 Мбит/с

· Bluetooth 5.0 (LE) до 24 Мбит/с в актвном режиме, 1 мбит/с в энергосберегающем режиме

3.1.1 Для того чтобы оценить энергопотребления была изучена техническая документация модуля Bluegiga BLE113 данного интерфейса (Bluetooth 5.0 (LE))

· Выходная мощность: от -23 до 0 дБм (5мкВт-1 мВт);

· Чувствительность приемника: -93 дБм;

· Встроенная керамическая чип-антенна;

· Диапазон скоростей передаваемых данных: 250 Кбит/с в полосе 4 kHz to 30 kHz

· Энергопотребление: В режиме излучения 18.2 mA,

o в режиме приёма 14.3 мА,

o в спящем режиме 0.4 мкA

· Напряжение питания от 2.0 до 3,6 В.

· Диапазон рабочих температур – 40ОC… + 85ОC

· Размеры: 15.75x9.15x2.1 мм

Интерфейсы периферийных устройств: UART И SPI, I2C, PWM (ШИМ) и GPIO, 12-разрядный АЦП

3.2 WI-FI

Технология беспроводной связи, передача данных осуществляется в диапазонах 2400-2483,5 МГц,5150-5350 МГц, 5650-6425 МГц в зависимости от спецификации. Так же в зависимости от спецификации используются различные виды модуляции, кодирование и т.п., из чего следует что характеристики приемо-передающих устройств могут быть разными. Главные преимущества — высокая скорость передачи данных и высокий уровень стандартизации. Передача на расстояние не более 100 м, количество устройств в сети до 32.

Топологии: независимые базовые зоны обслуживания (Independent Basic Service Sets, IBSSs); базовые зоны обслуживания (Basic Service Sets, BSSs); расширенные зоны обслуживания (Extended Service Sets, ESSs). Скорости передачи данных для различных спецификаций:802.11b (2,4 ГГц)-11Мбит/с, 802.11а (5 ГГц)-54 Мбит/с, 802.11n (2,4\5 ГГц)- 150­600 Мбит/с.

Одной из главных особенностей является технология MIMO. Эта технологий позволяет одновременный приема/передачи нескольких потоков данных через несколько антенн.

Рис.6 Реализация технологии MIMO.

Данная технология помогает успешно бороться с переотражениями сигналов, когда точка доступа и клиент не находятся в прямой видимости, увеличивать символьную скорость передачи данных.

Модуль WizFi210 обладает компактными размерами и низкой стоимостью. Главное отличие модуля

WizFi210 заключается в меньшей мощности излучаемого радиосигнала (встроенный усилитель мощности отсутствует) и, как следствие, в меньшем энергопотреблении в режиме передачи и в меньшей дальности действия.

· Стандарт WiFi 802.11b со скоростью обмена данными по до 11 Мбит/с

· рабочий температурный диапазон (от -40° С до +85° С)

· Функция динамического управления питанием (35 мкА в режиме Standby, Receive = 125.0 mA, Transmit = 135.0 mA)

· Рабочая температура: от -40° С до +85° С

· Размеры: 32х23,5х2,9 мм

· Выходная мощность:8 ± 1 dBm

· Чувствительность: -81dBm

· Интегрированная чип-антенна

· Питание: 3.3V

3.3 ZigBee

ZigBee работает (ISM-диапазон) радиодиапазонах 868 МГц, 915 МГц, 2.4 ГГц. Шестнадцать каналов имеется в диапазоне 2450 МГц, 10 - в диапазоне 915 МГц, и 1 в диапазоне 868 МГц. Время активации (то есть переход от спящего режима к активному) за 15 миллисекунд или меньше, следовательно, длительная работа от батарей.

Основная особенность заключается в том, что спецификация поддерживает сложные беспроводные сети с ячеистой топологией и с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Существуют три различных типа устройств ZigBee:

· координатор, формирует пути дерева сети и может связываться с другими сетями

· маршрутизатор, в качестве промежуточного маршрутизатора

· конечное устройство

Рис.7 Возможный вариант топологии сети ZigBee.

Модуль MRF24J40MA:

• Размер: 17.8 mm x 27.9 mm

• Рабочее напряжение: 2.4-3.6V (3,3 типичное)

• Диапазон температур: от -40 ° C до + 85 °

• Низкий потребляемый ток:

Режим приема: 19 мА

Режим передачи: 23 мА

Сна: 2 мкА

• Скорость передачи данных: 250 кбит

• Чувствительность приемника: -94 дБм

• Мощность передатчика: 0 дБм(регулируемая)

3.4 NFC

Технология беспроводной высокочастотной связи малого радиуса действия, которая дает возможность обмена данными между устройствами, находящимися на расстоянии около 10 сантиметров.

Основные спецификации:

• Связь поддерживается посредством индукции магнитного поля (ближнего поля)

• ISM диапазон —около 13,56 МГц, с шириной полосы пропускания почти 2 МГц;

• Рабочее расстояние с компактными стандартными антеннами: до 20 см;

• Поддерживаемая скорость передачи данных до 424 Кб/с на 4 см.

• NFC поддерживает топологию точка-тока.

• Существуют 3 режима:

· Пассивный режим связи.

· Активный режим связи: и Инициатор, и Целевое устройство взаимодействуют путем поочередного создания своих собственных полей.

· Передача между равноправными устройствами. Производится обмен между двумя устройствами. При этом за счет собственного источника питания у прослушивающего устройства можно использовать NFC даже при выключенном питании опрашивающего устройства

Параметр

Значение

Частота

13.56MHz

Ток в режиме молчания

10uA

Рабочее расстояние

До 50 мм

Рабочая Температура

-25 ~ +70°C

Потребление

45 мА

напряжение питания

2.5 ~3.6 В

Pазмер

38 × 38 × 3 мм

Таблица 1 Значения параметров модуля

NFC Reader/Writer Module SL060

Проанализировав все представленные выше технологии беспроводной передачи данных можно сделать выбор, опираясь на таблицу 2.

ZigBee

Bluetooth

Wi-Fi

NFC

Частотный диапазон, ГГц

2,4

2,4

2,4/5

13,56 МГц

Скорость передачи данных, кбит/с

250

250(4.0)

650(4.2)

11-600 Мбит/с

до 425Кбит/с (при10 см)

Дальность связи, м

10-75

класс 1 — 100;
класс 2 — 10;
класс 3 — 1

Менее 100

До 0,2

Потребление тока, active /sleep

15мкА/2мкА

13мкА/1,9мкА

130мА/35мкА

при записи – 0.4 мА,

при чтении – 0.2 мА.

Габариты, мм

17.8 x 27.9 х2

12x22x2.4

32х23,5х2,9

38 × 38 × 3

Топология системы

«точка–точка»,
«звезда», mesh

«точка–точка»,
«звезда»,

«точка–точка», звезда

«точка–точка»

Мощность

-25-0 дБм

от -23 до 0 дБм

8 ± 1 дБм

-18 дБм-0дБм

Таблица2 Сравнение беспроводных интерфейсов.

В качестве основы для разработки был выбран интерфейс ZigBee так как он удовлетворяет основные требования, предъявляемые к разрабатываемому интерфейсу: низкое энергопотребление, различные варианты топологии и самовосстановление сети(mesh-сеть), частота, на которой ведется передача данных 2.4 ГГц.

Bluetooth не был выбран так как вместимость сети составляет всего 8 активных устройств и топологии сети не вариативны. NFC интерфейс не подошел по частотному параметру, центральная частота на которой ведется передача информации 13,56 МГц, а частоты на которых работает электроника модулей не превышает 20 МГц, этот факт дает возможность предположить что возможны проблемы с электромагнитной совместимостью. Также данный интерфейс не является подходящим из-за габаритных показателей антенны(катушки). WI-FI не был выбран высокого энергопотребления по сравнению с остальными интерфейсами, рассматриваемыми при анализе.


4 Проблемы, возникающие при беспроводной передаче информации в экранированном корпусе устройства и пути их решения

При замене традиционного проводного способа передачи на беспроводной могут возникнуть проблемы, связанные с множественными переотражениями и интерференцией сигналов, так как корпус устройства является экранированным (металлическим).

Рис.8 Корпуса устройств.

4.1 Моделирование излучения антенн в замкнутом экранированном корпусе.

Диапазон, представляющий интерес-диапазон с центральной частотой 2.4 ГГц. Для работы на данных частотах используется большое количество разнообразных излучателей (антенн), но для осуществления беспроводной связи внутри замкнутого металлического корпуса прибора, работающего на космическом аппарате, параметры антенны такие как, габариты и масса, играют важную роль, так как эти же параметры жестко регламентированы для самого прибора. В связи с этим выбор возможного варианта антенны привязан к выше упомянутым параметрам, а также к диаграмме направленности, на которой отображается изменение коэффициента усиления антенны в пространстве.

Рис.9 Внешний вид и таблица размеров антенны.

Проведя анализ используемых антенн, выбор с учетом необходимых параметров пал на антенну Small Size 2.4 GHz PCB antenna от TI. Параметры и характеристики антенны приведены ниже.

Рис.10 Зависимость коэффициента S11(коэффициент отражения) от частоты.

По графику видно, что S11 ниже -10 дБм (КСВ меньше 2), это означает что более 90 % энергии подводимой к антенне будет излучено ею.

Антенна была размещена на плате размером 100*120*1 мм, в левом верхнем углу.

Рис.11 Внешний вид антенны.

При моделировании данной антенны, была получена следующая зависимость коэффициента S11 от частоты.

Рис.12 Зависимость коэффициента S11 от частоты, промоделированной антенны.

По данной зависимости видно, что на частоте 2.4 ГГц, коэффициент S11 не превышает -10 дБ (КСВ меньше 2).

Далее было проведено моделирование в замкнутом блоке с размером 100*120*150 мм, внутри которого 4 платы из стеклотекстолита(FR-4), на каждой из них размещена антенна, изображенная на рис.3, к каждой антенне был подведен порт питания (обозначены красным цветом на рис.5) и заземление.

Рис.13 Блок с платами.

Рис.14 Зависимость S-коэффициентов(S11-к. отражения,S12,S13,S14-к передачи) от частоты (антенна 1).

Рис.15 Зависимость S-коэффициентов от частоты (антенна 2).

Рис.16 Зависимость S-коэффициентов от частоты (антенна 3).

Рис.17 Зависимость S-коэффициентов от частоты (антенна 4).

Из приведенных выше зависимостей видно, что коэффициенты отражения S11, S22, S33, S44 первой, второй, третьей, четвертой антенн соответственно, не достигают величины -10 дБ, что говорит о том, что КСВ (рис.10) каждой антенны принимает значение более чем 2, а это в свою очередь означает увеличение потерь мощности.

Так же видно значение коэффициентов передачи S12(коэффициент передачи мощности из первого порта (1 антенна) в третий порт (3 антенна)), S21, S13, S31, S14, S41, S23, S32, S24, S42, S34, S43 имеет низкое значение (от -8 дБ до -16 дБ), следовательно, мощность, принимаемая другой антенной, уменьшается максимально в 40 раз, минимально в 7 раз.

Рис.18 Зависимость КСВ каждой антенны от частоты.

Учитывая, что в данном случае КСВ Каждой антенны больше 2, значит потери мощности на отражение по входу будут составлять более 10 процентов.

КСВ

1

1,3

1,5

1,7

2

3

4

10

% потерь мощности

0

2

3

6

11

25

38

70

Таблица 3.

КСВ (т.н. Коэффициент Стоячей Волны) представляет собой физическую величину, как степень согласования антенно-фидерного тракта. В таблице показано, каковы реальные потери мощности при различных значениях КСВ.

Из проведённого выше моделирования можно сделать вывод:

· Коэффициент отражения антенны (S11, S22, S33, S44) меняет свое значение на нужной частоте (2.4 ГГц) при помещении антенны в экранированный корпус, что означает не оптимальный режим работы, то есть подаваемая мощность в антенну будет излучена не полностью и отразится обратно к передатчику, что может стать причиной выхода его из строя. Об этом же свидетельствует КСВ антенн на рисунке 18.

· Коэффициенты передачи из одной антенны в другую также не являются оптимальными и приводят к высокому затуханию при передаче мощности.

Далее было проведено моделирование с введением дополнительных перегородок между платами. Данное решение было принято в связи с тем, чтобы провести некую стандартизацию характера излучения антенны так, как размеры корпуса могут варьироваться для различных устройств и для того чтобы выровнять и привести к необходимым значениям коэффициент отражения антенны и КСВ, коэффициенты передачи из одной антенны в другую.

Рис.19 Моделирование с введением перегородок (30*30 мм).

На графиках ниже представлены зависимости S-коэффициентов от частоты для каждой из антенн с введением перегородок, показанных на рис.19, длина каждой из стенок 30 мм, высота 30 мм. Моделирование с введением перегородок с приведенными выше размерами показало наилучшие характеристики с использованием выбранной антенны.

Рис.20 Зависимость S-коэффициентов (S11-к. отражения, S12, S13, S14-к передаче) от частоты (антенна 1).

Рис.21 Зависимость S-коэффициентов от частоты (антенна 2).

Рис.22 Зависимость S-коэффициентов от частоты (антенна 3).

Рис.23 Зависимость S-коэффициентов от частоты (антенна 4).

Рис.24 Зависимость КСВ каждой антенны от частоты.

Как видно из рис.16 значение КСВ на нужной частоте является приемлемым, также можно наблюдать, что все коэффициенты передачи имеют идентичный характер полосе часто 2.3-2.5 ГГц для данного вида антенны и имеют значение больше, чем в модели без перегородок.

S21

S31

S41

S12

S32

S42

S13

S23

S43

S14

S24

S34

Модель без перегородок

-12.5

-10.5

-16.6

-12.5

-8.2

-10.8

-10.5

-8.3

-13.1

-16.6

-10.8

-13.12

Модель с перегород–

ками

-5

-10

-13

-5

-8.7

-11.3

-11

-8.5

-5

-13.7

-11.3

-4.5

Таблица 4. Сравнение S-коэффициентов без экранированного канала передачи и с ним

4.2 Проведение эксперимента с использованием модулей интерфейса ZigBee

Чтобы удостовериться в правдивости выдвинутых в предыдущей главе утверждений, а именно были проведены эксперименты с использованием модулей с интерфейсом ZigBee без использования перегородок.

Для работы с модулями XBee XB24-Z7PIT-004 понадобился программатор FOCA v2.2(USB-UART) и отладочная плата IBoard 1.1 (контроллер ATmega328).

Рис.25 Схема проведения эксперимента в экранированном корпусе.

Схема проведения испытаний приведена на рисунке 25. Настройки и тестирование модулей осуществляется через программатор при помощи программы X-CTU, позволяющей оценить количество безошибочно переданных пакетов данных и пакетов с ошибками (но не более 100 пакетов), показатель уровня принимаемого сигнала RSSI.

Для проверки корректности работы модулей и программы было проведено тестирование передачи данных между двумя модулями в открытом пространстве.

Рис.26 Расположение модулей относительно друг друга.

Рис.27 Показатель RSSI при передаче 100 пакетов в открытом пространстве с размером 256 байт (максимальная емкость пакета).

Из рисунка 13 видно, что все пакеты были переданы успешно и показатель RSSI=-25 дБм.

Следующим шагом стало проведение такого же эксперимента, но уже в замкнутом металлическом корпусе (рис.11).

Так как X-CTU позволяет проанализировать не более 100 переданных пакетов, а для проверки устойчивости интерфейса передачи данных проводят испытания с отправкой более 106 пакетов, была написана программа для контроллера ATmega328 с проверкой контрольной суммы 104 пакетов.

Рис.28 Результат тестирования в экранированном корпусе.

Как видно из данных эксперименты, что на 104 переданных пакетов, 17 из них были приняты с ошибками. Данное значение не является допустимым, так ка на 181×106 пакетов в интерфейсе МКО разрешено не более 18 ошибок.

Также о не правильной работе модулей свидетельствует существенный нагрев модуля-передатчика до весьма высокой температуры (обжигает пальцы при попытке прикоснуться).

Как было уже сказано, основной причиной некорректной работы приемо-передающей аппаратуры является множественное переотражение сигнала в экранированном корпусе.

В связи с данными моделирования и тестирований, необходимым является повышение устойчивости системы передачи данных к многократному переотражению (замираниям) внутри замкнутого металлического корпуса.

Введение перегородок является возможным решением и введением некой стандартизации так, как размеры корпусов устройств варьируются. По результатам видно улучшение характеристик антенн, а именно КСВ и коэффициент отражения. Но главным минусом является увеличение массы конечного устройства.

Чтобы избежать увеличения массы прибора, логичным видится использование методов борьбы с переотражением сигналов за счет их специально обработки на приемной стороне. Одним из этих способов борьбы, используемых в современных беспроводных интерфейсах передачи данных, является технология MIMO.

MIMO (англ.Multiple Input Multiple Output) — метод пространственного кодирования сигнала, позволяющий увеличить полосу пропускания канала, эффективно противостоять замираниям радиосигналов, в котором передача данных и прием данных осуществляются системами из нескольких антенн.

Данная технология имеет множество направлений: увеличение пропускной способности канала, увеличение отношения сигнал/шум на приеме, повышение утилизации частотного спектра и т.д.

Рис.29 Использование преимуществ переотражений в технологии MIMO.

Так как в применяемых условиях (металлический корпус) прием сигнала является проблемным местом, что доказывают результаты проведенных экспериментов, то для решения наиболее подходящим направлением технологии MIMO является повышение отношения сигнал/шум на приемной стороне-разнесение при получении сигнала.

4.3 Разнесение при получении сигнала

Если в точке приема есть не менее двух связанных приемников с разнесенными антеннами, то вполне реально провести анализ всех копий на каждом приемнике для выбора лучших сигналов. Далее с этими сигналами можно проводить различные манипуляции и комбинирование.

Для повышения отношения/сигнал шум на приемной стороне используется алгоритм оптимального весового сложения или MRC (maximum ratio combined).

ТехнологияMRC используется во многих современных точках доступа Wi-Fi корпоративного класса. MRC направлен на подъем уровня сигнала в направлении от Wi-Fi клиента к точке доступа WiFi 802.11.
Алгоритм работы MRC подразумевает сбор на нескольких антеннах всех прямых и переотраженных при многолучевом распространении сигналов. Далее специальный процессор (DSP) отбирает лучший сигнал с каждого приемника и выполняет комбинирование. Фактически математическая обработка реализует виртуальный фазовый сдвиг для создания положительной интерференции со сложением сигналов. Таким образом результирующий суммарный сигнал значительно лучше по характеристикам, чем все исходные. С увеличением количества антенн появляется возможность получения наилучших характеристик результирующего сигнала, но повышает сложность аппаратуры и ее ресурсоемкость.

Рис.30 Работа алгоритма MRC.

Учитывая преимущества MIMO технологии, а именно разнесенный прием, можно утверждать, что при использовании данной технологии отпадает строгая привязка к расположению передающего (излучающего) элемента, то есть антенны. Возникает возможность для более гибкого расположения элементов и приемопередающей аппаратуры на плате. Несколько вариантов расположения приемных антенн, расположенных на плате, представлены на рисунке 31.


Рис.31 Возможные варианты расположения антенн на плате.

Рассмотренная технология MRC 1х2-1 передающая антенна, две приемных, судя по данным взятым из книги Eldad Perahia, Robert Stacey. Next Generation Wireless LANs — 802.11n and 802.11ac, позволяет получить наибольший прирост на приемной стороне почти 10 дБ по сравнению с режимом 1х1.

Даже при сравнении систем 2х1 для STBC и 1х2 для MRC при одинаков1ой мощности с двух сторон STBC априори будет давать меньший результат. Связано это с тем, что при передаче сигнала с двух антенн (STBC) мощность делиться на два (-3 dB). При приеме же двумя антеннами (MRC) точка доступа получает сигнал, отправленный на полной мощности. То есть разница между STBC и MRC в режиме 2 приемника или передатчика составляет не менее 3 дБ, что видно из графика на рисунке 32.

Рис.32 Сравнение зависимости коэффициента ошибок PER- Packet Error Rate от отношения мощности полезного сигнала к мощности шума на входе приемника.


Заключение

В заключении можно сказать, что весь список запланированных работ был освоен полностью. Намечены следующие шаги по разработке беспроводного межмодульного интерфейса для космических аппаратов.


Список используемых источников:

ü Eldad Perahia, Robert Stacey. Next Generation Wireless LANs — 802.11n and 802.11ac

ü https://habrahabr.ru/post/215421/

ü https://habrahabr.ru/post/249191/

ü Enhanced Blind Maximum Ratio Combining in Broadcasting Systems Rana Ahmed (Institut für Nachrichtenübertragung, Universität Stuttgart), Ben Eitel (Sony Deutschland GmbH, European Technology Center (EuTEC)) and Joachim Speidel (Institut für Nachrichtenübertragung, Universität Stuttgart)

Источник: портал www.KazEdu.kz

Другие материалы

Каталог учебных материалов

Свежие работы в разделе

Наша кнопка

Разместить ссылку на наш сайт можно воспользовавшись следующим кодом:

Контакты

Если у вас возникли какие либо вопросы, обращайтесь на email администратора: admin@kazreferat.info