Узкополосные радиомодемы малого радиуса действия
глава из книги "Беспроводные и мобильные технологии от последней мили до последнего дюйма"

Узкополосные радиомодемы малого радиуса действия предназначены для работы в нелицензируемых полосах частот, в которых не действуют нормы на частотное разделение каналов и не выделяются частоты для работы отдельных радиосетей. В соответствии с определением ГКРЧ, устройство малого радиуса действия – это «…техническое средство, предназначенное для передачи и (или) приёма радиоволн на короткие расстояния. Данные устройства используются при условии, что они не создают помех другим радиоэлектронным средствам (РЭС) и не требует защиты от помех со стороны других РЭС». В отличие от РЭС большого радиуса действия электромагнитная совместимость РЭС малого радиуса действия обеспечивается не за счёт преимущественно частотно разноса, а за счёт в большей степени территориального (пространственного) разноса и в меньшей степени – частотного. Значительное ограничение мощности передатчиков устройств малого радиуса действия, обычно – уровнем 10 мВт, уменьшает энергетический потенциал радиолиний и радиус зоны влияния одной радиосети на работу других радиосетей на той же частоте. Пониженный энергетический потенциал радиолиний обусловил возможность снижения требований к ослаблению внеполосных и побочных излучений передатчиков и частотной избирательности приёмников устройств малого радиуса действия на 20-30 дБ. Поэтому радиомодемы малого радиуса действия в большинстве случаев строятся на недорогой элементной базе с использованием однокристальных приёмопередатчиков.

Радиомодемы малого радиуса действия находят применение в производственно-технологических сетях предприятий, расположенных на небольших территориях, где дальности однопрыжковых радиолиний не превышают нескольких километров, а общая протяжённость связи – нескольких десятков километров. В этих случаях радиомодемы малого радиуса действия имеют технико-экономические преимущества как над радиомодемами большого радиуса действия, так и над радиомодемами сотовых сетей связи. В сравнении с радиомодемами большого радиуса действия радиомодемы малого радиуса действия существенно дешевле и обеспечивают более интенсивный обмен данными как за счёт использования более высоких скоростей передачи в радиоканале, так и за счёт более быстрого переключения приём/передача. В сравнении с радиомодемами сотовых сетей радиомодемы малого радиуса действия позволяют экономить на платежах оператору сотовой сети и обеспечивают более оперативную доставку сообщений.

Радиомодемы малого радиуса действия применяются:

• в системах коммерческого и технологического учёта электрической и тепловой энергии для сбора данных с распределённых по территории счётчиков;
• в системах диспетчеризации лифтов;
• в системах охранной и пожарной сигнализации;
• в системах общественной безопасности и безопасности личности;
• в системах предупреждения о сходе снежных лавин;
• в системах обнаружения и слежения за транспортными средствами;
• в системах поиска угнанных автомобилей;
• в системах управления зданиями;
• в системах контроля состояния окружающей среды;
• в системах беспроводных датчиков;
• в системах телеметрии и телесигнализации;
• в системах (пультах) дистанционного управления;
• в ЖКХ для беспроводного доступа к квартирным счётчикам (электроэнергии, газа, воды);
• в системах «умный дом».

Классификация узкополосных радиомодемов малого радиуса действия

В качестве классификационных критериев радиомодемов данной группы можно использовать следующие характеристики оборудования:

• Назначения (область применения);
• Диапазон рабочих частот;
• Выходная мощность радиопередатчика;
• Количество частотных каналов;
• Скорость передачи данных;
• Тип и количество интерфейсов сопряжения с ЭВМ;
• Поддерживаемые протоколы и приложения;
• Климатическое исполнение и температурный диапазон.

Основные характеристики радиомодемов малого радиуса действия

Области применения

Узкополосные радиомодемы малого радиуса действия, так же как и радиомодемы большого радиуса действия, можно разделить по назначению на три группы:

• для систем передачи цифровой информации;
• для систем радиотелеметрии и телеуправления;
• для систем радио-сигнализации, мониторинга и охраны.

Однако, среди радиомодемов малого радиуса действия встречаются и устройства универсального назначения.

Диапазон рабочих частот

Радиочастоты, используемые узкополосными радиомодемами малого радиуса действия, лежат в полосах частот, выделенных решением ГКРЧ № 07-20-03-001 от 07.05.2007 «О выделении полос радиочастот устройствам малого радиуса действия». Строго говоря, такого класса устройств, как «радиомодемы», в решении ГКРЧ не названо. Однако, в нём определены полосы частот для неспециализированных (любого назначения) устройств, к которым, в частности, отнесены устройства дистанционного управления и передачи телеметрии, телеуправления, сигнализации, сбора данных и других подобных передач. Это полосы частот: 26,957-27,283 МГц, 40,660-40,700 МГц и 433,075-434,79 МГц.

Характеристики электромагнитной совместимости

Радиомодемы малого радиуса действия должны соответсвовать требованиям ГОСТ Р 51856-2001 «Совместимость технических средств электромагнитная. Средства радиосвязи малого радиуса действия, работающие на частотах от 3 кГц до 400 ГГц. Требования и методы испытаний». Стандарт устанавливает допустимые значения индустриальных радиопомех (ИРП), требования устойчивости к помехам и методы испытаний.

Выходная мощность передатчика

В соответствии с тем же решением ГКРЧ выходная мощность передатчиков узкополосных радиомодемов малого радиуса действия во всех выделенных для них полосах частот не должна превышать 10 мВт.

Тип модуляции

В маломощных узкополосных радиомодемах используются разновидности частотной манипуляции FSK, MSK, GFSK, GMSK.

Шаг сетки частот и скорость сбора данных

В узкополосных радиомодемах малого радиуса действия шаг сетки частот выбирается исходя из ширины спектра радиосигнала и используемой полосы пропускания приёмника. Поскольку в полосах частот, выделенных для радиомодемов малого радиуса действия, не действуют нормы на частотное разделение каналов, в этих радиомодемах могут использоваться более высокие скорости передачи данных в радиоканале, чем в радиомодемах большого радиуса действия. В радиомодемах диапазона частот 433,075-434,79 МГц используются скорости обмена цифровыми данными в радиоканале от 1,2 до 256 кбит/с, а скорости модуляции – до 500 кбод.

Режим работы

Радиомодемы могут поддерживать следующие режимы работы: прозрачный, адресный, ретрансляция, пакетный. Обычно применяется прозрачный режим работы.

Интерфейс сопряжения

Встроенный порт большинства радиомодемов поддерживает интерфейс RS-232. Однако, многие устройства могут работать с двумя интерфейсами RS-232 и RS-485, переключаемыми аппаратно или программно. Некоторые радиомодемы имеют интерфейс USB в режиме эмуляции асинхронного последовательного порта. Радиомодемы, выполненные в виде OEM модулей, как правило, имеют интерфейс UART.

Основные протоколы и приложения, используемые радиомодемами

Большинство узкополосных радиомодемов малого радиуса действия протокольно «прозрачны», так как, работая в прозрачном режиме, они без искажений передают все протокольные «конструкции», используемые оконечным оборудованием. Если протоколом передачи предусмотрена адресация сообщений, то оконечные устройства сами распознают предназначенные им сообщения.

В пакетном режиме радиомодемы взаимодействуют с оконечным оборудованием по пакетному протоколу, как правило, фирменному, разработанному производителем пакетного радиомодема. Прикладная программа обмена данными оконечного оборудования должна поддерживать пакетный протокол используемого радиомодема.

Климатическое исполнение и температурный диапазон

Если радиомодемы устанавливаются в отапливаемых помещениях или термо-стабилизирующих контейнерах, а антенно-фидерное оборудование размещается на улице, климатическое исполнение и рабочая температура устройств не имеют большого значения. В противном случае важно, чтобы радиооборудование поддерживало работу в температурном диапазоне от -40°C до +55°C.

Особенности оценки характеристик радиомодемов малого радиуса действия

Критерии выбора радиомодемов малого радиуса действия отличаются от критериев выбора радиомодемов большого радиуса действия. Прежде всего, необходимо обратить внимание на следующие параметры радиомодемов:

• Диапазон рабочих частот;
• Скорость передачи цифровых данных;
• Чувствительность приёмника;
• Типы интерфейсов режимы работы и поддерживаемые протоколы;
• Поддерживаемые топологии сетей;
• Конструктивное исполнение;
• Климатическое исполнение и температурный диапазон.

Диапазон рабочих частот радиомодема важен для пользователя в силу двух обстоятельств.

Во-первых, не все выпускаемые за рубежом и ввозимые в Россию радиомодемы малого радиуса действия по диапазону рабочих частот соответствуют выделенным ГКРЧ полосам частот для устройств данного назначения. Так для североамериканского рынка выпускаются радиомодемы на диапазон частот 902-928 МГц, которые не могут быть использованы в Европе и России ввиду пересечения с полосами частот сотовой связи GSM. Для европейского рынка выпускаются радиомодемы на диапазон частот 869,4–869,65 МГц, который в России не выделен для устройств малого радиуса действия. Зарубежные радиомодемы на диапазон частот 2,45 ГГц, не соответствующие технологиям Вайфай, Блутуз, Зигби или Нанонет, также не могут быть использованы в России.

Во-вторых, пространственное затухание радиоволн возрастает с увеличением частоты. В первом приближении, увеличение частоты в 2 раза снижает дальность действия вдвое. Поэтому, при прочих равных условиях, работая на частоте 434 МГц, радиомодемы обеспечивают более дальнюю связь, чем на частоте 868 МГц и, тем более чем на частоте 2,45 ГГц.

Скорость обмена данными в эфире для радиомодемов малого радиуса действия не обусловлена нормами на шаг сетки частот, производитель свободен в выборе максимальной скорости обмена данными, которая ограничивается только возможностями реализации. Потребитель же, выбирая радиомодем и скорость обмена данными в радиоканале, должен учитывать, что с увеличением скорости уменьшается энергетика канала и снижается дальность радиосвязи.

Чувствительность приёмника определяется множеством факторов: коэффициентом шума приёмника, методом и параметрами модуляции, методом демодуляции, шириной полосы пропускания приёмника, скоростью сбора данных в эфире, применением кодирования и др. При фиксированной мощности передатчика и прочих равных условиях, именно чувствительность приёмника определяет дальность радиообмена. При сравнении радиомодемов по чувствительности приёмника необходимо учитывать, при какой скорости передачи в радиоэфире чувствительность измерена или нормирована.

По конструктивному и климатическому исполнению можно выделить три группы радиомодемов:

• Радиомодемы OEM исполнения, как правило, бескорпусные;
• Радиомодемы в корпусном исполнении для применения в помещении;
• Радиомодемы для применения на открытом воздухе.

Обзор серийно выпускаемых радиомодемов малого радиуса действия

Основные характеристики радиомодемов малого радиуса действия российского производства приведены в таблице

Характеристики радиомодемов малого радиуса действия отечественного производства

Основные характеристики радиомодемов малого радиуса действия зарубежного производства приведены в таблице

Характеристики радиомодемов малого радиуса действия зарубежного производства

В качестве примера реализации узкополосных радиомодемов малого радиуса действия рассмотрим радиомодемы серии РМД400. В серию входят три базовых радиомодема, выполненных в виде OEM модулей:

• РМД400-OEM на микросхеме приёмопередатчика CC1020 (53x20,5x11,5 мм);
• РМД400-1-OEM на микросхеме приёмопередатчика CC1101 (53x20,5x11,5 мм);
• РМД400-2-OEM на микросхеме приёмопередатчика CC1101 (26,5x15,2x2,3 мм).

Модули радиомодемов имеют интерфейс UART. На основе модулей РМД400-OEM и РМД400-1-OEM выполнены радиомодемы с интерфейсами RS-232 и RS-485:

• РМД400(-1)-UPx в бескорпусном исполнении (82x32x18 мм);
• РМД400(-1)-PD0 в пластмассовом настольном корпусе (89x50x25 мм);
• РМД400(-1)-PRx в пластмассовом корпусе на DIN-рейку (86x35x58 мм);
• РМД400(-1)-ME0 в металлическом экранирующем корпусе (85x50x26 мм);
• РМД400(-1)-SPx в металлическом герметизирующем корпусе (115x65x30 мм).

Наибольшую массу 260 г имеет радиомодем РМД400(-1)-SPx ввиду использования литого корпуса из алюминиевого сплава. Масса радиомодемов в других корпусах значительно меньше.

Радиомодемы РМД400 обладают наибольшей дальностью радиосвязи из всех, представленных в таблицах. Это обусловлено использованием микросхемы приёмопередатчика CC1020 с узкополосным приёмником, обладающим высокой чувствительностью. При уменьшении скорости передачи в эфире пропорционально сужается и полоса пропускания приёмника, вплоть до 9,6 кГц при скорости передачи 1,2 кбит/с. Использование такой узкой полосы пропускания стало возможным благодаря высокой стабильности частоты сигнала передатчика и гетеродина приёмника, которая обеспечена компенсацией температурного ухода частоты опорного кварцевого генератора.

Высокая энергетическая эффективность радиомодемов cерии РМД400 получена также за счёт использования каскадного кодирования с перемежением кодированных данных. В результате деперемежения и декодирования каскадного кода в приёмнике исправляются не только случайные шумовые ошибки, но и пакетные ошибки, вызванные импульсными помехами.

Радиомодемы серии РМД400 обеспечивают потоковую передачу поступающих на последовательный интерфейс данных с пакетированием и асинхронной передачей пакетов. Асинхронная передача пакетов позволяет использовать преимущества синхронной передачи пакетированных данных в сочетании с удобством асинхронного ввода/вывода данных на интерфейсе.

Радиомодемы серии РМД400 позволяют строить как линии связи «точка-точка», так и производственно-технологические сети связи сложной конфигурации типа «звезда» или «дерево». При замене проводных сетей связи, радиомодемы легко адаптируются к протоколам передачи информации в этих сетях без необходимости доработки сетевого прикладного ПО.

Радиомодемы РМД400 и РМД400-1 имеют опциональное исполнение с гальванической изоляцией интерфейса RS-485 и цепей питания, что обеспечивает очень важное для промышленных радиомодемов свойство – устойчивость к грозе и мощным электромагнитным помехам.

Анатолий Сартаков, к. т. н.
mailbox@kb-mars.ru
www.kb-mars.ru

Материал размещен с любезного разрешения автора

CONEL * СПЕКТР * DATARADIO                    (495) 220-95-14        info@radio-modem.ru                ПРАЙС * КОНТАКТЫ * ИНФОРМАЦИЯ

2007-2023 © ООО "РадиоМодем" При использовании материалов сайта ссылка на www.Radio-Modem.ru обязательна
Cайт носит исключительно информационный характер и ни при каких условиях информационные материалы и цены, размещенные на сайте, не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 Гражданского кодекса РФ