Comunicazione wireless - ASK, OOK, FSK, PLL e antenne
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La richiesta di sistemi di trasmissione via radio dei dati da incorporare in prodotti di elettronica di consumo è in continua crescita: elettrodomestici "intelligenti", misura e controllo dei consumi energetici, allarmi senza fili, dispositivi indossabili, serrature elettroniche, e (con requisito di sicurezza) la misura in tempo reale della pressione degli pneumatici. Contano soluzioni semplici, affidabili, a basso costo; molti µC hanno periferiche dedicate alla trasmissione radio. Per le automobili e gli standard nazionali contano le frequenze, la potenza emessa e la sicurezza dei dati (codifica).
Modulazioni digitali
- ASK (Amplitude Shift Keying): l'ampiezza di una portantesegnale ad alta frequenza di cui si varia ampiezza o frequenza per trasportare l'informazione (per esempio sinusoidale) è modulata tra due livelli, uno per il simbolo "0" e uno per "1". Quasi abbandonata nei sistemi moderni, ma importante nelle applicazioni RF dei µC per la semplicità di trasmettitore e ricevitore.
- OOK (On/Off Keying): caso particolare dell'ASKAmplitude Shift Keying: modulazione digitale di ampiezza in cui un livello è zero: presenza di segnale = un simbolo, assenza = l'altro.
- FSK (Frequency Shift Keying): si modula tra due frequenze della portante, una per ciascun simbolo.
Trasmettitori integrati. Un PLL regola la frequenza della portante: è un sottomultiplo intero della frequenza di un oscillatore al quarzo; un amplificatore (, Low Noise Amplifier) pilota l'antenna; l'adattamento tra l'impedenza di uscita e l'antenna () si ottiene con reti esterne di elementi reattivi. OOK: il µC inibisce l'LNALow Noise Amplifier: amplificatore a basso rumore che pilota l'antenna ogni volta che deve trasmettere uno zero. FSK: una capacità interna è messa in parallelo al quarzocristallo che fornisce una frequenza di oscillazione molto stabile con un interruttore comandato dal µC, e sposta la frequenza di oscillazione.
PLL: principio e modello
Il PLL è un circuito a retroazione: l'uscita del comparatore di fasecircuito la cui uscita dipende dalla differenza di fase tra due segnali, filtrata da un passa-basso, comanda un oscillatore controllato in tensione (VCOVoltage Controlled Oscillator: oscillatore la cui frequenza dipende da una tensione di controllo) la cui frequenza è proporzionale alla tensione di ingresso; l'uscita del VCO (eventualmente divisa per ) è riportata al comparatore, che la confronta con il riferimento. Se l'anello è stabile il sistema oscilla alla frequenza imposta dal segnale di ingresso (o a un suo multiplo ) con una relazione di fase ben definita e costante. La stabilità dipende dal progetto del filtro passa-basso.
- Comparatore di fase digitale (XOR): l'uscita è alta quando i due segnali hanno livelli logici diversi; il valor medio è proporzionale alla differenza di fase.
- Comparatore a tre stati (a macchina a stati): a ogni fronte dell'ingresso l'uscita avanza da GND verso passando per lo stato ad alta impedenza; ogni fronte dell'uscita arretra di un passo. In condizioni di errore di fase nullo l'uscita è in alta impedenza: si genera una corrente di carica sul filtro solo se c'è errore.
- VCO: così veloce che si trascura il suo ritardo; guadagno dalla caratteristica statica: [Hz/V]. Esempio: da 1 MHz a 2 MHz con 0-5 V: kHz/V.
- Modello dinamico (piccolo segnale): l'errore di frequenza si traduce in errore di fase tramite (la fase è l'integrale della frequenza); il filtro passa-basso (per esempio , ) fissa la velocità di risposta e la stabilità. Il sistema ha errore nullo, a regime, sia per la frequenza sia per la fase. Una realizzazione digitale con timer è in PLL digitale con i timerUn PLL (anello ad aggancio di fase) tiene un segnale generato a frequenza e fase in relazione costante con un riferimento. In un µC si realizza con un timer in capture (misura il periodo del riferimento) e uno in compare (genera gli impulsi). L'errore di fase $\Delta\phi$ (intervallo tra due eventi) va portato a 0 con un regolatore sul periodo $P$ degli impulsi: compensare solo l'errore istantaneo non basta, serve un PI: $P_{int}(k)=P_{int}(k-1)+\frac{\Delta\phi(k)}N$, $P(k+1)=P_{int}(k)+\frac{\Delta\phi(k)}N$ (con $N$ = rapporto delle frequenze), che è dead-beat (errore nullo in un passo, polo in $z=0$). In pratica si riducono i guadagni per robustezza.PLL digitale con i timer →.
Trasmissione analogica FM e ricevitori
Per alcune applicazioni la trasmissione è ancora analogica, con modulazione di frequenza (FMmodulazione di frequenza): si varia in modo proporzionale al segnale utile la tensione di ingresso del VCO, ottenendo un'uscita la cui frequenza trasporta l'informazione (modulatore con il circuito integrato CD4046). Il ricevitore richiede un'antenna e un circuito di demodulazione: per FSKFrequency Shift Keying: modulazione digitale di frequenza/FM il componente fondamentale è ancora un PLL (demodulatore FM con CD4046circuito integrato che contiene un VCO e comparatori di fase per realizzare un PLL). Per ASK/OOK la ricostruzione è semplice: il segnale d'antenna amplificato (con guadagno logaritmico: amplifica molto i segnali deboli) passa a un rivelatore di piccocircuito che segue il massimo del segnale, usato per demodulare l'ampiezza (anche un raddrizzatore a singola semionda) e si confronta con una soglia con un comparatore a isteresisoglia di commutazione diversa nei due versi, che evita commutazioni ripetute per il rumore (la soglia è la media del segnale ricevuto); per avere un buon SNR bisogna adattare guadagno o soglia al livello del segnale.
Antenne
Le antenne tipiche sono a microstrisciaantenna realizzata con una pista del circuito stampato, realizzate direttamente sul circuito stampato con piste di geometria opportuna. Il progetto non è banale: oltre alla frequenza di risonanza occorre massimizzare la potenza trasferita dall'LNA all'antenna (adattamento di impedenza).
- Loop: irradia soprattutto in direzione ortogonale al piano; lunghezza totale di norma o meno (: a 300 MHz m, quindi il loop è lungo circa 10 cm). Modello: resistenza di radiazione (legata alla potenza irradiata), resistenza di perdita (effetto Joule, domina l'effetto pellela corrente ad alta frequenza scorre solo vicino alla superficie del conduttore e ne aumenta la resistenza) e induttanza . Le capacità di compensazione riducono la componente induttiva e adattano il carico all'impedenza di uscita dell'amplificatore (resistiva-induttiva con induttanza molto bassa; collettore aperto con pull-up all'alimentazione).
- Patch: richiede un piano di massa sotto, quindi irradia solo nel semispazio superiore. La lunghezza fissa la frequenza di risonanza ; la larghezza influisce sulla banda (molto bassa) e sull'impedenza di ingresso. Esempio: cm, : GHz.
Standard wireless
- IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEEE 802.15.1 (Bluetooth), IEEE 802.15.4 (ZigBee). ZigBeestandard IEEE 802.15.4 per reti di sensori a basso consumo è pensato per applicazioni a basso consumo (reti di sensori senza fili): comunicazioni a corto raggio (30 m al chiuso, fino a 100 m all'aperto) tipicamente a 2,4 GHz, che penetra bene pareti e soffitti; velocità bassa (250 kbit/s), adatta a comunicazioni sporadiche, di bassa complessità e durata; applicazioni in domotica, reti di sensori distribuite, controllo industriale. Rete meshrete a maglia, in cui i nodi possono raggiungersi per più percorsi attraverso i router: nodi terminali a stella attorno a un router o a un coordinatore (molti router, un solo coordinatore): il coordinatore può usare più percorsi e raggiungere anche nodi non direttamente visibili, con grande stabilità e robustezza. Prima di trasmettere si verifica lo stato del canale e in caso di canale occupato si ritarda (il duty-cycle di trasmissione è basso): si riduce l'interferenza e si semplifica il software. Modulazione più sofisticata (tipicamente O-QPSK). Molti costruttori offrono µC con moduli integrati per nodi ZigBee.
Errori comuni
- Confondere ASK e OOKOn/Off Keying: ASK in cui un livello è zero: l'OOK è l'ASK con un livello a zero.
- Dimenticare che il PLL è un anello a retroazione e quindi può essere instabile.
- Calcolare la lunghezza di un'antenna loop con invece che con .
- Dire che ZigBee è ad alta velocità: è a basso consumo e bassa velocità.
Versione ripasso
- Modulazioni digitali: ASK (due livelli di ampiezza della portante), OOK (un livello è zero), FSK (due frequenze della portante).
- Trasmettitore integrato: PLL che genera la portante come multiplo intero del quarzo; LNA che pilota l'antenna; adattamento di impedenza con reti di elementi reattivi. In OOK il µC inibisce l'LNA per lo zero; in FSK una capacità interna in parallelo al quarzo ne sposta la frequenza.
- PLL: comparatore di fase → passa-basso → VCO → divisore per . Il VCO ha ; esempio: da 1 a 2 MHz con 0-5 V, kHz/V. A regime l'errore di frequenza e di fase è nullo.
- Comparatore di fase: XOR (il valor medio è proporzionale alla differenza di fase) oppure a tre stati (corrente sul filtro solo se c'è errore). Nel modello dinamico ; la stabilità dipende dal filtro passa-basso (PLL digitale con i timerUn PLL (anello ad aggancio di fase) tiene un segnale generato a frequenza e fase in relazione costante con un riferimento. In un µC si realizza con un timer in capture (misura il periodo del riferimento) e uno in compare (genera gli impulsi). L'errore di fase $\Delta\phi$ (intervallo tra due eventi) va portato a 0 con un regolatore sul periodo $P$ degli impulsi: compensare solo l'errore istantaneo non basta, serve un PI: $P_{int}(k)=P_{int}(k-1)+\frac{\Delta\phi(k)}N$, $P(k+1)=P_{int}(k)+\frac{\Delta\phi(k)}N$ (con $N$ = rapporto delle frequenze), che è dead-beat (errore nullo in un passo, polo in $z=0$). In pratica si riducono i guadagni per robustezza.PLL digitale con i timer →).
- FM: il segnale pilota il VCO (modulatore con CD4046); per la demodulazione FSK/FM si usa ancora un PLL.
- ASK/OOK in ricezione: rivelatore di picco, poi comparatore con soglia (la soglia è la media del segnale) e isteresi per evitare commutazioni dovute al rumore; il guadagno va adattato al livello del segnale.
- Antenna loop: lunga circa (a 300 MHz, m, quindi circa 10 cm). Modello con , (effetto pelle) e ; le capacità adattano l'impedenza.
- Antenna patch: con piano di massa irradia solo nel semispazio superiore; . Esempio: cm, : GHz. La larghezza incide sulla banda, molto bassa.
- Standard: Wi-Fi IEEE 802.11, Bluetooth IEEE 802.15.1, ZigBee IEEE 802.15.4: 2,4 GHz, 250 kbit/s, 30 m al chiuso e 100 m all'aperto, rete mesh con un coordinatore e nodi terminali.
- Errori tipici: ASK e OOK trattati come diversi (l'OOK è l'ASK con uno zero); PLL stabile per definizione (è un anello a retroazione, può oscillare); antenna loop lunga invece di ; ZigBee considerato veloce (è a basso consumo e bassa velocità).
- Adattamento dell'antenna loop: le capacità riducono la componente induttiva e adattano il carico all'impedenza di uscita dell'amplificatore.
- ZigBee in rete: nodi terminali a stella attorno a un router o a un coordinatore; il coordinatore raggiunge anche i nodi non visibili direttamente. Prima di trasmettere verifica il canale e ritarda se è occupato; modulazione O-QPSK.