Разнесённый приём (Antenna Diversity)
Одними из наиболее негативных явлений, возникающих в процессе передачи информации через радиоэфир, являются замирания сигнала. Радиосигнал сотовой связи во время распространения от источника к получателю может отражаться от различных препятствий. Вследствие многочисленных переотражений к получателю может прийти не одна, а сразу несколько копий исходного сигнала. При этом если одна из копий окажется в противофазе с основным источником сигнала, т.е. отставать от него на половину периода (1,5; 2,5 и т.д.), то после сложения двух копий сигнала в приемнике энергия основного сигнала окажется подавленной его копией. В результате этого вся или почти вся энергия переданного сигнала будет потеряна. Это в свою очередь приведет к ошибке в приеме сообщения. Также на сигнал во время передачи могут воздействовать различные виды помех и искажений. Кроме того, во время передачи радиосигнал претерпевает затухание. В итоге на приемной стороне энергия сигнала может оказаться ниже порога чувствительности приемника, что приведет к пропуску сигнала или ошибочному его приему.
Одни из возможных способов борьбы с обозначенными выше проблемами это использование нескольких копий сигнала на приемной стороне. Существует несколько вариантов получения копий сигнала, например повторная передача. Тогда это будет временное разнесение. Также можно передавать один и тот же сигнал на разных частотах – это частотное разнесение. Однако подобные способы разнесения требуют дополнительных затрат ресурсов. В сотовой связи используются более экономичные, но не менее эффективные способы разнесения: пространственное и поляризационное. Для реализации пространственного разнесения на базовой станции устанавливаются не одна, а две антенны на прием. Причем антенны могут быть установлены с вертикальным или горизонтальным пространственным разносом. Однако обычно на практике применяется горизонтальное разнесение, т.к. при этом требуется меньшее расстояние между антеннами. От каждой из приемных антенн до приемопередающего оборудования прокладывается отдельный фидер, а уже приемники базовой станции оценивают оба принятых сигнала. В результате вероятность появления эффекта «замирания» сигнала сразу на двух антеннах значительно снижается. Кроме того увеличивается суммарная принятая энергия полезного сигнала.
Принцип разнесенного приема
При использовании материалов ссылка на сайт обязательна
Одна антенна – хорошо, а две – лучше
Технология разнесенных в пространстве антенн – лучший способ повышения достоверности передачи сигналов в беспроводных сетях систем безопасности и контроля. Примеры разработок компании Texas Instruments помогут реализовать эту технологию при построении таких сетей на базе беспроводных микроконтроллеров CC13xx/CC26xx.
В системах безопасности, контроля и охраны объектов особое значение имеет надежность и достоверность передачи сигналов тревоги с удаленных датчиков. Беспроводные системы зачастую вынуждены работать в условиях, затрудняющих прием радиосигналов. Охранные датчики иногда приходится размещать в неудачных с точки зрения приема радиосигналов местах, что вызывает особые проблемы при доставке тревожных сообщений.
При передаче радиосигнала от источника к приемнику могут возникать множественные отражения электромагнитных волн от встречающихся на пути их распространения препятствий, будь то стены, потолок, пол внутри помещений или деревья и проходящие по улице люди. В результате на антенну приемника приходят запаздывающие по фазе дополнительные сигналы, которые, складываясь с основным сигналом, могут вызывать его затухание, вплоть до полного пропадания.
Для борьбы с этим явлением используется технология с пространственно разнесенными антеннами (Antenna Diversity). Она позволяет в условиях нестабильного радиоприема повысить надежность радиосвязи и максимизировать для конкретной точки вероятность доставки пакетов данных.
Антенны, разнесенные в пространстве
Для реализации разнесенного приема компания Texas Instruments (TI) предлагает использовать дополнение (патч) к программному обеспечению для беспроводных МК CC13xx/CC26xx. Этот патч обеспечивает поочередное переключение двух антенн в процессе приема и передачи радиосигналов.
Программный алгоритм управления приемом от двух внешних антенн использует внутренний сигнал радиочастотного ядра (RFC_SMI_CL_OUT), который может быть направлен внутри чипа CC13xx на любой доступный цифровой вход/выход (DIO). Этот сигнал управляет внешней микросхемой высокочастного коммутатора, который поочередно подключает одну или другую антенну.
Алгоритм действий основан на оценке качества принимаемого сигнала в сравнении с заданным уровнем – порогом качества преамбулы (Preamble Quality Threshold – PQT). Под преамбулой понимается заголовок пакета в виде последовательности нулей и единиц, Преамбула передается перед полезными данными пакета и имеет длительность от одного до нескольких десятков байт.
Переключение приемных антенн работает следующим образом: если преамбула не обнаружена с помощью первой антенны, происходит переключение внешнего коммутатора и повторный старт процедуры приема с помощью второй антенны. При обнаружении заголовка алгоритм переключает коммутатор и проверяет прием заголовка другой антенной. Если заголовки принимаются обеими антеннами, то выбирается антенна с более высоким уровнем сигнала (RSSI) и затем начинается поиск слова синхронизации. Если окажется, что преамбула принимается лишь с одной антенны – коммутатор переключается на нее и начинается процесс синхронизации. На рисунке 1 показана диаграмма последовательности состояний в этом процессе.
Рис. 1. Блок-схема работы разнесенных антенн
Для повышения надежности обнаружения преамбулы может быть использован опциональный дополнительный контроль уровня несущей. Эта функция может быть включена или выключена программно.
Если питание радиоядра не отключалось, то последняя используемая антенна будет автоматически использоваться при переходе в режим передачи. Это условие гарантирует передачу подтверждения с той же самой антенны, с помощью которой был принят последний пакет.
Автоматическая регулировка усиления
Алгоритм разнесенных антенн использует отдельную автоматическую регулировку усиления (АРУ) (Automatic Gain Control – AGC) (ANT_DIV AGC). Эта АРУ не используется при поиске заголовка. АРУ выполняет регулировку усиления тракта ВЧ только в процессе синхронизации (рисунок 1), а затем использует индикатор мощности принятого сигнала (RSSI) от выбранной антенны для расчета оптимального коэффициента усиления по ВЧ.
Изменить уровень сигнала, с которого АРУ начинает уменьшать усиление, можно путем программирования опорного уровня АРУ RSSI (AgcRssiRef) (таблица 1).
Таблица 1. Регистры конфигурации
| Регистр | Биты | Обозначение | Описание | По умолчанию |
| 0x4004 52B0 | 15…8 | PreTimeout | PreTimeout_bits = PreTimeout + 8 | 0x02 |
| 7…0 | SyncTimeout | SyncTimeout_bits = SyncBits + PreamBits + SyncTimeout – 31 | 0x18 | |
| 0x4004 52B4 | 15 | NA | Не используется | 0x00 |
| 14 | CsQual | Контроль уровня несущей заголовка | 0x01 | |
| 13…12 | NA | Не используется | 0x00 | |
| 11…8 | PreLen | Количество бит заголовка для корреляции: PreLen_bits = PreLen + 1 | 0x07 | |
| 7…0 | PreThr | Порог корреляции заголовка | 0x0B | |
| 0x4004 6088 | 15…0 | AgcRssiRef | Опорный уровень АРУ RSSI для регулировки усиления: AgcRssiRef_dBm = AgcRssiRef – 216 [dBm] | 0xFFA6 |
| 0x4004 6090 | 15…8 | Reserved | Резерв | 0x0A |
| 7…0 | CS_THR | Порог контроля несущей: CS_THR_dBm = CS_THR – 256 [dBm] | 0x91 |
Система АРУ использует уровни измеренного и запрограммированного опорного RSSI для вычисления AGC_ERROR и оптимального уровня усиления, как показано в уравнении 1.
Ограничения на формат пакета
Алгоритм разнесенных антенн обеспечивает расширенные возможности в отношении скорости передачи данных, но имеет ограничение, связанное с минимальной длиной заголовка. Уравнение 2 показывает расчет минимальной длины заголовка.
В наихудшем случае уровень принимаемого сигнала находится вблизи порога чувствительности.
Например, если первая антенна пропускает ожидаемую преамбулу, и уровень сигнала оказывается слишком низким для приема на вторую антенну, то на это уходит два временных интервала. Затем приемник обнаруживает преамбулу, после чего необходимо опять проверить прием со второй антенны. Данный случай с потерей четырех временных слотов является наихудшим вариантом. Кроме того, необходимо учесть и внутреннюю аппаратную задержку на обработку и переключение режимов в самом чипе.
Таким образом, для установки по умолчанию с PreTimeout = 10 символов, минимальная длина заголовка составит 6 байт.
Настройка регистров
Для настройки регистров используется программа SmartRF Studio. Однако при использовании патча (antenna diversity patch) необходимо удалить из Studio Code Export три регистра и один добавить. Удаляются регистры HW_REG_OVERRIDE(0x6084, 0xXXXX), HW_REG_OVERRIDE(0x6088, 0xXXXX) и HW_REG_OVERRIDE(0x608C, 0xXXXX). Добавляется регистр MCE_RFE_OVERRIDE (1, 0, 0, 1, 0, 0).
Регистры конфигурации
В патче для разнесенных антенн доступны следующие регистры конфигурации (таблица 1).
Содержимое регистров можно изменить с помощью специальной функции By static overrides в следующем формате: HW_REG_OVERRIDE(0xXXXX, 0xYYYY),
Регистры статуса
В патче для разнесенных антенн доступны перечисленные в таблице 2 регистры статуса.
Таблица 2. Регистры статуса
| Регистр | Биты | Обозначение | Описание | По умолчанию |
| 0x4004 5178 | 15…0 | AntSelect | Выбор антенны TX и RX: 0 – Антенна 0;1 – Антенна 1 | 0x00 |
| 0x4004 517C | 15…8 | RSSI1 | RSSI антенны 1 | 0x00 |
| 7…0 | RSSI0 | RSSI антенны 0 | 0x00 | |
| 0x4004 51C8 | 11…0 | AntSelect0Cnt | Счетчик выбранной антенны 0 | 0x00 |
| 0x4004 51CC | 11…0 | AntSelect1Cnt | Счетчик выбранной антенны 1 | 0x00 |
В режиме TX AntSelect выбирает антенну, которая использована для передачи. Регистры конфигурации не запоминаются, поэтому после отключения и повторного включения питания РЧ-ядра необходимо обновлять регистр AntSelect. Процессор ARM Cortex-M3 должен прочитать и запомнить значение регистра перед выключением питания РЧ-ядра для того чтобы записать его снова перед переходом в режим TX.
Регистры могут быть прочитаны посредством команды CMD_READ_RFREG и переопределены с помощью команды CMD_PROP_RADIO_DIV_SETUP.
Пример программы
Использование патча прозрачно для пользовательского приложения при корректных настройках и применении для управления антенным ключом сигнала RFC_SMI_CL_OUT на одном из цифровых выводов процессора.
Пример простого приложения приема пакетов rfPacketRX доступен после загрузки операционной системы TI-RTOS для CC13xx и CC26xx. После загрузки и установки TI-RTOS в папку по умолчанию C:\ti\tirtos_cc13xx_cc26xx_x_xx_xx_xx\docs вы найдете там, собственно, примеры приложений для разных сред разработки и руководство Getting_Started_Guide_cc13xx_cc26xx. Чтобы использовать пример rfPacketRX в режиме работы с разнесенными антеннами, необходимо выполнить следующие шаги.
Патчи rf_patch_mce_genfsk_ant_div_pqt.h и rf_patch_rfe_genfsk_ant_div.h должны быть сохранены в той же самой папке, где находится smartrf_settings.c.
#define IOC_PORT_RFC_SMI_CL_OUT 0x37
#define ANTENNA_SELECT IOID_X//Added if the switch requires two control signals
#define ANTENNA_SELECT_INV IOID_Y
PINCC26XX_setMux(pinHandle, PIN_ID(ANTENNA_SELECT), PINCC26XX_MUX_RFC_SMI_CL_OUT);
PINCC26XX_setMux(pinHandle, PIN_ID(ANTENNA_SELECT_INV), PINCC26XX_MUX_RFC_SMI_CL_OUT);
Они позволяют вывести сигнал RFC_SMI_CL_OUT на предусмотренные цифровые выводы контроллера (ANTENNA_SELECT и ANTENNA_SELECT_INV).
Использованный для передачи экран SmartRF Studio с настройкой 50 кбит/c и длиной заголовка в 6 байт представлен на рисунке 2.
Рис. 2. Настройка SmartRF Studio для передачи
При тестировании разнесенных антенн использовались следующие параметры:
Чувствительность
Частота пакетных ошибок (PER) в зависимости от уровня входной мощности
На рисунке 3 представлена зависимость PER от входного уровня при 6-битном заголовке и с аттенюатором в 6 дБ на антенне.
На рисунке 4 представлена зависимость PER от входного уровня при 8-битном заголовке и с аттенюатором в 6 дБ на антенне.
 |  |
| Рис. 3. Зависимость PER от уровня входного сигнала при 6-битном заголовке | Рис. 4. Зависимость PER от уровня входного сигнала при 8-битном заголовке |
Результаты тестирования антенн
Использованный комплект оборудования позволил оценить надежность приема от двух разнесенных антенн в сравнении с одиночными антеннами в одно и то же время в аналогичных условиях затухания сигнала.
В процессе тестирования использовались:
Все три приемника находились в режиме приема в одно и то же время. На рисунке 5 представлена блок-схема комплекта тестового оборудования.
Рис. 5. Блок-схема комплекта для тестирования разнесенных антенн
Одно устройство СС1310ЕМ используется в качестве передатчика. Два приемника СС1310ЕМ подключены к ANT1 и ANT2 напрямую, через соответствующий сплиттер, а третий – к обеим антеннам через коммутатор и сплиттеры. Он использует в работе патч разнесенных антенн (DIV).
Штыревые антенны были размещены под прямым углом друг к другу. Точки подключения антенн размещены на расстоянии в четверть волны друг от друга (рисунок 6).
Рис. 6. Комплект разнесенных антенн
Для выбора соотвествующей антенны через коммутатор используются сигналы, формируемые на двух цифровых выходах CC1310.
Настройка ПО
Для работы патча разнесенных антенн в составе тестового комплекта нужно модифицировать пример rfPacketRx как описано выше. Кроме того, нужно сделать проверку в функции обратного вызова после процедуры приема,, чтобы определить, от какой именно антенны был получен пакет. Эта проверка происходит при чтении AntSelect из регистра 0x4004 5178 (таблица 2).
Для чтения регистра и отслеживания количества пакетов, принятых от каждой антенны, был использован следующий код:
RF_Stat status = RF_runImmediateCmd(rfHandle, (uint32_t*)&RF_cmdReadRfRegAntenna); if (((uint8_t)(RF_cmdReadRfRegAntenna.value)) & 0x01)
//RF_cmdReadRfRegAntenna was configured as follows: rfc_CMD_READ_RFREG_t RF_cmdReadRfRegAntenna =
Antselect читается вместо Antselect0Cnt и Antselect1Cnt, потому что во время тестирования мы заинтересованы только в выбранной антенне для принятых пакетов (AntSelect0Cnt и AntSelect1Cnt будет включать выбор антенны в тех случаях, когда пакеты отбрасываются из-за ошибок CRC).
Тест 1
В таблице 3 представлены пакетные ошибки приемников при использовании разных антенн в тесте 1.
Таблица 3. PER для использующих разные антенны приемников в тесте 1
| Антенна | Принятые пакеты | Переданные пакеты | PER, % |
| ANT1 | 2647 | 3000 | 11,8 |
| ANT2 | 2078 | 3000 | 30,7 |
| DIV | 2672 | 3000 | 10,9 |
Использующий две антенны (DIV) и подключенный к ANT1 приемники имели примерно одинаковую частоту ошибочно принятых пакетов. У подключенного к ANT2 приемника параметр PER был выше.
Тест 2
Условия в тесте 2 отличались лишь тем, что плата с антеннами была повернута на 90°. Cоотвествующий этому случаю параметр PER представлен в таблице 4.
Таблица 4. PER для использующих разные антенны приемников в тесте 2
| Антенна | Принятые пакеты | Переданные пакеты | PER, % |
| ANT1 | 632 | 3000 | 78,9 |
| ANT2 | 2696 | 3000 | 10,1 |
| DIV | 2751 | 3000 | 8,3 |
Использующий технологию разнесенных антенн приемник, а также подключенный ко 2-й антенне приемник имели почти одинаковые значения PER. Тогда как у подключенного к 1-й антенне приемника PER значительно вырос.
Тест 3
В тесте 3 использованы условия предыдущего теста, но передатчик работает с тремя разными уровнями выходной мощности. С увеличением излучаемой антенной мощности PER приемников с одиночными антеннами приближается к величине PER приемника, использующего технологию двух разнесенных антенн. В таблице 5 представлены PER для теста 3.
Таблица 5. PER для использующих разные антенны приемников в тесте 3
| Антенна | Выходная мощность, дБм | Принятые пакеты | Переданные пакеты | PER, % |
| ANT1 | -46 | 632 | 3000 | 78,9 |
| -42 | 1551 | 2000 | 22,5 | |
| -38 | 1971 | 2000 | 1,5 | |
| ANT2 | -46 | 2696 | 3000 | 10,1 |
| -42 | 1900 | 2000 | 5 | |
| -38 | 1983 | 2000 | 0,8 | |
| DIV | -46 | 2751 | 3000 | 8,3 |
| -42 | 1944 | 2000 | 2,8 | |
| -38 | 1999 | 2000 | 0 |
Тест 4
В 4-м тесте плата приемников была жестко закреплена, а плата передатчика перемещалась в пределах офиса. В таблице 6 представлены PER для теста 4.
Таблица 6. PER для использующих разные антенны приемников в тесте 4
| Антенна | Принятые пакеты | Переданные пакеты | PER, % |
| ANT1 | 2055 | 3000 | 31,5 |
| ANT2 | 2114 | 3000 | 29,5 |
| DIV | 2403 | 3000 | 19,9 |
Использующий две антенны приемник (DIV) и в этом случае имеет меньшую PER в сравненеии с приемниками, испольющими одиночные антенны.
Антенны CC-Antenna-DK2
Упростить выбор подходящей антенны и оценить ее эффективность позволяет выпускаемый компанией TI комплект CC-Antenna-DK2 (рисунок 7). Печатная плата размером с лист формата A4 содержит 16 отдельных плат, 13 антенн и 3 платы для калибровки. Антенны распределены по рабочим частотам 169, 433, 868 МГц и 2,44 ГГц и настроены индивидуально.
Рис. 7. Плата CC-Antenna-DK2
Плата №5: разнесенные антенны на 2,4 ГГц
Плата №8: разнесенные антенны на 868/915/920 МГц
 |  |
| Рис. 8. Плата №5: разнесенные антенны 2,4 ГГц | Рис. 9. Плата №8: разнесенные антенны 868/915/920 МГц |
Разнесенные антенны №5 и №8 имеют главное преимущество для приема электромагнитного сигнала в среде с многолучевым распространением, где возможен провал до 15 дБ в пределах квадратного метра площади. Предел чувствительности, указанный в технических характеристиках, будет уменьшен на величину, определяемую размером затухания при многолучевом распространении сигнала.
Разнесенные антенны не приведут к повышению абсолютного уровня чувствительности радиоприема, но повысят чувствительность при попадании устройства в зону замирания радиосигнала при многолучевом распространении.
Беспроводные МК CC13XX/CC26XX
Компания Texas Instruments выпускает беспроводные МК CC13xx/CC26xx на базе платформы SimpleLink (рисунок 10). Они включают вычислительное ядро Cortex-M3, универсальный приемопередатчик для диапазонов 433/868/2400 МГц и энергоэкономичный контроллер для работы с датчиками.
Рис. 10. Блок-схема CC26xx и CC13xx
Мощный процессор и программно-конфигурируемый радиомодуль впервые позволили создать универсальную микросхему с поддержкой ZigBee, Bluetooth Low Energy, 6LoWPAN, RF4CE и других сетевых протоколов. В то же время приемопередатчик в составе CC13xx/CC26xx способен обмениваться пакетами данных в режиме “Proprietary” как с другими трансиверами TI (CC110L, CC1120, CC430, CC25xx и другими), так и с радиочастотными микросхемами других производителей.
МК CC13XX/CC26XX позволяют создавать беспроводные устройства с чрезвычайно низким потреблением тока – 6,2 мА в режиме приема, 0,95 мА в режиме Sniff, и 6,1 мА в режиме передачи при выходной мощности 0 дБм.
Основные преимущества беспроводных МК CC13xx/CC26xx:
Отличающиеся сверхмалым потреблением энергии беспроводные МК семейств CC26xx и CC13xx на базе платформы SimpleLink наилучшим образом подходят для использования в системах безопасности также благодаря универсальности и поддержке целого ряда стандартов и протоколов беспроводной связи. Они легко найдут применение в домашней электронике, аксессуарах для мобильной связи, устройствах для спорта и фитнеса, в медицинских приборах и многих других приложениях.
Заключение
В обширном ассортименте продукции компании TI предусмотрены все аппаратные и программные компоненты, необходимые для создания высоконадежных сетей. В условиях, затрудняющих распространение радиоволн, технология разнесенных антенн позволяет повысить достоверность принимаемых пакетов данных.
Результаты измерений, выполненных с использованием приемников на базе CC13xxEM, свидетельствуют об эффективности использования методики разнесенных антенн.
