Rf transceiver что это
RF модуль
Радиочастотные модули широко используются в электронном проектировании из-за сложности проектирования радиосхем. Хорошая конструкция электронного радиоприемника, как известно, сложна из-за чувствительности радиосхем и точности компонентов и компоновки, необходимых для работы на определенной частоте. Кроме того, надежная цепь радиочастотной связи требует тщательного мониторинга производственного процесса, чтобы гарантировать, что производительность радиочастотного сигнала не пострадает. Наконец, радиосхемы обычно подчиняются ограничениям на излучаемое излучение и требуют испытаний на соответствие и сертификации организацией по стандартизации, такой как ETSI или Федеральная комиссия по связи США.(FCC). По этим причинам инженеры-проектировщики часто проектируют схему для приложения, которое требует радиосвязи, а затем «вставляют» готовый радиомодуль, вместо того, чтобы пытаться создать дискретную конструкцию, экономя время и деньги на разработке.
Несколько несущих частот обычно используются в коммерчески доступных радиочастотных модулях, в том числе в промышленных, научных и медицинских (ISM) радиодиапазонах, таких как 433,92 МГц, 915 МГц и 2400 МГц. Эти частоты используются из-за национальных и международных правил, регулирующих использование радио для связи. Устройства малого радиуса действия могут также использовать частоты, доступные для нелицензионных, например 315 МГц и 868 МГц.
Содержание
Типы радиомодулей [ править ]
Здесь описаны наиболее стандартные, хорошо известные типы:
Модули передатчика [ править ]
Модули приемника [ править ]
Модули приемопередатчиков [ править ]
Модуль РЧ-приемопередатчика включает в себя как передатчик, так и приемник. Схема обычно предназначена для полудуплексной работы, хотя доступны полнодуплексные модули, обычно по более высокой стоимости из-за дополнительной сложности.
Модуль системы на кристалле (SoC) [ править ]
Интерфейс главного микроконтроллера [ править ]
Модуляция радиочастотного сигнала [ править ]
Существует несколько типов методов цифровой модуляции сигнала, обычно используемых в модулях радиопередатчика и приемника:
Подробное описание, преимущества и недостатки перечислены в ссылках выше.
Основные факторы, влияющие на производительность ВЧ модуля [ править ]
Как и в случае любого другого ВЧ-устройства, производительность ВЧ-модуля будет зависеть от ряда факторов. Например, увеличивая мощность передатчика, можно достичь большего расстояния связи. Однако это также приведет к более высокому потреблению электроэнергии на передающем устройстве, что приведет к сокращению срока службы устройств с батарейным питанием. Кроме того, использование более высокой мощности передачи сделает систему более подверженной помехам с другими радиочастотными устройствами и может фактически привести к тому, что устройство станет незаконным в зависимости от юрисдикции. Соответственно, увеличение чувствительности приемника также увеличит эффективную дальность связи, но также потенциально может вызвать неисправность из-за помех от других РЧ-устройств.
Производительность всей системы может быть улучшена за счет использования согласованных антенн на каждом конце линии связи, таких как описанные ранее.
Наконец, обозначенное удаленное расстояние любой конкретной системы обычно измеряется в конфигурации прямой видимости под открытым небом без каких-либо помех, но часто будут препятствия, такие как стены, пол или плотная конструкция, для поглощения радиоволн, поэтому эффективное рабочее расстояние в большинстве практических случаев будет меньше указанного.
Физическое соединение модуля [ править ]
Беспроводные протоколы, используемые в модулях RF [ править ]
Радиочастотные модули, особенно модули SoC, часто используются для связи в соответствии с заранее определенным стандартом беспроводной связи, включая:
Однако радиочастотные модули также часто обмениваются данными с использованием проприетарных протоколов, таких как те, что используются в механизмах открывания гаражных ворот.
Типовые приложения [ править ]
Сертификация радиомодуля в случае интеграции конечного продукта [ править ]
Радиочастотный модуль важен в современном потребительском продукте, но также является лишь частью конечного продукта. Радиомодули развивались с годами. Встроенные регуляторы напряжения и встроенная антенна обычно стараются гарантировать, что радиоэффекты остаются неизменными независимо от их хоста. Вы можете обратиться к большинству измерений радиочастотного спектра на модульном уровне для проверки соответствия при тестировании и сертификации вашего продукта в аккредитованной ISO 17025 лаборатории EMC, RF.
В конце концов, это конечный продукт, который должен соответствовать правилам. Такие аспекты, как здоровье, безопасность и восприимчивость к излучению, не могут быть рассмотрены на модульном уровне.
Гетерогенные PLC/RF модемы для систем сбора данных
Умные счетчики стали реальностью в нашей жизни и главная их особенность – автоматический сбор данных. Как организовать сбор данных в многоквартирных домах и причем здесь гетерогенный PLC/RF модем? Как за 8 лет пройти путь от идеи до серийного производства, столкнуться с общими для области техническими ограничениями и разработать для их обхода собственное решение? Что лучше, передавать информацию по линиям питания (PLC) или использовать беспроводной радио канал (RF). На эти и другие вопросы постараюсь ответить в данной публикации!
Предыстория
Восемь лет назад (в 2013 году) мы вышли на рынок приборов учета, запустив в серийное производство счетчик электрической энергии Милур-104.
Первая версия счетчика электроэнергии
Со временем стало ясно, что общий тренд направлен не на отдельные приборы учета, а на создание автоматизированных систем учета энергоресурсов. Многие производители начали закладывать в свои приборы учета различные интерфейсы для снятия показаний и удаленного управления. В качестве интерфейсов можно было встретить различные решения, начиная от классического для промышленности RS-485, до различных реализаций радиочастотных и PLC трансиверов, были даже экзотические варианты вроде Ethernet.
В основу наших следующих счетчиков (Милур 105/305) легла модульная конструкция, позволяющая добавлять интерфейс передачи данных в виде отдельной печатной платы на этапе производства, что позволило унифицировать конструкцию модельного ряда приборов учета.
Гетерогенная система
В результате анализа ситуации было принято решение делать гетерогенную систему, использующую в качестве среды передачи данных совместно, как силовую линию (PLC), так и радиоканал.
Поскольку проводка является все-таки более изолированной средой передачи данных, чем радиоканал, в качестве основного интерфейса был выбран PLC.
В 2014 году Международным Союзом Электросвязи был выпущена новая версия стандарта ITU-T G.9903, более известного под названием PLC-G3, который и лег в основу PLC части гетерогенного модема.
PLC интерфейс
PLC сигнал в диапазоне CENELEC-B
Сам стандарт PLC-G3 разрабатывался с учетом ненадежности проводки, используемой в качестве передачи данных и поэтому содержит широкий диапазон средств для снижения вероятности возникновения ошибок, уменьшения их влияния на передаваемые данные и коррекции в случае повреждения.
Для передачи данных используется фазовая модуляция (BPSK/QPSK/8PSK), что накладывает меньшие требования к мощности передатчика по сравнению с решениями на основе частотной модуляции и позволяет работать при более низком соотношении сигнал/шум за счет увеличения вычислительных затрат на устройстве. Данные передаются одновременно по нескольким поднесущим посредством ортогонального мультиплексирования (OFDM).
Структура физического уровня PLC
За счет использования скремблера и перемежителя данные распределяются по поднесущим, что помогает избежать полной потери связи в случае возникновения помех, попадающих на часть поднесущих.
Стандарт использует одновременно линейное блочное и сверточное кодирование для увеличения надежности доставки данных.
Радиоканал
В качестве дополнительного интерфейса, а также для связи с устройствами, подключенными к изолированным электросетям или не подключенными к ним вообще, используется радиоканал в диапазоне 868МГц. Поскольку короткие волны диапазона 2.4ГГц хуже распространяются внутри помещений, а также еще на этапе начала разработки в нем уже было «довольно тесно» (а сейчас в городской черте там стало совсем печально) то выбор стоял в основном между 433 и 868МГц. Оба диапазона позволяли использование устройств общего назначения, так что делить эфир с китайской продукцией всевозможного назначения пришлось бы в любом случае, но 868МГц казался на тот момент более перспективным и в результате мы выбрали его, и как со временем оказалось — не ошиблись.
В отличии от PLC части, радиоканал на данный момент у нас реализован на готовом трансивере CC1200, производства Texas Instruments, но в будущем предполагается разработка собственной радиочастотной ИС в том числе и для данного применения.
Спектр радиосигнала PLC/RF модема
После принятия соответствующего решения ГКРЧ в ПО модемов была добавлена поддержка десятка низкоскоростных (1.2-9.6 Кб/c) каналов в диапазоне 868,7-869,2МГц для передачи данных и двух высокоскоростных (125 Кб/c) канала в диапазоне 866-868МГц для настройки и обновления самих устройств.
Для передачи данных на физическом уровне в радиоинтерфейсе используется модуляция 2GFSK, для уменьшения ширины спектра и снижения внеполосных излучений. На физическом уровне используется FEC из стандарта IEEE 802.15.4 для повышения надежности работы канала связи. Систему каналов можно использовать как для сосуществования различных сетей на одном объекте, так и для локального разделения подсетей для снижения утилизации эфира и повышения общей пропускной способности сети.
Развертывание и проблемы
Все описанное выше разрабатывалось и тестировалось с положительными результатами на территории компании Миландр, но все самое интересное началось после установки пробных партий на реальные объекты.
В конце 2017 года была собрана первая опытная партия из нескольких PLC/RF модемов для установки в 17-этажный многоквартирный жилой дом в г. Томск. На момент отправки были некоторые опасения, касательно совместной работы с модемами квартирных радиомодулей, но реальность показала, что сложностей может оказаться больше, чем изначально предполагалось.
Теоретическая модель импеданса сети, предсказуемо не соответствует реальному сопротивлению электрической сети и степень этого несоответствия может достигать нескольких порядков на отдельных частотах.
Любой реальный объект — он «живой», на нем присутствуют люди, которые могут включать и выключать различное оборудование, и состояние среды передачи данных может значительно меняться в течении суток.
Наибольшую проблему для PLC сигнала представляют не помехи от использования бытовых приборов, а поглощение сигнала за счет входных емкостей импульсных блоков питания. В электрической сети с большим количеством ИИП уровень PLC сигнала довольно быстро опускается до отрицательных значений SNR, в таких условиях полезный сигнал еще можно вытащить (за счет использования PSK) и восстановить (за счет кодов коррекции), но даже при этом доля поврежденных пакетов начинает довольно быстро составлять более 50%.
Электрическая сеть имеет распределенную структуру и сигнал отлично без искажений проходящий бухту кабеля 300м может легко не пройти по стояку из подвала до 10 этажа обычного многоквартирного дома.
В электрической сети объекта уже могут быть PLC устройства, использующие различные диапазоны спектра и типы модуляции (например S-FSK).
Спектры PLC сигнала и помех на различных объектах (можно открыть в новой вкладке для увеличения)
Существующие модели могут с неплохим приближением описать поведение радиосигнала на открытой местности, но не в закрытых помещениях со сложной геометрией. В них основную роль начинают играть переотражения сигнала от стен и перекрытий и сложение прямых и отраженных сигналов и от фаз каждой из компонент сигнала зависит степень ослабления в каждой конкретной точке пространства. Теоретически хорошую точность должна показать многолучевая модель, но для таких расчетов необходимо иметь подробные планы каждого объекта, чем маловероятно что будут заниматься перед установкой приборов учета. Физически эффект замирания проявляется в том, что в помещении образуются области, в которых стабильный радиообмен затруднен или вообще невозможен.
Счетчики электроэнергии часто устанавливаются в этажные щиты учета на лестничных площадках, которые представляют из себя, наверное, худшие условия, в которые можно поместить оборудование, использующее радиоканал — железная дверь с передней стороны и железобетон конструкций или металлические стенки ящика с трех других сторон — идеальные условия, если не для экранирования сигнала, то как минимум для его множественных переотражений.
Состояние эфира в диапазоне 868МГц на одном из объектов
В целом мы столкнулись с теми проблемами, с которыми сталкивались большинство производителей приборов учета при начале промышленного производства и для которых не существует стандартного решения. Косвенно подтверждением наличия сходных проблем можно считать отзывы о наличии проблем с качеством связи у систем АСКУЭ других производителей.
Решения
Одним из лучших решений в плане радиоканала считалось решение на основе LoRa. Для наших устройств дальность стабильной связи на открытом пространстве достигала 5-7 км, максимальная была около 10 км, для LoRa заявлялись сходные характеристики. Но поскольку специфика систем АСКУЭ в большинстве случаев предполагает установку приемопередающих устройств в помещениях, то было проведено сравнение работы радиоканала для нашей системы, состоящей из УСПД Milan IC 02 и квартирного радиомодуля и системы на основе LoRa+LoraWAN, где в качестве шлюза использовался Tektelic KONA Micro, с датчиком Tektelic KONA Home Sensor. Мощность шлюза и УСПД была установлена на +25dBm, а обоих датчиков на +14dBm, трансиверы LoRa были настроены на режим SF7/125кГц, в нашей сети использовался канал 9.6Кб/c шириной 25кГц.
Сравнение качества сигнала RF части модема и LoRa
Результаты измерений показали, что в условиях внутри помещений LoRa, несмотря на более надежную CSS модуляцию и большую ширину канала, фактически сталкивается с теми же проблемами переотражения и затенения, что и наше решение. Фактически не удалось получить какого-то значимого преимущества в работе какой-то из систем в тестовых условиях.
Многие производители систем учета предлагают следующие способы в качестве решения проблем качества каналов:
Установка дополнительных шлюзов и базовых станций.
Установка ретрансляторов PLC или RF сигнала.
Использование датчиков или приборов учета в качестве ретрансляторов.
Конечно, с точки зрения покупателя системы первый способ является наихудшим решением, так как ведет к дополнительным затратам. Классическая ретрансляция, реализуемая повторной отправкой принятых пакетов, проста в настройке, но значительно увеличивает нагрузку на сеть, снижает полезную утилизацию канала (при повышении общей), и при неправильной настройке может приводит к широковещательным штормам.
В качестве альтернативны было выбрано решение с честной маршрутизацией пакетов через модемы, установленные в приборы учета. Это позволяло аккуратно и надежно настроить маршруты пакетов до устройств, прямая связь с которыми была недостаточно стабильна или полностью отсутствовала. Для 17-этажного одноподъездного дома, служившего тестовым объектом, максимальная цепочка составила три промежуточных устройства между УСПД и опрашиваемым прибором. Добавление маршрутизации позволило почти полностью решить проблемы со связью с дальними от УСПД устройствами. Конфигурация модемов проводилась при помощи УСПД удаленно, постепенно записывая дерево маршрутов от ближних устройств к дальним.
Окно конфигурации дерева маршрутов PLC/RF сети
Несмотря на то, что использование статической маршрутизации помогло повысить надежность каналов связи, оно было все равно промежуточным решением, так как требовало от операторов управляющих компаний знания или анализа структуры настраиваемых объектов. Помимо этого иногда приходилось сталкиваться с ситуациями, когда жильцы, уезжая на отдых, полностью отключали приборы учета установленными перед ними рубильниками/автоматами. В случае, когда такой прибор был промежуточной точкой в маршрутах для устройств, установленных выше, это приводило к потере связи сразу с целыми сегментами сети.
Поэтому параллельно с испытаниями в компании Миландр, совместно с компанией Астрософт велась разработка обновленной версии системы, основанной на отечественной ОСРВ и использующей динамическую маршрутизацию. В качестве алгоритма маршрутизации стандартом 6LoWPAN (который мы в том числе начали реализовать) предлагалось использовать алгоритм реактивной маршрутизации LOADng. Классические алгоритмы проактивной маршрутизации, применяемые в компьютерных сетях требуют регулярного обмена пакетами между каждой парой связанных устройств в сети. Поскольку сейчас реализация компьютерных сетей связи в домах уже почти однозначно ассоциируется с технологией Ethernet и витой парой, а также типом связи устройств точка-точка (порт-порт), то кажется что что проблем с поддержкой регулярного обмена пакетами не будет. Но если вспомнить, что оба используемых нами интерфейса представляют из себя общую среду передачи данных, разделяемую между всему устройствами в зоне видимости (в том числе и не принадлежащими к нашей системе), то возникает закономерный вопрос — не превысит ли трафик накладных расходов на поддержание сети трафик полезных пакетов с опросом приборов учета.
Одной из дополнительных задач для автоматизации было добавление приборов учета и датчиков в УСПД для периодического опроса. В большинстве систем АСКУЭ это возможно сделать только вручную, занеся в базу данных информацию о приборе, месте его установке, параметрах, и т. д. В нашей системе была добавлена возможность для автоматической регистрации и обнаружения устройств в сети. После включения модем запрашивает у связанного с ним прибора учета его параметры (название, тип, серийный номер) и начинает активное сканирование эфира, отправляя на выбранном канале (или каналах) запросы поиска соседних устройств. После чего происходит попытка подключения к каждой из обнаруженных сетей. При совпадении ключей и прохождении фильтрации по белым/черным спискам устройств на УСПД устройство получает логический адрес в сети и привязывается к УСПД как к координатору. При этом на УСПД появится вся информация о приборе учета и оператору будет нужно только привязать его в ручном режиме к реальному месту установки и потребителю при необходимости.
Информация о приборах учета в УСПД
В гетерогенной сети помимо устройств с PLC/RF модемами могут также присутствовать устройства только с RF интерфейсом и с автономным или низковольтным питанием, как например квартирные радиомодули (счетчики импульсов, подключаемые к счетчикам воды, газа и тепла с импульсным выходом), датчики температуры и влажности, газосигнализаторы и т. д.
Пример построения дерева алгоритмом MTP
Сетевой стек PLC/RF модема
Поскольку разработка системы и ее развертывание на объектах происходили параллельно, то был реализован механизм обновления модемов устройств без физического доступа к прибору и повреждения пломбировки. Так как модем является отдельным модулем, взаимодействующим с прибором учета, то его ПО не относится к метрологической части и изменение его версии (с изменением контрольной суммы) не требует повторной поверки прибора учета. Обновить ПО можно двумя способами: или используя протокол удаленной настройки и управления самого модема, посредством отправки маршрутизируемых IPv6 пакетов по гетерогенной PLC/RF сети или с использованием протокола управления канального уровня и отправки прошивки по одному из широких радиоканалов, что значительно быстрее, но требует физического нахождения рядом с обновляемым модемом.
Небольшой оффтоп об обновлении
На самом первом объекте мы столкнулись с ситуацией, когда после установки нашей системы учета управляющей компанией поставщиком электроэнергии были установлены вводные приборы учета, также использующие PLC в диапазоне CENELEC A, но с другой модуляцией (S-FSK) и с высокой утилизаций канала (более 50%). На тот момент ПО модемов не поддерживало изменение диапазона работы PLC, поэтому единственным решением было обновление прошивки всех приборов учета на объекте по каналам со скоростью в 1-10 Кб/с. Дополнительной сложностью было то, что при смене частотного диапазона PLC терялась совместимость с предыдущей версией, поэтому обновление было необходимо устанавливать, двигаясь от самых дальних приборов (с точки зрения маршрутов) к ближним. В целом процесс прошел успешно, но для сотни с небольшим приборов занял чуть более месяца.
Со стороны УСПД модем на уровне драйвера интегрирован в ОС Linux. Для обращения к устройствам на используются IPv6 адреса, включающие в себя серийный номер прибора. В УСПД модем представляется как сетевой адаптер, на который можно открыть обычный UDP сокет для обмена данными с устройствами. Для анализа сети можно использовать стандартные утилиты вроде traceroute, tcpdump, а настройки самого модема вынесены в sysfs.
Работа с модемом в системе УСПД
Поскольку в ПО модемов также используется модульный подход, то их можно легко переконфигурировать под нужды заказчика и для применения в других системах, кроме АСКУЭ, например в качестве одной из ветвей является версия для управления светофорами на перекрестках, где полностью отключены алгоритмы маршрутизации и подтверждения сообщений и изменены настройки алгоритма множественного доступа к среде для достижения гарантированного времени доставки пакетов.
Персональная радиосвязь. Что? Почем? Зачем?
Здесь не будет никаких схем и скучных лекций об основах радио. Цель статьи – объяснить разницу между имеющимися на рынке моделями. Почему цена может так отличаться, и как это влияет на потребительские характеристики.
Небольшой экскурс
Почти каждый раз, когда в непрофильном кругу заходит речь о средствах персональной радиосвязи, находится кто-то, кто очень удивляется, что подобные устройства все еще активно используются. А аргументация таких скептиков всегда одинаковая: зачем нужны все эти рации, если у каждого в кармане и так есть мобильный телефон с GSM, UMTS, LTE, WiFi, GPS, и еще десятком других страшных слов в комплекте.
Сразу хочу попросить прощения за некоторый снобизм, но по «религиозным» соображениям в этой статье я все-таки буду использовать слово радиостанция.
Конечно, любителям активного отдыха, равно как и профессионалам, работающим группами где-нибудь далеко за пределами теплых кабинетов, ничего объяснять не нужно. Эти люди регулярно пользуются персональной радиосвязью и ее удобство для них очевидно. Но, тем не менее, для остальных поясню ключевые различия мобильных телефонов и радиостанций. Сначала о преимуществах последних.
Автономность. В большинстве случаев персональная радиосвязь осуществляется в так называемом прямом канале, непосредственно от передающего устройства к принимающему. Соответственно, никакая внешняя инфраструктура для такой связи не требуется. Радиостанции прекрасно работают на полюсе и посреди океана, где нет сотовых сетей. Побочный продукт автономности – отсутствие какой-либо платы за связь.
Мгновенность. Радиостанция не требует набора номера и ожидания ответа. Ты просто нажимаешь на кнопку, говоришь, и твои слова сразу доносятся из любого приемного устройства, настроенного на тот же частотный канал. Это бывает очень важно в экстремальных условиях, где тыкать в сенсорный экран, свисая с края обрыва, бывает не всегда удобно.
Широковещание. Одну передающую радиостанцию принимают все, кто находится в зоне ее действия и настроены на ее канал. То есть это связь один-ко-многим, где количество приемников вообще никак не ограничено. Хоть десять, хоть тысяча. Крайне удобно при работе в большой группе, где обычным телефоном пришлось бы обзвонить каждого, потратив на это уйму времени.
Я в курсе про PTT и Zello-подобные сервисы, но мало кто знает, что сообщение через такой канал может приходить с задержкой до десятков секунд. В условиях борьбы с пожаром, например, это вечность.
Теперь о главных недостатках.
Ограниченная дальность. Обратная сторона автономности. Сигнал портативной радиостанции в условиях земной поверхности распространяется обычно на расстояние от нескольких сотен метров до пары-тройки километров. В зависимости от высоты, рельефа, и других факторов. Связи на многие десятки километров, как это иногда показывают в кино или на страничках продавцов, не будет.
Мгновенность. Да, это еще и недостаток. При входящем телефонном звонке можно не спеша вынуть его из кармана, психологически настроиться на прием информации. А вот радиостанция может начать говорить сразу и по делу, без предварительных ласк, так сказать. В результате пионер должен быть всегда готов.
Отсутствие адресности. Обратная сторона широковещания. При связи в группе нельзя вызвать отдельного человека. Максимум, что можно сделать, это в общем канале предложить абоненту перейти на другой канал, где и обсудить персональные вопросы. Это, конечно, гораздо менее удобно, чем прямой звонок по телефону. Да и еще нужно не забыть потом вернуться в общий канал.
Нет подтверждения доставки. Далеко не факт, что переданную информацию принял ее адресат. Не факт, что ее вообще хоть кто-нибудь принял. Например, все абоненты находятся слишком далеко, или их радиостанции настроены на другой канал. Именно поэтому при такой связи правилом хорошего тона является подтверждение факта приема словом «принял» или каким-то подобным образом.
Симплекс. Это когда нельзя одновременно говорить и слушать. Еще и кнопку нажимать. Более того, когда говорит кто-то один, никто другой больше говорить тоже не может. Точнее может, но кого из нескольких говорящих услышит тот или иной абонент – воля случая. Близкий передатчик перекроет дальнего, а вот сигналы равноудаленных передатчиков не наложатся как обычные голоса, а сделают друг друга полностью нечитаемыми.
Ограниченное количество каналов. В отличие от сотовой связи, где за динамическое распределение каналов отвечает сеть, здесь канал выбирают люди, причем его смена часто сопряжена с организационными, а, может, и техническими трудностями. Все это часто ведет к конфликтам в эфире. Для уменьшения влияния этого фактора придумали субтона (CTCSS, DTS и тому подобные «субканалы»), которые позволяют хотя бы не слушать чужую болтовню.
Внимание! Закрытие на субтон не является средством шифрования или иного способа ограничения доступа к вашим разговорам. Эта технология всего лишь закрывает ваш приемник от чужих сигналов на той же частоте. Другими словами, это вы перестаете слышать передачи соседей, а не они ваши.
Отсутствие приватности. Если не уходить в высокие материи шифрованной цифровой связи, то все ваши разговоры могут быть не просто легко услышаны посторонними, но и нарушены чужим в них вмешательством. Некоторые радиостанции имеют в своем составе аналоговый обфускатор сигнала – скремблер, но это сравнительная редкость, да и как шифрование он так себе, что-то типа WEP из мира WiFi, кто захочет – легко раскодирует. Поэтому не забываем старую армейскую мудрость.
Как видим, недостатков выше крыши. Часть из них устранена в профессиональной аппаратуре, но все равно понятно, что радиостанции – это не про бытовую или деловую связь, т.е. не замена телефону.
Мне очень нравится аналогия с сетевыми протоколами.
Сотовый телефон – это TCP. Связь точка-точка; обязательно предварительное соединение с получением согласия на связь от принимающей стороны; гарантированная доставка пакетов; нотификация сторон об аварийном разрыве канала; используется как в локальных, так и в глобальных сетях.
Радиостанция – это UDP. Связь как точка-точка, так и точка-многоточка; никаких предварительных соединений, просто шлешь пакеты и все; нет не только гарантии доставки, но и гарантии того, что кто-то вообще слушает данный порт; аварийный разрыв канала обнаруживается только по отсутствию входящего трафика; чаще применяется в локальных сетях.
При этом никто не говорит, что TCP должен стать заменой UDP. Более того, в «тяжелых» сетевых условиях рекомендуется использовать как раз-таки UDP.
Но, не смотря на все недостатки, такая связь снискала популярность у озвученных выше категорий пользователей. А теперь переходим к теме статьи.
Чуть более десяти лет назад выбора радиостанций фактически не было. Конечно, была и есть дюжина производителей, предлагающих похожие решения по похожей (высокой) цене. Но разница между этими продуктами заключается в основном в оформлении и сервисных функциях. Строятся они все по одному принципу и работают примерно одинаково.
Приемный тракт этих радиостанций построен по супергетеродинной схеме на дискретных элементах или аналоговых микросхемах малой степени интеграции. Передатчик состоит из задающего генератора, совмещенного с модулятором, нескольких каскадов умножения частоты, и усилителя мощности. Тут тоже используются отдельные транзисторы или простенькие микросхемы (а так же гибридные сборки). То есть передатчик и приемник являются аналоговыми устройствами, а из-за того, что некоторые части схемы используются ими совместно, радиостанции такого типа еще называют трансиверами.
Такие устройства я буду далее называть «классическими», ведь принципы их работы известны уже более ста лет.
Сегодня же, благодаря китайским товарищам, на рынке представлено около сотни моделей. Порой похожих друг на друга как близнецы, порой очень не похожих. Но, что главное, цены разных моделей тоже порой отличаются чуть ли не на порядок. Дело в маркетинге и «свистелках», или не только?
RDA и все-все-все
Начнем с самого вкусного по цене и оттого крайне любимого в народе бренда под названием Baofeng. Не буду отрицать, он просто перевернул рынок с ног на голову. Благодаря ему портативные радиостанции превратились из гаджетов в расходный материал. Теперь не нужно откладывать целую зарплату на радиостанцию, достаточно разок не сходить в ресторан. В чем же секрет?
Секрет в этой маленькой микросхеме, всего 5×5 мм, одна тетрадная клетка
Несмотря на некоторый антагонизм радиостанций и мобильных телефонов, своим появлением на свет «Баофенги» обязаны как раз разработкам в области сотовой связи.
Однажды, один инженер спросил себя: если в любом копеечном мобильнике прямо в процессор встроен приемопередатчик с неплохими характеристиками, то почему радиостанции такие сложные и дорогие? Нельзя ли наработки мобильной связи применить для построения такой же дешевой радиостанции?
И закономерно оказалось, что вполне можно. Ведь приемопередатчик радиостанции структурно значительно проще приемопередатчика сотового терминала. Тут и частоты ниже, и переключение прием-передача проще, и требования к стабильности характеристик на порядок мягче. Почему бы и да?
В результате всех этих логических заключений, а потом и инженерных усилий, на свет появилась замечательная микросхема RDA1846, которая включает в себя почти всю радиостанцию. Тут и синтезатор частот, и тракты приемника с передатчиком, включающие в себя все ключевые узлы, и даже интерфейсы SPI и I 2 C для связи с внешним микроконтроллером, более характерные для периферии «ардуин» с «малинками».
Короче, идея сработала на все 200%. Радиостанции на базе этой микросхемы получились примерно той же цены, что и самые дешманские мобильники на базе высоко-интегрированных SoC типа все-в-одном, то есть буквально от двух десятков долларов. И, что тоже очень важно, по некоторым параметрам они даже превзошли классические изделия начального уровня при кратно более низкой цене!
Но наш мир устроен так, что не бывает, чтобы все было хорошо. Где-то должен быть подвох. И он, к сожалению, есть.
Что находится внутри радиостанции Motorola или Kenwood, стоимостью двести долларов? Там очень много разных деталей, среди которых уйма конденсаторов и катушек. Причем, часть катушек еще и с переменной индуктивностью, которую нужно вручную подгонять в каждом экземпляре на этапе производства. Еще обычно есть несколько увесистых кварцевых резонаторов и керамических фильтров.
Все эти детали не запихнуть внутрь кристалла микросхемы. Особенно подстроечные элементы. А если просто вынести их наружу, то получится не намного проще и дешевле, чтобы считать это революцией.
Аналоговые микросхемы приемников и передатчиков, которые содержат в своем составе все, что можно разместить на кристалле, конечно, давно существуют. Но их применение не дает радикальных преимуществ, поэтому многие классические радиостанции все еще базируются на дискретных транзисторах в своей высокочастотной части.
Именно по этой причине интегральные приемники и передатчики строятся по другому принципу. В них аналоговый сигнал подвергается лишь самой минимальной обработке.
Если несколько упростить, то приемник после непродолжительной подготовки переносит сигнал на более низкую частоту, попутно разделяя его на составляющие, и сразу же оцифровывает. Все последующие манипуляции производятся уже над цифровым потоком. Ровно тот же принцип, что у SDR, только алгоритмической обработкой занимается встроенное DSP-ядро, а не отдельный компьютер.
Передатчик наоборот, формирует целевой сигнал полностью «в цифре», и только перед самым выводом его на ножку чипа, подвергает цифро-аналоговому преобразованию и переносу на нужную частоту.
Такой подход позволяет избавиться от 90% тех деталей, которые нельзя вытравить на поверхности кремниевой подложки, а заодно и от всех тех, которые нужно подкручивать в процессе настройки.
Конечно, по количеству элементов схема такого трансивера оказывается на три порядка сложнее аналогового. Но благодаря тому, что вся она теперь размещается на кристалле, который можно штамповать миллионными тиражами, итоговая цена оказалась очень низкой.
В результате получается отличный передатчик, и приемник, который обладает очень хорошей чувствительностью, но имеет некоторые проблемы.
Тот, кто использовал приемники типа RTL-SDR в городе, хорошо знает, как они ведут себя при наличии в эфире мощного мешающего сигнала. Сигнал этот начинает приниматься везде, а не только на своей частоте. А в момент появления такой помехи «проседает» весь спектр, как будто уровень всех остальных сигналов резко уменьшился.
Происходит это из-за того, что диапазон входных напряжений, которые такой приемник может обработать, ограничен схемотехникой входных цепей и разрядностью АЦП. Если типичная чувствительность приемника равна примерно 0.1 мкВ, то даже в идеальных условиях 16-разрядный АЦП упрется в верхний предел своего динамического диапазона уже при входном напряжении всего около 3 мВ. В реальности еще в несколько раз ниже. А такой сигнал легко можно «словить» даже в нескольких километрах от его источника, особенно на внешнюю антенну.
Что происходит при «переполнении» АЦП мощным сигналом? Примерно то же самое, что и при засветке камеры прямым солнечным светом. Каждый видел подобные кадры.
Внутри яркого круга тоже есть ветки и листья, но их не видно
На снимке мы видим, что из-за солнца все цвета поменялись. Темные тона превратились в серые, причем чем ближе к солнцу, тем сильнее искажается цвет. А начиная с некоторой степени приближения уже все пиксели сливаются в сплошной белый цвет и информация о них теряется полностью. Этот порог яркости и есть предел возможностей аналоговых ячеек или АЦП матрицы.
Ровно те же эффекты происходят и в «ослепленном» приемнике. Сильный сигнал заметно подавляет даже то, что далеко отстоит от его частоты. Слабые сигналы при этом начинают тонуть в шумах. А все то, что оказалось рядом с частотой «засветки» – полностью перекрывается помехой.
Это далеко не все негативные последствия перегрузки приемника, но уже достаточно, чтобы объяснить такую неприятную особенность «Баофенгов», как способность принимать помехи от автосигнализаций на любой частоте, даже при большой отстройке от мусорного канала 433.920 МГц. Сигнал рядом расположенной жужжалки в данном случае играет ту же роль, что и прямой солнечный свет на испорченной фотографии.
Можно, конечно, повысить разрядность АЦП до 24 бит и получить неплохой динамический диапазон от 0.1 мкВ до 0.7 В, но тогда нужно будет перевести на 24-битные рельсы и DSP. И заодно не забыть про аналоговые цепи на входе, которые должны потреблять значительный ток для того, чтобы без искажений пропускать через себя почти вольт входного напряжения. Все это можно сделать, но итоговая цена и потребление энергии подобного чипа уже делает его почти бессмысленным по сравнению с аналоговой «классикой».
Кстати, такие решения активно применяются, например, на рынке коротковолновых радиостанций, где проблема динамического диапазона стоит гораздо острее. Но цена их, как я уже сказал, даже выше, чем у классических аппаратов, и вся возня затеяна не для удешевления, а ради огромных возможностей, предоставляемых цифровой обработкой сигнала.
Итак, что мы имеем? «Баофенги» дешевые, компактные, экономичные, чувствительные по приему, но плохо чувствуют себя в загруженном городском эфире.
Их идеальная «среда обитания» – на природе, в море, в пустыне, на полюсе. Короче, подальше от помех, где полностью сможет раскрыться потенциал их чувствительного приемника.
Соответственно, где их применять не нужно – это в авиации и воздухоплавании, на электротранспорте, а в городских условиях быть готовым слушать все сигнализации в радиусе ста метров. И ни в коем случае даже не думать о подключении внешней антенны, в том числе и автомобильной. Вообще ничего кроме штатного «крысиного хвостика» подключать крайне не рекомендую. Чем лучше антенна, тем сильнее проявляются все недостатки RDA-чипа. Вплоть до того, что прием слабых сигналов на внешнюю антенну будет хуже, чем на штатную.
RDA на стероидах
Описанные выше недостатки заставили некоторых производителей пойти на небольшое усложнение и удорожание радиостанции с целью улучшить ее приемные характеристики.
Суть улучшения простая. Раз однокристальный приемник так боится сильных помех, нужно его от них по возможности оградить. Для этого на входе приемника ставятся дополнительные фильтры, состоящие из катушек индуктивности и электрически управляемых конденсаторов переменной емкости – варикапов.
На самом деле варикап – это простой диод, но сейчас не об этом.
Во время установки частоты процессор при помощи встроенного ЦАП меняет напряжение на варикапах так, чтобы их емкость в комбинации с индуктивностью катушек образовывала LC-контуры, настроенные примерно на эту же частоту. Буквально пара таких контуров, соединенные в цепочку, образуют фильтр, который позволяют прямо на входе приемника эффективно отсеять все сигналы, отстоящие от рабочей частоты более чем на несколько мегагерц. В результате радиостанция перестает слышать сигнализации по всему диапазону и вообще работает на прием гораздо лучше.
Ценой улучшений кроме подорожания становится небольшое ухудшение чувствительности приемника из-за потерь в фильтре (ведь остальная схема, в частности усилитель ВЧ, осталась без изменений). Но эти потери с лихвой компенсируется улучшением помехозащищенности, в результате чего способность к приему слабых сигналов в условиях города становится только лучше.
ShiQun SQ-UV25 выглядит точно так же
Какие выводы? Эти радиостанции по качеству приемника занимают промежуточное положение между «Баофенгами» и супергетеродинами. Их можно достаточно комфортно применять в городе со штатной антенной. А в отдаленных местностях даже присоединить наружную антенну по необходимости.
По-прежнему плохо RDA себя чувствует в городе с внешней антенной, и на электротранспорте.
Классика
Классическая схемотехника позволяет приемнику работать в трудных условиях городского эфира и на электротранспорте, где помех еще больше. Но во всем нужно знать меру. Входные цепи даже у супергетеродинного приемника портативной радиостанции заточены в первую очередь на чувствительность и экономичность. Способность противостоять сильным мешающим сигналам хоть и выше, чем у RDA, но использовать внешнюю антенну все равно надо с осторожностью.
Для работы с полноразмерными антеннами рекомендуются только стационарные и некоторые автомобильные аппараты. Их разработчикам не нужно было экономить каждый миллиметр на плате. Даже в режиме приема с закрытым шумоподавителем эти аппараты потребляют от источника питания ток до нескольких ампер. Именно такой ценой достигается широкий динамический диапазон, и поэтому портативная радиостанция никогда не сравнится с ними по этому параметру.
Каков итог? Классические аппараты можно использовать почти без ограничений в любых условиях кроме варианта с внешней антенной в особо загруженном эфире.
Из недостатков более высокая цена и энергопотребление, обычно меньше разных сервисных функций.