Vítejte, dnes je
sobota 23.
listopad
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky 
Před bezdrátovou komunikací neutečete. Vytváří zcela zásadní podobu prakticky u všech technologií, se kterými přicházíme denně do styku, ať již doma, v práci, nebo ve svém autě. Vysoké frekvence (vf) a bezdrátový návrh se v elektronickém průmyslu považují za umění, které si žádá odborníky, takže terminologii a zásadním principům obvykle rozumí jen ti, kteří se tomu věnují. Jenže vývojáři hardwaru, včetně vestavných návrhů, stále častěji zjišťují, že se při své práci bez pochopení základních pojmů z oblasti vf návrhu neobejdou.
V našem článku proto prozkoumáme základy bezdrátové komunikace, budeme se zabývat některými klíčovými pojmy a vysvětlíme si rovněž důležité výrazy či termíny.
Bezdrátová komunikace je zkrátka všude
Trvale dostupnou konektivitu dnes považujeme za něco zcela samozřejmého. Bezdrátová komunikace zde přitom tvoří základ všech našich technologií – od sluchátkových sad s Bluetooth® a chytrých telefonů až po domácí multimediální centra nebo infotainment v automobilech. Seznam bezdrátových aplikací nebere konce a díky inovacím, pokud jde o mimořádně nízkou spotřebu vf transceiverů, se může rozrůstat ještě více.
V průběhu posledních dvou desetiletí jsme při zavádění bezdrátové konektivity zaznamenali výrazné zrychlení, které počátkem nového tisíciletí v našich domácnostech odstartovaly sítě Wi-Fi®. Počítačové periférie připojené přes Bluetooth® byly v tomto kontextu zpočátku pomalé, nicméně jejich využívání v případě sluchátek či jejich sad u mobilních telefonů brzy nabralo na obrátkách. Rozhlédněte se dnes v jakékoli domácnosti, kanceláři nebo továrně a spatříte bezdrátovou propojitelnost na každém kroku. Umožňuje mobilitu na osobní úrovni, osvobozuje od drátů a rozšiřuje i komunity.
Přenášíme informace bezdrátovou cestou
Aby vývojáři a také technici plně pochopili, jak bezdrátová komunikace funguje, musí vzít v úvahu několik základních věcí. Vf komunikace je v prvé řadě závislá na elektromagnetickém vlnění, což jsou synchronizované oscilace elektrického a magnetického pole šířící se prostorem. Tento předpoklad jako první vyslovil skotský fyzik James C. Maxwell již v roce 1872 při zkoumání světla. Spektrum elektromagnetického vyzařování je přitom nesmírně široké a zahrnuje např. dlouhé rádiové vlny, mikrovlny, viditelné světlo nebo ultrafialové záření. Pojem vlnová délka, měřená v metrech, poté popisuje vzdálenost mezi vrcholy či dvěma odpovídajícími body elektromagnetické vlny, viz obr. 1, např. v rozsahu do deseti kilometrů (dlouhovlnné rádio), ale třeba i v řádu desítek nanometrů (v případě UV). Viditelné světlo, které dokáže lidské oko zaznamenat, se pro ilustraci nachází mezi 380 a 750 nm.
Obr. 1 Elektromagnetické spektrum zasahuje od dlouhých rádiových vln až po rentgenové paprsky a gama záření nebo ještě dále (zdroj: Mouser Electronics)
Maxwellovy rovnice předpověděly existenci elektromagnetického pole, kterou však experimentálně potvrdil až Heinrich Hertz v roce 1887. Frekvence vln je měřena v cyklech za vteřinu a na počest Heinrichovy práce se vyjadřuje v hertzích (Hz). Vlnová délka odpovídá převrácené hodnotě kmitočtu. Použitelné rádiové frekvence přitom zabírají značnou část spektra (obr. 2), od 30 kHz pro vysílače na dlouhých vlnách do 300 GHz, tedy pásma mm vln pro telekomunikace nebo např. astronomii.
Obr. 2 Vf spektrum aneb od velmi nízkých kmitočtů (VLF) až po ty mimořádně vysoké (EHF, zdroj: Mouser Electronics)
Vysokofrekvenční vlny jsou vyzařovány nebo se šíří ze svého zdroje a podobně jako u světla budou ovlivňovány odrazy, rozptylem či absorpcemi. Způsob jejich šíření se mění s kmitočtem a vytváří základní podstatu rádiové komunikace. Jestliže pochopíme, jak a kudy se vlny šíří, dokážeme určit maximální vzdálenost, včetně spolehlivosti komunikačního kanálu. Vlny směřující mezi dvěma body označujeme jako zemní, přímé či povrchové. U relativně krátkých vzdáleností bez překážek v cestě pak hovoříme o přímé viditelnosti. K přenosu může docházet i přes ionosféru, což případnou vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem ještě rozšíří (obr. 3).
Obr. 3 K otázce šíření rádiových vln různými způsoby (zdroj: Mouser Electronics)
Ionosféra je tvořena několika vrstvami, označovanými jako D, E a F. Schopnost vrstev odrážet vf vlny závisí na ionizaci slunečním zářením, což se ale neustále mění s denní dobou a také ročním obdobím. Krátkovlnné vysílače využívají tohoto způsobu šíření k překlenutí dlouhých vzdáleností, nicméně komunikace může být ovlivněna výrazným kolísáním intenzity signálu, včetně odrazů, pokud jde o různé trasy. Každý, kdo někdy poslouchal vysílání na krátkých vlnách během dne či v noci nebo středovlnné vysílače během noci, nejspíš dobře ví, o co se jedná.
Rádiový signál je tvořen sinusovou vlnou o stanovené frekvenci, nazývané nosná. K přenosu jakéhokoli zvuku či digitální informace pak bude nosná potřebovat modulaci. Obvykle se využije řada různých způsobů. Pro komerční vysílání jsou populární amplitudová (AM) a frekvenční (FM) modulace nasazované od počátku dvacátého století. Amplitudová modulace dle očekávání mění amplitudu nosného signálu, zatímco kmitočtová modulace zachovává stálou amplitudu, ale měnit bude frekvenci, např. v důsledku vstupního zvukového signálu. Rozdíl plyne z obr. 4. Vstupem je audio kmitočet s konstantní amplitudou. AM průběh vykresluje, jak se bude měnit amplituda vysílaného signálu podle signálu zdroje, u FM je pak místo toho ovlivňována frekvence. K získání původního signálu z modulované nosné slouží demodulace.
Obr. 4 Rozdíl mezi modulacemi AM a FM (zdroj: Mouser Electronics)
Mezi složitější způsoby modulace, používané pro vysokorychlostní datovou komunikaci, lze zařadit
- BPSK (binary phase shift keying),
- OFDM (orthogonal frequency division multiplex),
- QAM (quadrature amplitude modulation).
Základní pojetí přijímače
Na obr. 5 vidíme výchozí funkční blokový diagram přijímače typu superhet s jedním mezifrekvenčním stupněm, který se obvykle použije k příjmu AM vysílání v pásmu středních či krátkých vln. Směšovač a místní oscilátor (LO) převádí požadovaný vf signál níže na mezifrekvenci (mf). Navzdory změnám LO je mezifrekvence pořád stejná, což dále zjednodušuje návrh mf zesilovače a filtrů. Číselně se bude jednat o 10,7 MHz nebo 455 kHz, přičemž k dispozici je i možnost dvojího směšování.
Obr. 5 Funkční blokový diagram jednostupňového superhetu – přijímače AM vysílání (zdroj: Mouser Electronics)
Na popularitě nyní získává i přímá konverze, resp. nulová mf, kdy je místní oscilátor nastaven na požadovanou frekvenci příjmu, takže lze signál v základním pásmu, připravený k demodulaci, získat rovnou ze směšovače. Bloky přijímače sloužící k demodulaci a zpracování signálu navíc stále častěji používají číslicové metody zpracování založené na softwaru. SDR, jako „software-defined radio“ se již stalo normou pro řadu složitých vf aplikací typu mobilních základnových stanic, chytrých buněk či zabezpečených systémů bezdrátové komunikace.
Při práci s jakýmkoli vf signálem bude oblíbenou mírou relativní intenzity signálu či výkonového výstupu dBm (decibel milliwatt) vztažený k 1 mW. Podobně jako u jakéhokoli měření s decibely lze takto rovněž signalizovat zisk nebo ztráty stupně zesilovače či filtru. U přijímače se tím normálně uvádí jeho citlivost – minimální síla signálu, která přichází v úvahu. Modul s Wi-Fi může ke spolehlivé činnosti kupříkladu vyžadovat signál na úrovni -70 dBm. Profesionální krátkovlnné přijímače si zase dokážou poradit s něčím tak slabým, jako je -100 dBm, zatímco u satelitní navigace jdeme s citlivostí ještě dále. Přijímač zde totiž bude typicky pracovat s intenzitou signálu dosahující dokonce -150 dBm. Jednotka dBm se také používá k popisu zisku antény. Jedná se o klíčovou záležitost ovlivňující při instalaci celkový „rozpočet“ bezdrátové linky. K tomu se ale ještě dostaneme.
Na téma antén a vysílače
Antény mohou mít nejrůznější podoby a také velikosti. Délka antény obecně odpovídá použité vlnové délce. Typicky se můžeme setkat s půlvlnným nebo i čtvrtvlnným dipólem. U skutečně nízkých kmitočtů se mohou délky počítat v řádu kilometrů. Pro mnohem vyšší frekvence, jako je např. pásmo 2,4 GHz využívané rozhraním Wi-Fi, bude naproti tomu půlvlnná anténa měřit pouze 30 mm. Kvůli ještě kompaktnějšímu provedení vývojáři rovněž používají některé originální způsoby, kdy anténu v podstatě „poskládají“, takže lze vyrobit přímo na desce plošného spoje nebo flexibilním obvodu. Obr. 6 ukazuje flexibilní dipólovou anténu pro mobilní aplikace od Linx Technologies [1].
Obr. 6 Flexibilní anténa ANT-LPF-FPC-50 od Linx Technologies je vhodná pro celou řadu mobilních aplikací, včetně GNSS či LPWAN (zdroj: Linx Technologies)
Pro dosažení optimálního přenosu energie musí impedance antény odpovídat impedanci výstupu výkonového zesilovače na straně vysílače. V případě antén, koaxiálních kabelů či koncových stupňů se ustálila hodnota 50 Ω. Pokud nejsou impedance sladěné, energie se vrací zpět ke koncovému stupni (PA) vysílače, a bude-li příliš velká, může jej i poškodit. Činitel VSWR (voltage standing wave ratio) nám poté ukáže, kolik výkonu se odráží zpět k vysílači místo toho, aby se jinak vyzářil. Na obr. 7 sledujeme charakteristiku VSWR pro flexibilní anténu Linx Technologies ANT-LPF-FPC-50. Poměr 1 : 1 signalizuje nulový odražený výkon, přičemž v praxi pro většinu aplikací vyhovuje VSWR 1 : 3.
Obr. 7 Průběh VSWR v závislosti na kmitočtu pro půlvlnný dipól, anténu Linx Technologies ANT-LPC-FPC-50 (zdroj: Linx Technologies)
Další způsob, jak postihnout impedanční nepřizpůsobení antény, vede přes útlum odrazu měřený v dB (return loss). Takovou charakteristiku vidíme pro anténu ANT-LPC-FPC-50 na obr. 8. Nižší útlum signalizuje menší výkonovou ztrátu způsobenou impedančním nepřizpůsobením.
Obr. 8 Charakteristika útlumu odrazu v případě antény Linx Technologies ANT-LPC-FPC-50 (zdroj: Linx Technologies)
Mezi další charakteristické vlastnosti antény patří zisk a vyzařovací diagram. Ziskem vyjádřeným v dBi odkazujeme na hypoteticky bezztrátovou izotropní anténu (vyzařuje rovnoměrně ve všech směrech jako koule). Některé antény vyzařují v konkrétních směrech větší výkon (viz polarizace). Když tedy vývojáři znají příslušný vyzařovací diagram (obr. 9), mohou při osazení zvolit pro různé případy tu nejlepší polohu. Výsledky jsou pro antény obvykle vynášeny formou polárních diagramů pro každou rovinu.
Obr. 9 Vyzařovací diagram antény obnáší tři různé roviny (zdroj: Linx Technologies)
Jak na spolehlivý bezdrátový spoj
Abychom určili, zda je možné na konkrétní vzdálenost realizovat bezdrátový spoj, potřebujeme u takové linky provést rozpočet. Jedním z klíčových činitelů se stává útlum volné trasy. Při šíření signálu se bude poplatně geometrickému rozptylu čela vlny snižovat hustota výkonu. Výpočtem útlumu trasy ve volném prostoru pak zjistíme, jak velký výkon obdržíme v odlehlém místě. Vzorec zde mezi vysílačem a přijímačem předpokládá přímou viditelnost:
Překážky tvořené krajinnými prvky, budovami nebo např. stromy ztráty na trase jen prohlubují. Spousta výrobců se zaměřením na vysokofrekvenční techniku, včetně antén, má kalkulačky pro výpočet útlumu trasy ve volném prostoru k dispozici na svých stránkách.
Na obr. 10 jsou konečně znázorněny všechny faktory vstupující do hry mezi vysílačem a přijímačem. V našem příkladu má vysílač (Tx) výstupní výkon +20 dBm a připojen bude k anténě se ziskem +10 dBi. Pro ztráty v koaxiálním kabelu pak máme vyčleněny -2 dBm. Na straně přijímače (Rx) zase počítáme, že anténa s vyšším ziskem dosahuje +14 dBi, zatímco ztráty na kabelu zde činí -2 dBm. Citlivost přijímače, zjištěná z dokumentace, je rovna -82 dBm. Zároveň jsme již dříve spočítali útlum trasy v délce 5 km a obdrželi -114 dBm. Vzniká tedy otázka: bude přijímaný signál dostatečně silný, abychom s ním zajistili spojení? Pokud všechny údaje v souvislosti s tzv. „link budgetem“ započteme, lze očekávat signál na úrovni -74 dBm, což u citlivosti přijímače stále představuje rezervu 8 dBm.
Obr. 10 Abychom dokázali rozhodnout o spolehlivosti bezdrátového spoje mezi dvěma body v prostoru, neobejdeme se bez výpočtů a jednoduché rozvahy (zdroj: Mouser Electronics)
Shoda s předpisy
Pokud jde o dodržování norem, každé vf zařízení může podléhat třem různým typům:
- Certifikace protokolu bezdrátové komunikace
Protokoly vf komunikace, jako jsou Bluetooth či Wi-Fi, budou zřejmě vyžadovat certifikaci. Moduly nebo bezdrátové transceivery v podobě SoC (systems-on-chip) jsou certifikovány příslušnými organizacemi (např. Wi-FI Alliance, [2]).
- Svolení k využívání kmitočtového spektra
Je známo, že některé metody bezdrátové komunikace pracují v celostátně licencovaném spektru – třeba mobilní telefony. Další, jako je např. rozhraní Bluetooth, licenci mít ale nemusí.
- Prototyp a jeho schvalování
V některých případech budou muset národní či místní regulační orgány pro vf techniku schvalovat jakýkoli bezdrátový modul či obvod. Celý proces pak zajistí, že ostatní uživatelé nebudou obtěžováni žádnými elektromagnetickými interferencemi a řešení vyhoví všem specifikacím, pokud jde o výstupní výkon či koexistenci kanálů a rušení.
Chopte se otěží. Vyrážíme bezdrátovou cestou
V tomto krátkém článku jsme si představili některé klíčové pojmy a výrazy spojené s vf technikou a bezdrátovým návrhem. Každé z témat si každopádně zaslouží podrobnější vysvětlení, na které už ale nezbylo místo. Text je proto dobré vnímat jako odrazový můstek vedoucí k dalšímu průzkumu v tomto úchvatném oboru.
S návrhem vf systému v pásmu delších vln se zase tak často nesetkáme, nicméně kontext nám alespoň pomůže vysvětlit některé výše uvedené principy. Vývojáři se dnes obvykle věnují projektům nad 100 MHz a s relativně krátkým dosahem. Máme tu ale též kosmický prostor a satelity komunikující na obrovské vzdálenosti. Zde již bývá kvůli významným ztrátám na přenosové cestě zapotřebí vysokých výkonů, stejně jako vysoce směrových antén s mimořádně velkým ziskem.
Odkazy:
