Lezione 1 bis Sommario 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 1bis 1 Lezione 1 bis Materiale di riferimento 1. Datasheet del microcontrollore Microchip rfpic1f675, disponibile sul sito web del corso in formato pdf.. 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, 001, ISBN 0890065136 Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 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 1bis 3 Trasmissione via radio Le applicazioni di queste tecnologie sono le più varie. A titolo di esempio si possono ricordare: 1. elettrodomestici intelligenti ;. 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 1bis 4 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 1bis 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);. modulazione On/Off Key (OOK); 3. modulazione Frequency Shift Key (FSK). Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 6 1
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. p(t) Modulazione ASK 0 1 0 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 1bis 7 Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 8 p(t) Modulazione OOK p(t) Modulazione FSK t 0 1 0 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 1bis 9 t 0 1 0 Nella modulazione FSK, invece, è la frequenza del segnale portante che viene modulata tra due livelli distinti, ciascuno associato ad uno dei due simboli. Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 10 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 ). Oscillatore al quarzo PhC Trasmettitori Phase Locked Loop PLL 1:N VCO LNA Z Ant Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 11 Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 1
PLL: oscillatore controllato PLL: oscillatore controllato V INT C INT I C I C > I C1 V OUT V INT V OUT La corrente IC ha una componente proporzionale al segnale di ingresso al Controllo VCO. Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 13 Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 14 PLL: comparatore di fase 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 1bis 15 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 ( ) oppure una bassa (GND), ad uno ad alta impedenza. Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 16 PLL: comparatore di fase PLL: comparatore di fase Buffer three state Macchina a stati 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 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 1bis 17 Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 18 3
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 1bis 19 f x PLL: principio di funzionamento x(t) f y /N PhC Filtro Passa Basso N La stabilità dell anello dipende totalmente dal progetto del filtro passabasso. VCO f y Divisore di frequenza (opzionale) y(t) Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 0 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. 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 èlegato è alla differenza di fase istantanea. Il legame dinamico tra errore di frequenza e errore di fase è pari a: (s)= Δf π s Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 1 Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 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 1bis 3 π I PB R PB V PB filtro passa basso I PB I PB V = CC V CPB R PB Hp: V CPB V = CC V CPB = R PB 4π π Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 4 = 1 I IPB dt 4
I PB π R PB V PB filtro passa basso V CPB (s) = (s) V PB (s) = (s) V PB (s) Δf (s) 4π sr PB Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 5 = 1 4π 1 sr PB srpb 1 sr PB s RPB s R PB 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 V k VCO = f MAX f min V MAX V min V min V MAX Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 6 f x f y 1 sr PB k VCO s RPB s R 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 1bis 7 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 1bis 8 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 1bis 9 C VCO All amplificatore di antenna Trasmissione analogica 1 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 CD4046 1 11 10 9 C IN R 3 R 4 R V 1 IN Schema semplificato di un modulatore FM Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 30 R R 1 C A 5
Trasmissione analogica Mappa dei pin del circuito integrato CD4046 Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 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 1bis 3 C A Ricevitore analogico in FM C VCO 1 3 4 5 6 7 8 CD4046 16 15 14 13 1 11 10 9 R 3 Schema semplificato di un demodulatore FM Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 33 R A R B C B C 3 R 4 R 5 VOUT Dall amplificatore di antenna R L 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 èperò è 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 1bis 34 Ricevitori 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 1bis 35 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 1bis 36 6
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 1bis 37 Piano di massa 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 1bis 38 Piano di massa Antenne patch L 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 1bis 39 W f r c L ε r C P LNA L RF Z O Z L C 1 C R loss R rad Connessione dell amplificatore con un antenna loop. L antenna è rappresentata dalla sua impedenza equivalente. Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 40 L Z Ant 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 1bis 41 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 ), allo scopo di ridurre la componente induttiva dell impedenza di carico. L impedenza di uscita dell amplificatore è infatti, di norma, resistivainduttiva, 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 pullup, alla sorgente di alimentazione. Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 4 7
Ground via C P Trasmettitore RF L RF Antenna loop compensata C 1 C Esempio di realizzazione fisica del trasmettitore su un circuito stampato. Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 43 Standard wireless Gli standard IEEE per comunicazioni wireless attualmente più usati sono i seguenti: IEEE 80.11 altrimenti noto come WiFi; IEEE 80.15.1 altrimenti noto come Bluetooth; IEEE 80.15.4 altrimenti noto come. L ultimo standard () è stato recentemente introdotto per le applicazioni in cui il basso consumo di potenza è un requisito fondamentale. Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 44 Standard wireless Lo standard consente comunicazioni a corto raggio (30 m al chiuso e fino a 100 m all aperto) e opera tipicamente su una frequenza di.4 GHz, che garantisce un ottima penetrazione di pareti, soffitti e altri ostacoli. La bassa velocità di trasmissione (50 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 1bis 45 Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 46 Una caratteristica peculiare dello standard 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 1bis 47 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 dutycycle 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 1bis 48 8
Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 49 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. Le tecniche di modulazione adottate sono, in questo caso, più sofisticate di quelle viste finora (tipicamente OQPSK). Un caso notevole è rappresentato dal mc Jennic JN5139, che realizza un nodo integrando su singolo chip microcontrollore, trasmettitore e relativo hardware di gestione. Simone Buso Microcontrollori e DSP Lezione 1bis 50 9