česky english Vítejte, dnes je středa 26. leden 2022

Pokročilá FHSS technika v 2.4 GHz modulu od Circuit Design

DPS 5/2016 | Vývoj - články
Autor: Circuit Design

Proč je ISM pásmo 2.4 GHz atraktivní pro telekomunikační zařízení určená pro vzdálené ovládání?

Kdokoliv ve světě může použít bezdrátové zařízení pro ISM pásmo 2.4 GHz, takže telekomunikační vysílače pro ovládání, které mohou volně využít ISM pásmo při koexistenci stávajících WLAN a Bluetooth zařízení, jsou velmi atraktivní v průmyslových aplikacích, a je po nich velká poptávka.

Společnost Circuit Design vyvinula telecommand modul NK-2.4Y, který používá FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) techniku pro stabilní komunikaci v rozsahu pásma 2.4 GHz. Modul NK-2.4Y splňuje používané standardy – americký FCC, kanadský IC, evropský EN a japonský ARIB. S pomocí tohoto modulu lze snadno zhotovit rádiové systémy pro použití v průmyslových spínaných aplikacích s dálkovým ovládáním, a to po celém světě.

obr. 1,2,3,4

Proč může být použito několik jednotek ve stejné oblasti, aniž by se rušily s ostatními zařízeními?

FHSS je systém, který přenáší data přebíháním mezi frekvenčními kanály určenými pro komunikaci mezi vysílačem a přijímačem. Modul NK-2.4Y přepíná při přenosu dat náhodně mezi mnoha kanály. Pokud vysílač i přijímač přijmou stejné pravidlo pro přeskakování mezi frekvencemi (např. f5, f10, f3, f7, ..., f1) během přenosu dat, potom jsou data přijata správně. Navíc mohou mnohé dvojice vysílačů a přijímačů volně komunikovat ve stejnou chvíli, i když se jejich pravidlo pro přechod z jedné frekvence na druhé liší (obr. 2).

Otázkou pro mnohé tedy je, jak se mohou zařízení s různými komunikačními metodami snášet?

Tak například si představme, že zařízení Device X (obr. 3) pracuje na specifické frekvenci f5 a modul NK-2.4Y začíná komunikaci s použitím techniky FHSS. Jak je ukázáno na diagramu na obr. 3, když NK-2.4Y vybere f5, signály jsou v konfliktu, ale když vybere jiné frekvence, může komunikovat normálně. Když nastane konfliktní situace, nemůže komunikovat ani Device X, ani modul NK-2.4Y. Device X je zahlcen, takže znovu vyšle data od počátku konfliktu, zatímco NK-2.4Y začne přeposílat odpovídající data, když se přepne na frekvenci f10.

Tímto způsobem nezabírá modul NK-2.4Y určitý frekvenční kanál. Místo toho přeskakuje z jednoho kanálu na jiný, např. z f10 na f3 atd. Ve skutečnosti modul vyhledává volné frekvenční kanály, na kterých může přenést data. Z tohoto důvodu může NK-2.4Y operovat ve stejné oblasti jako jiná zařízení, která používají jiné komunikační metody, jako např. WLAN a Bluetooth.

Předpokládejme situaci, kdy jsou v použité oblasti přítomny i signály systémů s širokým spektrálním záběrem, např. WLAN a Bluetooth.

WLAN používá DSSS k poslání samostatného bloku dat při použití několika rozprostřených frekvencí, takže jak už bylo zmíněno, i když je některá frekvence v konfliktu s NK-2.4Y, WLAN přenese data správně. Je to díky korelační funkci DSSS, která zajišťuje, že může komunikovat použitím několika rozprostřených frekvencí, takže problém nenastane, ani když jsou některé frekvence v konfliktu. Výsledek těchto konfliktů závisí na počtu WLAN zařízení, která operují ve stejné oblasti, ale jediným negativním důsledkem je pokles rychlosti přenosu dat, protože počet opětovně vyslaných dat se zvýší.

Bluetooth zařízení používá stejnou techniku FHSS jako modul NK-2.4Y, takže situace je trochu komplikovanější. U Bluetooth zařízení nastane konflikt, když si vybere stejnou frekvenci jako NK-2.4Y, protože Bluetooth zvýší počet opětovně vyslaných dat, takže jeho rychlost přenosu dat poklesne. U Bluetooth platí pravidlo, že používá 79 kanálů, zatímco NK-2.4Y jenom 20, takže když přeposílání dat nastane, rychlost přenosu klesne v nejhorším případě o 25 %.

Bluetooth je ale od uvedení V1.2 vybaven funkcí AFH (Adaptive Frequency Hopping), která vybírá takové frekvence, které jiné zařízení nepoužívá. Tato vymoženost snižuje počet opakovaných přenosů dat, a tím i rychlost přenosu dat v důsledku konfliktu, takže současná existence Bluetooth zařízení a modulu NK-2.4Y ve stejné oblasti je méně problematická, než je tomu u WLAN.

Vlastnosti pokročilé techniky FHSS

Jak už bylo vysvětleno, zařízení, která využívají FHSS založené na přebíhání mezi frekvencemi, používají náhodně generovaný vzor výběru frekvencí, který se liší od ostatních zařízení.

Když ale ve stejné oblasti operuje několik jednotek, každé zařízení používá jiné časování, které je nezávislé na ostatních. V takovém případě (obr. 4) zařízení Device A vybere občas stejný frekvenční kanál jako Device B, C atd. Tomu se říká konflikt kanálu. S technikou FHSS se této situaci nelze z principu vyhnout.

obr. 5

Jedna vlastnost pokročilé techniky FHSS, která byla vyvinuta u Circuit Design, umožňuje sjednotit pravděpodobnost konfliktu kanálu pro jakékoliv zařízení, a to kdykoliv.

Jedna z výhod pokročilé techniky FHSS je, že i když konflikt kanálu nastane, zajistí při přeskoku na následující kanál, že konflikt už nebude pokračovat. Výsledkem je, že i v případě prostředí s více moduly NK-2.4Y lze zajistit standardní nepravidelnost doby odezvy s ohledem na konflikty kanálu, unikátní pro techniku FHSS.

Jinou výhodou pokročilé techniky FHSS je i to, že nabízí optimální koexistenci se zařízením DSSS WLAN, stejně jako se zařízením používající Bluetooth, jehož časování je nezávislé na NK-2.4Y.

Jak už bylo vysvětleno, modul NK-2.4Y může použít frekvence rovnoměrně, a protože stejné frekvence nejsou vybrány sekvenčně, je tak možné zajistit nejnižší úroveň konfliktu kanálu za každých okolností ve vztahu k Bluetooth a WLAN zařízení, které s NK-2.4Y spolupracují asynchronně.

obr. 6

Závěr

Průmyslová zařízení s rádiem bývají používána ve výrobě nebo v městském prostředí, a jsou tak vystavena neočekávaným interferencím od jiných zařízení, stejně jako různým změnám v RF prostředí. U takových zařízení je proto potřeba se věnovat nastavení a přiřazení frekvenčních kanálů, a v případě problémů je pro uživatele nezbytné nalézt a přepnout na prázdný kanál, případně restartovat zařízení atd.

Modul NK-2.4Y od Circuit Design používá pokročilou techniku FHSS, při které se náhodně přepínají frekvence, takže se o frekvenční kanály není potřeba starat. Navíc je zde zajištěna kontinuální komunikace s vysoce spolehlivými rádiovými zařízeními, včetně potřebné doby odezvy a provozuschopnosti vyžadované pro dálkové spínání v průmyslových aplikacích.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik