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1 Sommario Lezione 21 bis Trasmissione via radio (wireless). Modulazione digitale: ASK o OOK FSK Modulazione analogica: PLL. Esempi di circuiti di trasmissione e ricezione Antenne Protocolli per comunicazioni wireless. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 1 Lezione 21 bis Materiale di riferimento 1. Datasheet del microcontrollore Microchip rfpic12f675, disponibile sul sito web del corso in formato pdf. 2. Datasheet del microcontrollore ATMEL AT86RF401, disponibile sul sito web del corso in formato pdf. 3. R. Garg et al., Microstrip antenna design handbook, Artech House, Boston, 2001, ISBN Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 2 1

2 Trasmissione via radio Negli ultimi tempi si assiste ad una forte crescita della richiesta di sistemi di trasmissione radio dei dati, da incorporare nei più disparati prodotti dell elettronica di consumo. Data la natura di questo mercato (bassi costi, volumi di produzione molto elevati) sono di particolare interesse le soluzioni semplici, affidabili e poco costose. E questa la ragione per la quale si cominciano a trovare sul mercato differenti microcontrollori con periferiche dedicate alla trasmissione via radio dei dati. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 3 Trasmissione via radio Le applicazioni di queste tecnologie sono le più varie. A titolo di esempio si possono ricordare: 1. elettrodomestici intelligenti ; 2. apparati per la misura e controllo dei consumi energetici; 3. sistemi di allarme domestico senza fili; 4. serrature elettroniche; Ciascuna di queste categorie di prodotti richiede soluzioni a basso costo e di semplice realizzazione. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 4 2

3 Trasmissione via radio Le applicazioni nel settore automobilistico meritano una citazione a parte. In questo ambito il requisito principale per ogni progetto è la sicurezza. Il filone principale di applicazione è quello della misura in tempo reale della pressione degli pneumatici. Le problematiche principali riguardano il soddisfacimento dei diversi standard nazionali relativamente a frequenze di trasmissione e potenza emessa, ma anche la sicurezza dei dati trasmessi (codifica). Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 5 Trasmissione digitale La trasmissione dei dati via radio in forma digitale può avvenire sfruttando differenti tecniche di modulazione. Le più usate nell ambito dei microcontrollori destinati ad applicazioni RF sono: 1. modulazione Amplitude Shift Key (ASK); 2. modulazione On/Off Key (OOK); 3. modulazione Frequency Shift Key (FSK). Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 6 3

4 Modulazione ASK La modulazione digitale di ampiezza o ASK, sebbene quasi completamente abbandonata nei moderni sistemi di trasmissione, riveste un ruolo importante nelle applicazioni RF dei microcontrollori. La sua semplicità realizzativa, sia per il trasmettitore che per il ricevitore, consente la realizzazione di sistemi a basso costo e la integrazione diretta di moduli di trasmissione a bordo di microcontrollori. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 7 p(t) Modulazione ASK Il principio della modulazione ASK è semplice. L ampiezza di un segnale portante, ad esempio di tipo sinusoidale, viene modulata tra due livelli distinti, uno associato al simbolo 0, l altro al simbolo 1. t Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 8 4

5 Modulazione OOK p(t) t Nella modulazione OOK, che è un caso particolare della precedente, uno dei due livelli è zero. La modulazione associa così ad un simbolo (ad esempio 1 ) la presenza e all altro (ad esempio 0 ) l assenza di segnale. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 9 p(t) Modulazione FSK Nella modulazione FSK, invece, è la frequenza del segnale portante che viene modulata tra due livelli distinti, ciascuno associato ad uno dei due simboli. t Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 10 5

6 Trasmettitori I trasmettitori integrati nei microcontrollori sono particolarmente semplici. Includono generalmente un Phase Locked Loop (PLL) per l aggiustamento della frequenza della portante, che è pari ad un sottomultiplo intero N della frequenza di un opportuno oscillatore al quarzo. Includono inoltre un amplificatore a basso rumore (LNA) per il pilotaggio dell antenna. L adattamento tra l impedenza di uscita dell amplificatore e l antenna è in genere ottenuto attraverso opportune reti esterne di elementi reattivi (Z A ). Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 11 Trasmettitori Phase Locked Loop - PLL PhC VCO LNA 1:N Z Ant Oscillatore al quarzo Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 12 6

7 PLL: oscillatore controllato V INT C INT I C I C2 > I C1 V OUT - V INT + Controllo V OUT La corrente IC ha una componente proporzionale al segnale di ingresso al VCO. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 13 PLL: oscillatore controllato Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 14 7

8 PLL: comparatore di fase Nel comparatore di fase digitale, l uscita è un segnale a onda quadra, il cui valore logico è alto quando i due segnali sono a valori logici diversi (XOR). Il valore medio di questo segnale è proporzionale alla differenza di fase tra i due segnali. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 15 PLL: comparatore di fase Un altro tipo di comparatore di fase si basa su una semplice macchina a 3 stati. A seconda della successione dei fronti, l uscita passa da uno stato a bassa impedenza, in cui impone al carico o una tensione alta (V CC ) oppure una bassa (GND), ad uno ad alta impedenza. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 16 8

9 PLL: comparatore di fase Il grafo di stato illustra la corrispondenza tra lo stato e l uscita del circuito. Ad ogni fronte del segnale di ingresso, l uscita progredisce da GND verso V CC passando per lo stato ad alta impedenza. Ogni fronte del segnale di uscita comporta l arretramento di un passo lungo la sequenza. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 17 PLL: comparatore di fase Buffer three state Macchina a stati Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 18 9

10 PLL: principio di funzionamento Il PLL è un circuito a retroazione: il segnale di uscita del comparatore di fase, opportunamente filtrato in modo da renderlo quasi continuo, viene usato per alimentare l oscillatore. Il segnale di uscita dell oscillatore, la cui frequenza è proporzionale al livello del segnale di ingresso, viene inviato al comparatore di fase. Se l anello è stabile, il sistema si mantiene in oscillazione intorno alla frequenza imposta dal segnale di ingresso esterno (o ad un suo sottomultiplo) con una relazione di fase ben definita e costante tra ingresso e uscita. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 19 PLL: principio di funzionamento f x x(t) PhC Filtro Passa Basso VCO f y y(t) N f y /N La stabilità dell anello dipende totalmente dal progetto del filtro passa-basso. Divisore di frequenza (opzionale) Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 20 10

11 PLL: modello dinamico Il modello dinamico del PLL si ricava linearizzando il comportamento dei diversi blocchi intorno al punto di lavoro e ipotizzando un regime di piccoli segnali. In ogni punto di lavoro stabile i segnali di ingresso e uscita avranno (mediamente) la stessa frequenza. Il segnale di uscita potrà quindi presentare al più delle piccole variazioni (mediamente nulle) della sua frequenza intorno al valore di equilibrio. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 21 PLL: modello dinamico Il comparatore di fase traduce l errore istantaneo di frequenza tra i due segnali di ingresso in una tensione di uscita, il cui valore medio è legato alla differenza di fase istantanea. Il legame dinamico tra errore di frequenza e errore di fase è pari a: Δφ Δf (s)= 2π s Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 22 11

12 PLL: modello dinamico L errore di fase viene tradotto in un segnale che, a seconda del tipo di comparatore, potrà avere caratteristiche diverse. Nel caso del comparatore di fase a tre stati, un errore di fase determina la generazione di impulsi di carica, che vengono trasferiti al filtro passa basso. Il fatto che vengano generati impulsi di carica dipende dalla presenza dello stato ad alta impedenza che, in condizioni di errore di fase nullo, rappresenta lo stato di equilibrio del sistema. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 23 Δφ PLL: modello dinamico V CC 2π I PB = V CC -V CPB R PB Δφ 2π + - V CC I PB + R PB V PB C PB - filtro passa basso Hp: V CPB = V Δφ CC I PB R PB V CPB = V CC 4π 2 1 = I PB dt CPB Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 24 12

13 V CC Δφ PLL: modello dinamico V CPB (s) 2π Δφ (s) 1 = 4π V CC sr PB C PB + - V CC I PB R PB + V PB V PB (s) Δφ (s) = V CC 4π 1+ sr PB C PB sr PB C PB C PB - filtro passa basso V PB (s) Δf (s) = V CC 2 1+ sr PB C PB s 2 R PB C PB Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 25 PLL: modello dinamico Il VCO è per sua natura un circuito molto veloce: dal punto di vista dinamico si può spesso trascurare il suo ritardo di risposta. Il suo guadagno può quindi essere facilmente ricavato dalla caratteristica statica. f f MAX f min f MAX -f min k VCO = VMAX -V min V V min V CC V MAX 2 Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 26 13

14 PLL: modello dinamico f x + fy - V CC k VCO 1+ sr PB C PB 2 s 2 R PB C PB Scegliendo opportunamente i componenti del filtro passa basso si garantisce la stabilità e si determina la velocità di risposta del PLL ad una variazione di frequenza. Il sistema consente di ottenere, a regime, errore nullo sia per la frequenza che per la fase dei due segnali. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 27 Trasmettitori La modulazione avviene perturbando, in modo opportuno, il funzionamento del trasmettitore. Per la modulazione OOK, generalmente, il microcontrollore inibisce l LNA ogniqualvolta sia richiesta la trasmissione di uno zero. Per la modulazione FSK il circuito del trasmettitore include una capacità interna che viene posta in parallelo all oscillatore al quarzo attraverso un interruttore controllato dal microcontrollore. Ciò determina uno sbandamento della frequenza di oscillazione. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 28 14

15 Trasmissione analogica Per alcune applicazioni, la trasmissione delle informazioni viene (ancora) effettuata per via analogica. In questo caso, la tecnica di modulazione più comunemente usata è la modulazione di frequenza (FM). In questo caso, il principio di funzionamento del trasmettitore consiste nel variare in modo proporzionale al segnale utile la tensione di ingresso del VCO. Si determina così un segnale di uscita la cui frequenza è proporzionale al segnale di ingresso di cui, quindi, trasporta l informazione. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 29 Trasmissione analogica V CC C VCO All amplificatore di antenna CD R 1 R 2 C IN R 3 R 4 + R 1 C A + V IN Schema semplificato di un modulatore FM Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 30 15

16 Trasmissione analogica Mappa dei pin del circuito integrato CD4046 Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 31 Ricevitori Il circuito ricevitore non è, di norma, integrato nel microcontrollore. Si hanno tuttavia a disposizione semplici circuiti integrati che consentono di realizzare demodulatori per tutte le tecniche di modulazione fin qui viste. Il ricevitore richiede in generale un antenna e un circuito specifico per la demodulazione del segnale, ovvero per la ricostruzione dell informazione trasmessa. Nel caso di modulazioni di frequenza (FSK/FM), il componente fondamentale di tale circuito è, ancora una volta, un PLL. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 32 16

17 Ricevitore analogico in FM V CC Dall amplificatore di antenna + C A C VCO CD R A 6 11 C R 3 R B C B R 4 R 5 VOUT - R L Schema semplificato di un demodulatore FM Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 33 Ricevitori Nel caso di modulazioni di ampiezza, ASK o OOK, la ricostruzione del segnale trasmesso risulta particolarmente semplice, potendo essere basata su un circuito a soglia. Il segnale di antenna, una volta amplificato, viene portato ad un rivelatore di picco, che può anche essere costruito con un semplice raddrizzatore a singola semionda, e, successivamente, comparato con una soglia opportuna. Per ottenere un buon rapporto segnale rumore è però spesso necessario aggiustare il guadagno dell amplificatore (e/o il livello di soglia) alla potenza (i.e. al livello) del segnale ricevuto. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 34 17

18 Ricevitori Il circuito integrato amplifica, con guadagno variabile in modo logaritmico, il segnale di antenna (amplifica molto i segnali deboli, molto meno quelli forti). L uscita è inviata a un semplice comparatore ad isteresi, la cui soglia è posta pari alla media del segnale ricevuto. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 35 Ricevitori Altro esempio di circuito per demodulazione di un segnale OOK. Il comparatore lavora con una soglia fissa, posta al di sotto del minimo livello che si attende di ricevere come un 1. Una semplice rete di reazione realizza l isteresi. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 36 18

19 Antenne Le tipiche antenne di trasmissione, ma anche di ricezione, sono del tipo a microstriscia. Sono quindi realizzate direttamente sul PCB che ospita il microcontrollore, attraverso piste dalle geometrie opportunamente studiate. In generale, la progettazione di queste antenne non è banale. Oltre alla definizione della frequenza di risonanza, il progetto deve massimizzare la potenza trasferita dall LNA all antenna (nel caso del trasmettitore). E quindi necessario l adattamento delle due impedenze (LNA e antenna). Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 37 Piano di massa Antenne loop L antenna loop irradia principalmente in direzione ortogonale al piano sul quale giace. La sua lunghezza totale è di norma una frazione, tipicamente 1/10 (o meno) della lunghezza d onda per la quale l antenna è accordata (300 MHz corrispondono a λ=1m). Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 38 19

20 Antenne patch Piano di massa L W f r c 2L ε r L antenna patch richiede la presenza di un piano di massa sottostante e di conseguenza irradia solo sulla metà superiore dello spazio. La lunghezza L determina la frequenza di risonanza f r dell antenna, la larghezza W influisce invece sulla larghezza di banda (di solito molto bassa) e l impedenza di ingresso. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 39 V CC Antenne loop C P L L RF C 1 LNA R loss Z Ant Z O Z L C 2 R rad Connessione dell amplificatore con un antenna loop. L antenna è rappresentata dalla sua impedenza equivalente. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 40 20

21 Antenne loop In un modello semplificato, l impedenza di una antenna loop si compone di tre elementi, che dipendono dalla geometria e dai materiali impiegati per la realizzazione dell antenna stessa (oltre che dalla frequenza di lavoro). La resistenza di radiazione R rad esprime il legame tra la corrente che percorre l antenna e la potenza da essa irradiata. La resistenza di perdita R loss modella invece le perdite per effetto Joule che hanno luogo nel circuito di antenna (domina ampiamente l effetto pelle). L induttanza L rappresenta invece il legame tra la corrente che percorre l antenna e il campo magnetico da essa generato. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 41 Antenne loop Compito del progettista, una volta determinati i valori dei parametri dell antenna, è quello di realizzare un buon adattamento tra l impedenza di carico (Z L ) e quella di uscita dell amplificatore a basso rumore (Z O ). Ciò richiede l uso di capacità di compensazione opportunamente tarate (C 1 e C 2 ), allo scopo di ridurre la componente induttiva dell impedenza di carico. L impedenza di uscita dell amplificatore è infatti, di norma, resistiva-induttiva, con un valore di induttanza equivalente però molto basso. Infine, l amplificatore è di norma una struttura open collector, pertanto la sua uscita deve essere connessa, tramite un impedenza di pull-up, alla sorgente di alimentazione. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 42 21

22 Antenne loop V CC C P L RF Antenna loop compensata C 1 Ground via C 2 Trasmettitore RF Esempio di realizzazione fisica del trasmettitore su un circuito stampato. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 43 Standard wireless Gli standard IEEE per comunicazioni wireless attualmente più usati sono i seguenti: - IEEE altrimenti noto come WiFi; - IEEE altrimenti noto come Bluetooth; - IEEE altrimenti noto come ZigBee. L ultimo standard (ZigBee) è stato recentemente introdotto per le applicazioni in cui il basso consumo di potenza è un requisito fondamentale. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 44 22

23 Standard wireless Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 45 ZigBee Lo standard ZigBee consente comunicazioni a corto raggio (30 m al chiuso e fino a 100 m all aperto) e opera tipicamente su una frequenza di 2.4 GHz, che garantisce un ottima penetrazione di pareti, soffitti e altri ostacoli. La bassa velocità di trasmissione (250 kbit/s) lo rende adatto a comunicazioni di tipo sporadico e di bassa complessità/durata. Le tipiche applicazioni sono nel settore domotico, nelle reti di sensori distribuite e nel controllo e automazione industriali. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 46 23

24 ZigBee Una caratteristica peculiare dello standard ZigBee è il modello di rete da esso sotteso. In questo tipo di rete, detto mesh, i nodi terminali sono disposti a stella intorno ad un nodo che svolge funzioni di router oppure di coordinatore. Sono possibili molti nodi router, ma un solo nodo coordinatore. Il coordinatore può quindi usare diversi percorsi per contattare i nodi terminali e raggiungere, attraverso i router, anche nodi non direttamente visibili. Tutto ciò conferisce alla rete caratteristiche di grande stabilità e robustezza. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 47 ZigBee In aggiunta, il protocollo prevede la verifica dello stato del canale prima della trasmissione. In caso di canale occupato, la trasmissione viene ritardata (possibile perché il duty-cycle di trasmissione è in genere basso). In questo modo, la probabilità di interferenza con altre reti operanti sulla stessa frequenza viene minimizzata. Al tempo stesso anche la gestione delle collisioni può essere evitata, il che consente di semplificare di molto il software di gestione della rete. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 48 24

25 ZigBee Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 49 ZigBee Molti costruttori (e.g. Microchip, Atmel, ST, Renesas ) offrono oggi periferiche esterne specifiche (e le relative librerie software), interfacciabili con i propri microcontrollori, per la gestione della comunicazione secondo lo standard ZigBee. Le tecniche di modulazione adottate sono, in questo caso, più sofisticate di quelle viste finora (tipicamente O-QPSK). Un caso notevole è rappresentato dal mc Jennic JN5139, che realizza un nodo ZigBee integrando su singolo chip microcontrollore, trasmettitore e relativo hardware di gestione. Simone Buso - Microcontrollori e DSP - Lezione 21bis 50 25