Маломощные радиочастотные устройства и диапазоны ISM
Цифровая модуляция может помочь повысить надежность радиочастотной связи малой мощности. И что такое диапазон ISM?
При рассмотрении с исторической точки зрения радиочастотные системы тесно связаны с мощной передачей. Мы представляем себе большие антенны для AM и FM станций, военные радиостанции для больших расстояний и даже экзотические приложения, такие как системы, используемые для связи с космическими аппаратами и управления ими. Эти системы связаны со смутной идеей о том, что более длинное расстояние лучше, и, следовательно, больше мощности – тоже лучше.
Радиочастотная передача на высокой мощности отнюдь не несущественна или редка, но во многом она всё больше отделена от нашей повседневной жизни. Или, по крайней мере, мы можем сказать, что она менее заметна в нашей повседневной жизни, потому что в настоящее время основное внимание уделяется небольшим маломощным беспроводным устройствам.
В таких системах экстремальные проектные усилия направлены на достижение приемлемой производительности при минимально возможном энергопотреблении. Это означает, что эффективность может быть более важна, чем передача максимальной мощности, а также означает, что может не быть желания достичь максимального расстояния. Цель состоит в том, чтобы достичь достаточного расстояния, то есть расстояния, которое позволит использовать устройство по назначению.
Интересный пример – слуховые аппараты. Для вас не должно стать сюрпризом, что сенсорная система человеческого тела предназначена для работы с двумя ушами, человеческий мозг совершенствует нашу способность испытывать и реагировать на звук, объединив эти два связанных сенсорных потока (предположительно, довольно сложными способами). Ношение слуховых аппаратов в обоих ушах может помочь восстановить это сбалансированное восприятие звука, но современные устройства идут дальше, фактически осуществляя связь между слуховыми аппаратами. Таким образом, два слуховых аппарата могут «работать вместе», чтобы точно настроить свой отклик.
Это идеальный пример радиочастотной системы, которая не нуждается в максимизации расстояния. Разработчики почти точно знают, какое расстояние будет разделять передатчик и приемник, и нет реальной ситуации, в которой было бы полезно иметь более длинное расстояние.
Цифра и аналог
Важной технологией в маломощных радиочастотных системах является цифровая модуляция. Это не относится к передаче фактически цифровых (то есть прямоугольных) сигналов; хотя это не невозможно, это непрактично, потому что прямоугольный сигнал содержит большое количество гармонических составляющих. Передаваемый сигнал будет содержать большие количества энергии на частотах, очень удаленных от несущей частоты, и, следовательно, он будет источником помех.
Как обсуждалось в предыдущей статье, электромагнитный спектр должен оставаться организованным, чтобы гарантировать, что многочисленные несвязанные устройства смогут надежно реализовывать беспроводную связь. Это означает, что беспроводные передачи должны быть ограничены определенным выделенным частотным диапазоном, а это невозможно при использовании прямоугольных сигналов.
Цифровая модуляция
Таким образом, цифровая модуляция использует синусоидальные сигналы, как это делает аналоговая модуляция. Разница заключается в том, что в цифровой системе модуляция несущей не представляет собой непрерывное представление аналогового низкочастотного сигнала. Вместо этого она представляет цифровые данные. Изменения в несущем сигнале происходят в дискретных частях, называемых символами, и каждый символ представляет собой один или несколько битов. Далее в этом учебнике мы рассмотрим цифровую модуляцию более подробно.
Цифровая модуляция обеспечивает преимущества, аналогичные преимуществам типовой цифровой связи. Поскольку информация передается, как дискретные биты вместо непрерывно изменяющегося сигнала, мощность передачи может быть сведена к минимуму с очень небольшой потерей данных – если мощность достаточна для того, чтобы приемник мог различать логические ноль и единицу, все данные будут переданы успешно. Кроме того, цифровая связь позволяет приемнику запрашивать у передатчика повторную передачу определенных частей данных, если например, временные помехи вызвали кратковременное снижение отношения сигнал/шум.
Цифровые радиочастотные системы, часто называемые каналами передачи данных, имеют дополнительное преимущество в том, что они могут оценивать свою собственную производительность в реальном времени. Алгоритм обнаружения ошибок, такой как циклический избыточный код (CRC), может использоваться для оценки качества связи. Если приемное устройство отмечает значительное увеличение частоты ошибок в битах, оно может запросить у передатчика увеличить его выходную мощность. Таким образом, энергопотребление передатчика может быть оптимизировано на основе фактической производительности линии передачи данных.
Диапазоны ISM
Как обсуждалось в предыдущей статье, любая организация, которая хочет работать с радиопередатчиком, должна получить явное разрешение от соответствующего регулирующего органа (например, FCC в США, или ГКРЧ и ГРЧЦ в России). Наиболее заметным исключением из этого правила является использование диапазона ISM.
ISM означает «industrial, scientific and medical», «промышленный, научный и медицинский». Предположительно, это отражает первоначальное намерение FCC, но это название больше не актуально. Диапазоны ISM используются многочисленными устройствами из других категорий продуктов: Bluetooth, Wi-Fi, домашние системы безопасности, радиочастотная идентификация (RFID), игрушки, беспроводные телефоны...
Нелицензируемый или нерегулируемый
Диапазоны ISM нелицензируемы, но они точно не нерегулируемы. «Нелицензируемый» означает, что законно разрабатывать и продавать устройство ISM диапазона без получения явного разрешения регулирующего органа. «Нерегулируемый» означает, что вы можете передавать всё, что хотите, до тех пор, пока вы остаетесь на частотах ISM, но это не так.
Наиболее простым ограничением является мощность передачи: в общем, мощность, подаваемая на антенну, не может превышать 1 Вт (30 дБм). Однако ситуация становится более сложной, когда вы вникаете в детали, такие как скачкообразная перестройка частоты или широкополосная передача.
Кроме того, существуют ограничения на внеполосную передаваемую энергию – это актуально, поскольку гармоники низкого порядка могут давать в результате значительную передаваемую энергию, которая выходит за пределы допустимого диапазона частот.
Наиболее важный ISM диапазон – это диапазон 2,4 ГГц, хотя 2,4 ГГц на самом деле не является центральной частотой; а его полоса простирается от 2,4 до 2,4835 ГГц. Основным преимуществом этого диапазона является его доступность во всем мире – другие ISM диапазоны варьируются от одного региона к другому, но 2,4 ГГц доступны для нелицензированной работы во всем мире.
Резюме
- Маломощные радиочастотные устройства становятся всё более распространенными в нашей повседневной жизни. Помимо общего интереса к экономии энергии, работа на малой мощности увеличивает срок службы батареи.
- Цифровая передача данных является важной технологией во многих радиочастотных системах; в маломощных системах она позволяет более эффективно использовать энергию батареи.
- Цифровая модуляция относится к использованию аналоговых сигналов для передачи цифровых данных.
- ISM диапазоны являются наиболее значительными исключением для типовых требований лицензирования радиочастот. В многочисленных беспроводных устройствах используются частоты ISM.
- Для устройств ISM диапазона не требуется лицензия, но они должны соответствовать правилам, по которым регулируются эти диапазоны.