Стандарты беспроводной связи диапазона ISM
В течение длительного времени системы с фиксированной связью обеспечивали надежную среду передачи и высокую скорость при большом сроке службы. Несмотря на многие достоинства, проводные решения вместе с тем имеют ряд ограничений, которые постепенно делают их менее привлекательным по сравнению с беспроводными технологиями. Среди этих ограничений можно назвать следующие.
– География. В зависимости от географических особенностей территории часто возникают сложности при прокладке проводных соединений, особенно в сельской и горной местности;
– Экономичность. Стоимость проводной системы пропорциональна длине используемого провода, т.к. в некоторых случаях необходимо использовать повторители для компенсации падения уровня сигнала. Это означает, что при масштабировании проводной сети требуется более дорогое решение;
– Комфорт. С точки зрения потребителей размещение провода в определенных местах крайне нежелательно и неудобно. Поэтому для потребителя проводная система рассматривается лишь как самая нежелательная альтернатива при построении системы связи.
Эти три главных недостатка проводной передачи объясняют то, что беспроводные технологии постепенно набирают силу.
Диапазон ISM
Частотный диапазон ISM является той частью радиочастотного спектра общего назначения, которая может быть использована без лицензирования. Единственное требование для разрабатываемых продуктов в ISM-диапазоне — это соответствие нормам, которые устанавливаются регулирующими органами для данной части частотного спектра. Эти правила различаются в разных странах. В США нормы устанавливает Федеральная комиссия по связи (Federal Communication Commission, FCC), а в Европе — Европейский институт стандартов по телекоммуникациям (European Telecommunication Standards Institute, ETSI). В таблице 1 представлена классификация устройств, функционирующих в ISM-диапазоне, предложенная FCC и ETSI.
Системы, спроектированные для работы в ISM-диапазоне, характеризуются малым энергопотреблением и низкой скоростью передачи данных. Однако в последнее время скорость передачи новых версий стандартов этого диапазона имеет тенденцию к увеличению. Наиболее часто используемыми частотными ISM-диапазонами являются 2,4-ГГц и субгигагерцовые частоты. Из-за довольно сильной перегрузки в 2,4-ГГц полосе частот в последнее время происходит освоение 5-ГГц диапазона. В то время как 2,4-ГГц является универсальной полосой частот, субгигагерцовые диапазоны, предназначенные для беспроводных приложений с малой потребляемой мощностью, в разных странах отличаются друг от друга. В США наиболее популярным диапазоном остается полоса частот 902…928 МГц, а в Европе наибольшая активность наблюдается в диапазоне 868 МГц. При разработке продуктов для ISM-диапазона важное значение имеет учет фундаментальных отличий между 2,4-ГГц и субгигагерцовыми диапазонами частот.
2,4-ГГц полосу частот рекомендуется использовать в случае, когда требуется обеспечить функциональную совместимость с другими системами, а также если основной целью является работа в разных географических областях. При проектировании устройств в 2,4-ГГц диапазоне возникают две главные проблемы.
В этой полосе частот функционируют различные беспроводные системы, такие как Bluetooth, Wi-Fi, 802.15.4, Zigbee, а также микроволновые печи. Поэтому большую проблему представляет собой высокий уровень помех. Наличие интенсивных помех требует использования устройств с высокой избирательностью. Другим эффективным способом противодействия помехам является использование таких методов как расширение спектра сигнала путем скачкообразной перестройки частоты (frequency hopping spread spectrum, FHSS) и расширение спектра с применением кода прямой последовательности (direct sequence spread spectrum, DSSS). Радиоизлучение на частоте 2,4 ГГц более легко поглощается в среде и окружающих объектах, что ограничивает этот диапазон. Эмпирическое правило состоит в том, что удвоение рабочей частоты вполовину уменьшает ширину полосы. Следует отметить, что такое ограничение частотного диапазона можно преодолеть с помощью внешнего усилителя мощности.
Выбор субгигагерцового диапазона позволяет разрешить некоторые проблемы 2,4-ГГц диапазона. Однако этот диапазон имеет свои недостатки: рабочий цикл в этой полосе частот ограничен;
Невозможно обеспечить функциональную совместимость с другими системами;
Ограничения, связанные с географическим положением стран применения этого диапазона. Так, например, беспроводной счетчик, спроектированный для американского диапазона частот 902…928 МГц, не будет работать в Европе.
Стандарты ISM-диапазона
Эта технология базируется на стандарте IEEE 802.15.1. Bluetooth, который позволяет устройствам устанавливать связь в диапазоне частот 2,4…2,4835 ГГц. Bluetooth позволяет таким устройствам как мобильные телефоны, КПК, принтеры, лэптопы и наушники обмениваться данными, когда они находятся в радиусе до 10…100 м друг от друга (дальность в большой мере зависит от наличия преград и помех). Эта технология использует частотную модуляцию с гауссовой фильтрацией (Gaussian frequency shift keying, GFSK) совместно с FHSS. В стандарте Bluetooth доступны три уровня выходной мощности. Устройства класса 1, 2 и 3 обеспечивают выходную мощность 20, 4 и 0 дБм, соответственно.
Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду (всего выделяется 79 рабочих частот шириной в 1 МГц, а в Японии, Франции и Испании полоса ýже — 23 частотных канала). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приемнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар «приемник-передатчик», то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 Кбит/с в обоих направлениях) используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации передаются повторно. Без помехоустойчивого кодирования это обеспечивает передачу данных со скоростями 723,2 Кбит/с или 433,9 Кбит/c в обоих направлениях. Протокол Bluetooth поддерживает не только соединение «точка-точка» (point-to-point), но и соединение «точка – множество точек» (point-to-multipoint).
В 2009 г. группой Bluetooth SIG была представлена новая версия стандарта Bluetooth 4.0, в которой применена технология Bluetooth с низким энергопотреблением — Bluetooth Low Energy. Этот стандарт предназначен для обмена данными с меньшей потребляемой мощностью, чем в предшествующей версии. Данная технология прежде всего предназначена для миниатюрных датчиков (использующихся в спортивной обуви, тренажерах, миниатюрных сенсорах, размещаемых на теле пациентов и т.д.).
Потребляя меньше энергии, технология Bluetooth Low Energy обеспечивает связь между небольшими устройствами (например, датчиками и мобильными устройствами) в пределах персональных сетей. Технология Bluetooth Low Energy имеет две одинаково важные реализации: однорежимную (single-mode) и двухрежимную (dual-mode). Миниатюрные устройства, такие как часы и спортивные датчики, на основе однорежимных модулей Bluetooth будут максимально использовать преимущества низкого энергопотребления и обеспечивать высокую степень интеграции и компактные размеры устройств. В двухрежимной реализации функциональные возможности Bluetooth Low Energy интегрируются в классический Bluetooth. Эта реализация улучшит существующие чипы новым стеком Bluetooth Low Energy, добавляя при этом новые возможности в классические устройства Bluetooth.
Низкое энергопотребление в Bluetooth 4.0 достигается за счет использования специального алгоритма работы. Передатчик включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы от одной батарейки типа CR2032 в течение нескольких лет. Стандарт обеспечивает скорость передачи данных в 1 Мбит/с при размере пакета данных 8–27 байт. В новой версии два Bluetooth-устройства смогут устанавливать соединение менее чем за 5 мс и поддерживать его на расстоянии до 100 м. Надежность связи обеспечивает усовершенствованная коррекция ошибок, а высокий уровень безопасности — 128-битное AES-шифрование. Датчики температуры, давления, влажности, скорости передвижения и т.д. на базе этого стандарта могут передавать информацию на различные управляющие устройства: мобильные телефоны, КПК, ПК и т.д.
Беспроводная передача данных, ISM-диапазон
В последнее время на Хабре было описано множество примеров реализации погодных термометров, систем сбора информации, управлением в системах «умный дом» — как проводных, передающих информацию по Ethernet, так и беспроводных, по WiFi™. В каждом конкретном случае — есть своя специфика, есть свои плюсы и минусы. И в данном материале речь пойдет об еще одном способе передачи данных — передаче в ISM-диапазоне 868 МГц.
В Российской Федерации к нелицензируемому диапазону частот, которые могут быть использованы без оформления разрешения ГКРЧ при условии соблюдения требований по ширине полосы, излучаемой мощности и назначению готового изделия, относят:
Основное различие между данными ISM-диапазонами определяется частотой излучения и как следствие, свойствами радиоволн. Применительно к задаче — сбора данных, систем беспроводного управления и контроля, наиболее оптимальным решением является использование диапазона 868 МГц. По сравнению с СВЧ диапазоном 2.4 ГГц, более длинные волны 868 МГц имеют меньшую интенсивность затухания, соответственно большая проницаемость сквозь преграды и дальность передачи сигнала гораздо выше. Для примера, кирпичная стена толщиной 89 мм поглощает около 3.5 дБ мощности волны 868 МГц и 6 дБ у 2.4 ГГц. Также в сравнении с диапазоном 433 МГц, у 868 МГц меньшая загруженность частоты, что способствует более надежной работе радиоканала.
| Предельная толщина препятствия, через которую может пройти радиосигнал | ||
| Частоты | Кирпичная стена, м. | Бетон, м. |
| 434 МГц | 4.3 | 0.47 |
| 868 МГц | 2.18 | 0.24 |
| 2.4 ГГц | 0.78 | 0.09 |
Следующей важной характеристикой является скорость передачи данных. Современные ISM трансиверы имеют достаточно высокие показатели, в среднем это значение от 256 до 1000 кбит/сек, что для подобного рода задач вполне достаточно.
Таким образом, можно заключить, что в совокупности таких параметров как — высокая проницаемость, меньшая загруженность частотного диапазона, а также достаточно высокая скорость передачи данных, радиоволны 868 МГц является наиболее оптимальным решением данного рода задач по сравнению с остальным ISM-диапазоном.
Для примера передачи данных в ISM-диапазоне соберем устройство сбора показаний с удаленных датчиков. Допустим это будет температура и влажность воздуха. Т.е. нам нужно собрать 2 разнесенных устройства — первое будет выполнять роль головного и отображать сводную информацию, а второе — датчик, будет периодически производить замеры и отсылать данные на головное устройство. Причем оба устройства будут размещены вне прямой видимости, в двух разных зданиях.
Для замера влажности и температуры воспользуемся цифровым датчиком SHT10. Он достаточно компактен и требует минимальной обвязки. Точность измерения показаний температуры ±0.5℃, а влажности 4.5%. Даташит.
Для отображения информации на головном устройстве возьмем графический ЖК-дисплей с разрешением 128*64 точки (WG12864A-TGH-VNW). Подсветка белая, цвет точки серый. И, дабы не занимать все пины микроконтроллера под дисплей, подключать его будем по SPI с помощью микросхемки MCP23S17. Но об этом чуть позже.
Головное устройство
1. Сборка
Для начала соберем схему головного устройства.
Головное устройство будет состоять из платы Колибри, которая будет принимать и отображать данные на ЖК-дисплее. И как было сказано выше, работать с ЖК-дисплеем будем через интерфейс SPI, посредством микросхемы MCP23S17. 
Данную схему соберем на макетной плате. Выводы обозначенные синими линиями подключим к плате Колибри — это цифровые контакты 10, 11, 12, 13 (SPI). На макетную плату и на Колибри остается подать питание 5V. Питание устройства предполагается либо от блока питания, где “честные” 5V, либо через линейный стабилизатор. 
2. Прошивка
Для работы с радиомодулем платы Колибри воспользуемся готовой библиотекой EZRadioPRO под Arduinо IDE. Ее нужно скачать и установить внутри IDE. Также нам понадобится библиотека I2C_graphical_LCD_display для работы с ЖК дисплеем. Ее также нужно скачать и установить.
Данный скетч инициализирует радиоканал, головному устройству назначается адрес 0. Выставлена максимальная мощность передатчика 13dBm: SI4431.Init(7);
В данном примере на дисплей выводятся показания от 1 удаленного датчика, при необходимости аналогичным образом можно выводить показания от множества датчиков.
Аналогичные действия предпринимаются при загрузки с помощью USB-Serial конвертера. Ну и самый легкий способ — это загрузка с помощью программатора. В Arduino IDE нажимаете кнопку «Скомпилировать», далее «находите» hex-файл с прошивкой. Подключаетесь программатором к ICSP разъему Колибри, подаете на плату питание, загружаете в нее прошивку, указав предварительно в оболочке вашего программатора МК ATMEGA168A. Фьюзы: 0xF8, 0xDF, 0xFF. Lockbit: 0xCF.
Прошили, отключили все лишние проводки от Колибри. Теперь подаем на плату питания и на ЖК дисплее должна появится надпись: I’m Ready! Головное устройство собрано, переходим к следующему шагу.
Датчик
1. Сборка
Плата с датчиком будет состоять только из одного цифрового сенсора. Питание платы будет батарейное, 3V.
Схема датчика SHT10.
Соберем по схеме на макетной плате. Сенсор подключается к Колибри по 4 проводкам (цифровые пины 6 и 7 и питание).
Прежде чем подключить к Колибри батарейный отсек, необходимо загрузить прошивку. А уже после этого подключаем к Колибри батарейный отсек к разъему питания на 3V и джампер также выставляем в положение 3V.
Пару слов об питании. Если предполагается эксплуатация датчика вне помещений, тогда необходимо использовать соответствующие элементы питания. Наиболее морозоустойчивыми являются элементы питания — литий-тионил-хлоридные (LiSOCl2), литий-железо-фосфатные (LiFePO4).
2. Прошивка
Помимо библиотеки EZRadioPRO для датчика понадобится библиотека SHT1x, с ее помощью будем считывать показания температуры и влажности. Качаем и устанавливаем эту библиотеку.
Схема работы данной программы проста. После инициализации радиоканала, где ему назначается адрес 1 и первой передачи данных на устройство с адресом 0, микроконтроллер переводит трансивер в спящий режим и потом сам засыпает на 15 секунд. По истечению данного времени по сторожевому таймеру он пробуждается, включает трансивер и вновь происходит передача данных.
К одному головному устройству можно привязать множество таких датчиков.
Загружаем этот скетч в Колибри. После загрузки отключаем все лишнее, подключаем батарейное питание и включаем питание. Через некоторое время на головном устройстве получим показания с удаленного датчика.
Уф, вроде все написал. Если что-то непонятно, спрашивайте 🙂
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.
Bluetooth продукты являются примерами беспроводных устройств с питанием от аккумуляторов, и которые всё чаще встречаются в современной жизни
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.
Спектр прямоугольного сигнала; на частотах гармоник слишком много энергии
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.
Пример цифровой модуляции – в данном случае, амплитудная модуляция
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.
Широкополосная модуляция; она будет обсуждаться в данном учебнике позже
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.
Стандарты беспроводной связи диапазона ISM
Беспроводная связь становится все более востребованной в мире, и наиболее доступным и открытым диапазоном частот для любой системы радиосвязи является диапазон ISM, который не требует лицензирования. В статье рассмотрены факторы, влияющие на выбор рабочего диапазона частот, и классификация беспроводных устройств, работающих в диапазоне ISM. Кратко рассмотрены особенности и области применения наиболее распространенных стандартов беспроводной связи диапазона ISM (Bluetooth, Wi-Fi, 802.15.4 и Zigbee).
Все более широкое проникновение маломощных беспроводных устройств, работающих в частотном диапазоне ISM (industrial, scientific and medical), в повседневную жизнь (системы безопасности, медицина, промышленность, сельское хозяйство и т.д.) обусловлено тремя основными факторами:
– желанием отказа от фиксированной связи, которая используется для передачи данных на значительные расстояния;
– выделением регулирующими органами различных стран частотных диапазонов ISM;
– появлением различных беспроводных стандартов, которые обеспечивают функциональную совместимость в диапазоне ISM.
В течение длительного времени системы с фиксированной связью обеспечивали надежную среду передачи и высокую скорость при большом сроке службы. Несмотря на многие достоинства, проводные решения вместе с тем имеют ряд ограничений, которые постепенно делают их менее привлекательным по сравнению с беспроводными технологиями. Среди этих ограничений можно назвать следующие.
– География. В зависимости от географических особенностей территории часто возникают сложности при прокладке проводных соединений, особенно в сельской и горной местности;
– Экономичность. Стоимость проводной системы пропорциональна длине используемого провода, т.к. в некоторых случаях необходимо использовать повторители для компенсации падения уровня сигнала. Это означает, что при масштабировании проводной сети требуется более дорогое решение;
– Комфорт. С точки зрения потребителей размещение провода в определенных местах крайне нежелательно и неудобно. Поэтому для потребителя проводная система рассматривается лишь как самая нежелательная альтернатива при построении системы связи.
Эти три главных недостатка проводной передачи объясняют то, что беспроводные технологии постепенно набирают силу.
Диапазон ISM
Частотный диапазон ISM является той частью радиочастотного спектра общего назначения, которая может быть использована без лицензирования. Единственное требование для разрабатываемых продуктов в ISM-диапазоне — это соответствие нормам, которые устанавливаются регулирующими органами для данной части частотного спектра. Эти правила различаются в разных странах. В США нормы устанавливает Федеральная комиссия по связи (Federal Communication Commission, FCC), а в Европе — Европейский институт стандартов по телекоммуникациям (European Telecommunication Standards Institute, ETSI). В таблице 1 представлена классификация устройств, функционирующих в ISM-диапазоне, предложенная FCC и ETSI.
Таблица 1. Классификация устройств ISM-диапазона по FCC и ETSI
Классификация по FCC (США)
Классификация по ETSI (Европа)
Управляющие устройства: период передачи должен быть не более 5 с; устройства не могут передавать с заданными интервалами времени
Узкополосные устройства: ширина полосы одного канала не превышает 25 кГц
Периодические устройства: период передачи должен быть не более 1 с; время молчания устройства должно быть в 30 раз больше времени передачи или 10 с
Среднеполосные устройства: ширина полосы одного канала находится в диапазоне 25…250 кГц
Устройства общего назначения с перескоком частоты (frequency hopping)
Широкополосные устройства: ширина полосы одного канала превышает 250 кГц
Одночастотные устройства общего назначения
Системы, спроектированные для работы в ISM-диапазоне, характеризуются малым энергопотреблением и низкой скоростью передачи данных. Однако в последнее время скорость передачи новых версий стандартов этого диапазона имеет тенденцию к увеличению. Наиболее часто используемыми частотными ISM-диапазонами являются 2,4-ГГц и субгигагерцовые частоты. Из-за довольно сильной перегрузки в 2,4-ГГц полосе частот в последнее время происходит освоение 5-ГГц диапазона. В то время как 2,4-ГГц является универсальной полосой частот, субгигагерцовые диапазоны, предназначенные для беспроводных приложений с малой потребляемой мощностью, в разных странах отличаются друг от друга. В США наиболее популярным диапазоном остается полоса частот 902…928 МГц, а в Европе наибольшая активность наблюдается в диапазоне 868 МГц. При разработке продуктов для ISM-диапазона важное значение имеет учет фундаментальных отличий между 2,4-ГГц и субгигагерцовыми диапазонами частот.
2,4-ГГц полосу частот рекомендуется использовать в случае, когда требуется обеспечить функциональную совместимость с другими системами, а также если основной целью является работа в разных географических областях. При проектировании устройств в 2,4-ГГц диапазоне возникают две главные проблемы.
1. В этой полосе частот функционируют различные беспроводные системы, такие как Bluetooth, Wi-Fi, 802.15.4, Zigbee, а также микроволновые печи. Поэтому большую проблему представляет собой высокий уровень помех. Наличие интенсивных помех требует использования устройств с высокой избирательностью. Другим эффективным способом противодействия помехам является использование таких методов как расширение спектра сигнала путем скачкообразной перестройки частоты (frequency hopping spread spectrum, FHSS) и расширение спектра с применением кода прямой последовательности (direct sequence spread spectrum, DSSS).
2. Радиоизлучение на частоте 2,4 ГГц
более легко поглощается в среде и окружающих объектах, что ограничивает этот диапазон. Эмпирическое правило состоит в том, что удвоение рабочей частоты вполовину уменьшает ширину полосы. Следует отметить, что такое ограничение частотного диапазона можно преодолеть с помощью внешнего усилителя мощности.
Выбор субгигагерцового диапазона позволяет разрешить некоторые проблемы 2,4-ГГц диапазона. Однако этот диапазон имеет свои недостатки:
– рабочий цикл в этой полосе частот ограничен;
– невозможно обеспечить функциональную совместимость с другими системами;
– ограничения, связанные с географическим положением стран применения этого диапазона. Так, например, беспроводной счетчик, спроектированный для американского диапазона частот 902…928 МГц, не будет работать в Европе.
Стандарты ISM-диапазона
За последние несколько лет появилось несколько беспроводных стандартов, работающих в ISM-диапазоне. Эти стандарты вместе с патентованными решениями компаний обеспечивают широкие возможности для разработки разнообразных беспроводных продуктов. Стандарты ISM-диапазона отличаются скоростью передачи данных, дальностью связи, областью применения, а также используемым способом модуляции. На рисунке 1 представлены некоторые беспроводные стандарты ISM-диапазона в зависимости от дальности действия и скорости передачи.
| Рис. 1. Беспроводные стандарты ISM-диапазона |
