Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERSITATEA “POLITEHNICA” DIN TIMIŞOARAFACULTATEA DE ELECTRONICĂ ŞI TELECOMUNICAŢII
DEPARTAMENTUL DE TELECOMUNICAŢII
PROIECT DE DIPLOMĂ
TEHNOLOGIA ZIGBEE
Petrişor Ovidiu VINTILĂ
Conducător ştiinţific :Prof. Dr. Ing. Andrei CÂMPEANU
TIMIŞOARA2009
1
Cuprins
1. Introducere………………………………………………………………………… 4
2. Standardul ZigBee………………………………………………………………….5
2.1. Comparaţie ZigBee, Bluetooth, IEEE 802.11………………………………..6
2.2. Clase de reţele wireless......................................................................................7
2.3. Tipuri de dispozitive într-o reţea wireless şi rolul acestora.........................10
2.4. Topologia reţelei ZigBee..................................................................................11
2.5. Nivelurile reţelei ZigBee..................................................................................13
2.5.1. Nivelul Fizic.............................................................................................13
2.5.2. Nivelul MAC............................................................................................13
2.5.3. Nivelul reţea.............................................................................................14
2.5.4. Nivelul aplicaţie.......................................................................................14
2.6. Securitatea.......................................................................................................15
3. Aplicaţii ale tehnologiei ZigBee..............................................................................16
3.1Automatizarea caselor.......................................................................................16
3.1.1. Sistem de securitate.................................................................................16
3.1.2. Sisteme de irigare....................................................................................16
3.1.3. Sistem de control al luminii....................................................................17
3.2. Produse electronice de consum.......................................................................18
3.3. Automatizarea industrial.................................................................................18
3.4 Asistenţa medicală............................................................................................19
3.5. Alte aplicaţii......................................................................................................20
3.5.1. Accesul la camera de hotel.....................................................................20
3.5.2. Monitorizarea stingătoarelor de incendiu............................................20
4. Transmiţătorul ZigBee...........................................................................................21
4.1 Introducere........................................................................................................21
4.2 Blocul de recepţie..............................................................................................21
4.2.1 Amplificatorul LNA................................................................................22
2
4.2.2. Mixerul………………………………………………………...…….….24
4.2.3 Filtru în banda de bază…………………………………………..…….25
4.2.4. Convertorul analogic digital…………………………………….……..27
4.2.5. Receptorul digital…………………………………………………….…27
4.3. Blocul de transmisie..........................................................................................28
4.3.1 Modulatorul de fază.................................................................................28
4.3.2 Amplificatorul de putere……………………………………………….30
4.4. Generarea frecvenţei…………………………………………………………33
4.5. Managementul puterii......................................................................................40
4.6. Microcontrolere.................................................................................................42
4.7. Interfeţe de comunicare....................................................................................43
5. Dispozitivul ZigBee eZ430-RF2500..........................................................................46
5.1. CC2500…………………………………………………………………………48
5.1.1 Interfaţa SPI.............................................................................................50
5.1.2 Programarea ratei de transmisie............................................................50
5.1.3 Demodulatorul..........................................................................................51
5.1.4. Sincronizarea pe bit.................................................................................51
5.2 MSP430................................................................................................................52
6. Exemple de aplicaţii ale dispozitivului ZigBee eZ430-RF2500..............................54
6.1 Senzor de monitorizare wireless.........................................................................54
6.1.1. Dispozitivul de acces.................................................................................55
6.1.2 Dispozitivul final........................................................................................56
6.1.3 Moduri de operare.....................................................................................57
6.2 Reţea de transmisie wireless................................................................................59
6.3 Concluzii................................................................................................................61
3
1. Introducere
În anul 1998 mulţi dezvoltatori au realizat ca WiFi şi Bluetooth sunt inadecvate
pentru multe aplicaţii şi au inceput sa pună bazele specificaţiilor ZigBee, acestea fiind
finalizate de ZigBee Alliance în anul 2004.
Această lucrare propune să creeze o imagine despre standardul ZigBee. În
paragraful 2.1 este prezentată o comparaţie cu Bluetooth si IEEE 802.11, apoi în
subcapitolele următoare sunt prezentate tipurile de topologii de reţele ZigBee existente şi
nivelurile unor astfel de reţele. Ultimul paragraf evidenţiază problemele de securitate ce
apar. În capitolul 3 sunt descrise căteva din domeniile de utilizare ale acestei tehnologii şi
aplicaţii posibile.
Capitolul 4 descrie un transmiţător ZigBee. În paragraful 4.2 este prezentat
blocul de recepţie şi componentele acestuia, iar în paragraful 4.3 blocul de emisie.
Capitolul continuă cu informaţii despre generarea frecvenţelor, managementul puterii şi
tipuri de microcontrolere şi interfeţe ce pot fi utilizate la construcţia unui astfel de
tranmiţător. În capitolul 5 este prezentat dispozitivul ZigBee eZ430-RF2500 şi
componentele sale cele mai importante transmiţătorul wireless CC2500 şi
microcontrolerul MSP430. În ultimul capitol sunt prezentate două aplicaţii pentru a se
evidenţia caracteristicile şi modul de funcţionare.
4
2.Standardul ZigBee
ZigBee este un standard ce defineşte un set de protocoale de telecomunicaţii
pentru reţeaua wireless. Dispozitivele ce utilizează ZigBee operează in benzile de
frecvenţă de 868Mhz, 915Mhz, si 2,4Ghz. Rata maximă de date este de 250 kbps. ZigBee
este folosit la aplicaţii ce au ca principale cerinţe rata mică de transfer, preţ scăzut si viaţa
ridicată a bateriei. În multe aplicaţii ZigBee, timpul total în care dispozitivul wireless este
activ în aplicaţie este limitat, dispozitivul petrece mare parte a timpului în stand-by,
cunoscut ca şi modul sleep. Ca un rezumat, dispozitivele ZigBee sunt operţionale pentru
câţiva ani înainte ca bateria să fie înlocuită.
Una dintre aplicaţiile acestei tehnologii este monitorizarea pacientului la
domiciliu. Presiunea sângelui şi tensiunea unui pacient pot fi măsurate cu dispozitive ce
utilizează tehnologia ZigBee. După măsurare datele sunt transmise wireless la un server
local, de exemplu un calculator personal aflat in casa pacientului, unde sunt procesate
analizele iniţiale. În final informaţia vitală este transmisă, pentru analize, la asistenta
pacientului prin internet. Un alt exemplu de utilizare ZigBee este monitorizarea sănătăţii
clădirilor. În această aplicaţie câţiva senzori wireless ce utilizează tehnologia ZigBee pot
fi instalaţi într-o clădire şi toţi aceşti senzori pot forma o singură reţea wireless pentru a
strânge informaţii, care vor fi folosite la evaluarea sănatăţii structurii acestor clădiri şi la
detectarea posibilelor semne de distrugere. De exemplu dupa un cutremur, o clădire
trebuie verificată înainte de a fi deschisă publicului, utilizarea acestei tehnologii duce la
reducerea costurilor.
Standardul ZigBee a fost dezvoltat pentru prima data de ZigBee Alliance,
organizaţie ce are sute de companii membre. Această organizaţie a fost fondată în anul
2002, ca o organizaţie non-profit, deschisă oricărui doritor să se alăture.
Conceptul de a folosi comunicaţii wireless pentru a aduna informaţii , ori pentru
a efectua controale în interiorul unei case sau a unei fabrici nu este nou. Există câteva
5
standarde pentru reţele wireless de rază scurtă, precum IEEE 802.11, Wirelles Local Area
Network (WLAN) şi Bluetooth. Fiecare dintre aceste standarde are avantajul său în
anumite tipuri de aplicaţii. Standardul ZigBee este special dezvoltat pentru folosirea în
aplicaţii în care este necesară o putere scăzută de consum şi un preţ de implementare
redus.
Standardul ZigBee ajută la reducerea costurilor implementării prin simplificarea
protocoalelor de telecomunicaţii si reducerea ratei de date. Timpul de serviciu este
perioada de timp în care dispozitivul este activ, faţă de de timpul total. De exemplu dacă
un dispozitiv se activează la fiecare minut şi rămâne activ pentru 60 ms, atunci timpul de
serviciu al acestui dipozitiv este 0.1%. În multe aplicaţii ZigBee, dispozitivele, au timpul
de serviciu mai mic de 1% pentru a asigura o durată de viaţă a bateriei de câţiva ani.
2.1. Comparaţie ZigBee, Bluetooth, IEEE 802.11
Compararea standardului ZigBee cu standardul Bluetooth şi IEEE 802.11
WLAN ne ajută la înţelegerea diferenţelor dintre ZigBee si celelalte standarde. IEEE este
o familie de standarde , aici fiind analizat IEEE 802.11b. El operează în banda de 2.4Ghz,
care este comună cu Bluetooth şi ZigBee. IEEE 802.11b are o rată de transmisie ridicată
(11Mbps) şi una dintre aplicaţiile sale tipice este aceea de a aproviziona conexiuni
wireless de internet. Distanţa de transmisie la acest standard este cuprinsă în intervalul 30
şi 100 metri.
Bluetooth, pe de altă parte, are o rată de transmisie mai mică, mai puţin de
3Mbps şi raza sa de acoperire este de 2-10 metri. O aplicaţie cunoscută a Bluetooth-ului o
reprezintă căştile wireless , unde Bluetooth-ul creează legătura dintre telefonul mobil şi
un set hands-free
ZigBee are cea mai mică rată de transfer şi cea mai redusă complexitate între
aceste trei standarde şi asigură ceea mai lungă durată de viaţă a bateriei. Rata mică de
transfer a tehnologiei ZigBee face ca aceasta să nu reprezinte cea mai bună alegere de
6
implementare a unei conexiuni de internet wireless, dar dacă ţelul urmat este de a
transmite sau recepţiona comenzi simple sau strângerea de informaţii de la senzori de
temperatură sau umiditate, ZigBee reprezintă cea mai eficientă soluţie putere-preţ.
2.2. Clase de reţele wireless
Sunt împărţite în două categorii principale:
• Wireless Local Area Network(WLAN)
• Wireless Personal Area Network(WPAN)
Un dispozitiv WLAN poate fi integrat cu o reţea LAN şi o dată ce dispozitivul
devine o parte a reţelei , reţeaua tratează dispozitivul wireless ca oricare alt dispozitiv din
reţea. Scopul WLAN este de a maximiza distanţa şi rata de transfer.
Dispozitivele WPAN nu sunt dezvoltate pentru a înlocui orice reţea LAN
existentă. WPAN sunt create pentru a asigura ceea mai bună comunicare în spaţiul de
operare, fară necesitatea unei infrastructuri. Spaţiul personal de operare (POS) este
regiunea sferică ce înconjoară un dispozitiv wireless. Acesta are o rază de 33 metri.
Reţelele WPAN sunt împărţite în trei clase :
7
• de rată mare (high-rate)
• de rată medie (medium-rate)
• de rată mică (low-rate)
Un exemplu de reţea WPAN cu rată mare de transfer este IEEE 802.15.3. Acesta
are o rată de transfer cuprinsă în intervalul 11-55 Mbps. Datorită ratei mari de transfer
poate fi utilizată pentru aplicaţii ca transmiterea video wireless de la o cameră la un
televizor din apropiere.
Bluetooth-ul cu o rată de 1-3 Mbps este un exemplu de WLAN cu rata medie de
transfer şi poate fi folosit în transmiterea vocii de mare calitate la setul de căşti wireless.
ZigBee cu o rată maximă de 250Kbps este clasificat ca fiind WPAN cu rata mică
de transfer.
Una dintre căile comune în stabilirea unei reţele de comunicaţie (prin cablu sau
wireless) este prin folosirea conceptului de straturi de reţea. Fiecare strat este responsabil
pentru anumite operaţii din reţea. Aceste straturi transferă date si comenzi către straturile
vecine. Structura protocolului unei reţele wireless este prezentată în figura 2.
8
Aceasta are baza în modelul OSI(Open System Interconnected).
Divizarea unui protocol de reţea în mai multe straturi are un număr mare de
avantaje. De exemplu, dacă protocolul se modifică în timp, este mai uşor de înlocuit sau
modificat stratul care este afectat de schimbare, decât înlocuirea întregului protocol. De
asemenea, în dezvoltarea unei aplicaţii, cel mai de jos strat din protocol este îndeplinit de
aplicaţie şi poate fi obţinut dintr-o altă parte. Tot ceea ce este necesar este de a se face
modificări in stratul protocolului aplicatiei.
Aşa cum se arată in figura de mai sus cele două straturi de jos sunt definite de
standardul IEEE 802.15.4. Acest standard a fost dezvoltat de comitetul pentru standardul
IEEE 802 şi a fost iniţial lansat în anul 2003. IEEE 802.15.4 defineşte specificaţiile
pentru straturile fizic şi MAC, dar nu specifică nici o cerinţă pentru straturile de pe
nivelurile mai înalte.
Standardul ZigBee defineşte doar straturile reţea, aplicaţie, straturile de
securitate şi adoptă straturile MAC si fizic ale standardului IEEE 802.15.4. IEEE
802.15.4 a fost dezvoltat independent de standardul ZigBee si cu ajutorul lui este posibilă
construirea reţelelor de rază scurtă. În acest caz, utilizatorii pot dezvolta propriile
9
reţele/aplicaţii care sunt mult mai simple decât cele construite prin folosirea protocolului
ZigBee. Unul dintre principalele avantaje este utilizarea unei mici cantităţi de memorie
pentru implementarea întregului protocol, ceea ce duce la reducerea costurilor.
2.3. Tipurile de dispozitive dintr-o reţea wireless şi rolul acestora
Într-o reţea wireless IEEE 802.15.4 exista două tipuri de dispozitive:
• dispozitive cu funcţii depline(FFD - full function devices)
• dispozitive cu funcţii reduse (RFD - reduced function devices)
Un dispozitiv cu funcţii depline (FFD) este capabil să îndeplinească toate
îndatoririle descrise în standardul IEEE 802.15.4 şi poate să deţină orice rol în reţea.
Un dispozitiv cu funcţii reduse (RFD) are capacităţi limitate. De exemplu, un
FFD poate comunica cu orice alt dispozitiv din reţea, dar RFD poate comunica doar cu un
dispozitiv FFD. Dispozitivele RFD sunt destinate aplicaţiilor foarte simple (ex:
comutarea unui switch pe pornit sau oprit). Puterea de procesare şi memorare a unui
dispozitiv este de obicei mai mică decât a unui dispozitiv FFD.
Într-o reţea IEEE 802.15.4 un dispozitiv FFD poate avea trei roluri diferite:
• coordonator
• coordonator PAN
• dispozitiv
Un coordonator este un dispozitiv FFD care este capabil să retransmită mesajele.
Dacă coordonatorul are si rolul de control al unei reţele PAN (Personal Area Network ),
mai este numit coordonator PAN. Un dispozitiv care nu se comportă ca un coordonator
sau ca un coordonator PAN este denumit simplu dispozitiv (device).
Standardul ZigBee utilizează denumiri diferite. Un coordonator ZigBee are
aceleaşi propietăţi ca un coordonator PAN al standardului IEEE 802.15.4. Un router
10
ZigBee este echivalent cu un coordonator IEEE 802.15.4. Iar dispozitivul terminal este
dispozitivul care nu este nici coordonator nici router. Un dispozitiv ZigBee terminal are
cea mai puţină memorie şi cea mai mică capacitate de procesare, el este de asemenea şi
cel mai ieftin dispozitiv din reţea.
2.4.Topologia reţelei ZigBee
Topologia unei reţele ZigBee este dată de straturile reţelei. Reţeaua trebuie să fie
una dintre cele două tipuri de reţea specificate în standardul IEEE 802.15.4:
• stea (star)
• peer-to-peer.
În topologia stea, figura 3, fiecare dispozitiv din reţea poate comunica numai cu
coordonatorul PAN.
Într-o reţea de tip stea un scenariu tipic este acela că un FFD, programat să fie
coordonator PAN, este activat şi începe să-şi creeze reţeaua. Primul lucru pe care un
coordonator PAN îl face este să aleagă un identificator PAN unic, care nu este folosit de
nici o altă reţea din sfera sa de influenţă.
11
Într-o topologie peer-to-peer, figura 4, fiecare din dispozitive poate comunica
direct cu oricare alt dipozitiv, dacă dispozitivele sunt amplasate suficient de aproape unul
de altul, pentru a putea stabili cu succes o cale de comunicare.
Fiecare FFD dintr-o reţea peer-to-peer poate fi un coordonator PAN. O cale de a
decide care dispozitiv va fi coordonator PAN este de a alege primul dispozitiv FFD care
începe să comunice ca şi un coordonator PAN. Într-o reţea peer-to-peer, toate
dispozitivele care participă la transmiterea mesajului sunt FFD, deoarece dispozitivele
RFD nu sunt capabile de acest lucru. O reţea peer-to-peer poate să ia diferite forme prin
impunerea unor restricţii dispozitivelor care comunică între ele. Dacă nu există nici o
restricţie, reţeaua peer-to-peer este cunoscută ca o reţea cu topologia de tip mash.
O altă formă de reţea peer-to-peer pe care ZigBee o suportă este aceea de
topologie de tip tree (copac). În acest caz, coordonatorul ZigBee construieşte reţeaua
iniţială. Routerele ZigBee se comportă ca nişte frunze ale copacului şi nu participă la
routarea mesajului. Routerele ZigBee pot să extindă reţeaua iniţială creeată de
coordonatorul ZigBee. Figura 5 arată un exemplu despre cum redirecţionarea unui mesaj
poate ajuta la extinderea reţelei şi cum acesta poate să ocolească o barieră.
12
În exemplu, dispozitivul A trebuie să transmită un mesaj la dispozitivul B, dar
există o barieră între cele două dispozitive, care este impenetrabilă semnalului. Topologia
de tip tree ajută la redirecţionarea mesajului in jurul barierei pentru ca acesta să ajungă la
dispozitivul B.
2.5. Nivelurile reţelei ZigBee
2.5.1. Nivelul Fizic
Într-o reţea wireless ZigBee la cel mai mic nivel se găseste nivelul fizic. Acest
strat e cel mai aproape de hardware şi comunică direct cu emiţătorul radio. Nivelul fizic
este direct responsabil pentru activarea transmisiunilor radio sau recepţionarea
pachetelor. Nivelul fizic de asemenea selectează frecvenţa canalului şi asigură că acesta
nu este folosit de alte dispozitive din reţea.
2.5.2. Nivelul MAC
Medium Access Control (MAC) asigură interfaţa între stratul fizic si reţea. MAC
este responsabil pentru generarea balizelor şi sincronizarea dispozitivelor la acestea. El
asigură de asemenea servicii de asociere şi dezasociere.
13
2.5.3. Nivelul reţea
Este legătura dintre nivelulurile MAC şi aplicaţie. El este responsabil de
aranjarea formaţiei reţelei şi rutării. Routarea este procesul prin care se selectează calea
prin care mesajul va fi transmis la dispozitivul destinaţie. Coordonatorul şi routerele
ZigBee sunt responsabile pentru descoperirea şi menţinerea routerelor în reţea. Un
dispozitiv ZigBee terminal (end device) nu poate să aleagă sau să descopere rute
disponibile. Nivelul reţea al unui coordonator ZigBee este reponsabil cu iniţializarea unei
noi reţele şi configurarea topologiei acesteia. Coordonatorul ZigBee de asemenea
desemnează adresele reţelelor dispozitivelor din reţeaua sa.
2.5.4. Nivelul aplicaţie(APL)
Nivelul aplicaţie este cel mai mare din protocolul reţelei ZigBee wireless şi
conţine obiectele aplicaţiei. Producătorii dezvoltă obiectele aplicaţiei pentru a customiza
un dispozitiv pentru diverse aplicaţii. Obiectul aplicatie se ocupă cu controlul şi
managementul nivelurilor unui protocol de reţea ZigBee. Pot să existe până la 240
obiecte aplicaţie într-un singur dispozitiv.
Standardul ZigBee oferă opţiunea de a folosi profile în dezvoltarea unei aplicaţii.
Un profil aplicaţie este un set de convenţii cu privire la formatul mesajului şi acţiunile de
procesare. Folosirea unui profil aplicaţie asigură inoperabilitatea între produsele
dezvoltate de diferiţi vânzători pentru o aplicaţie. Dacă doi producători folosesc acelaşi
profil al aplicaţiei pentru dezvoltarea produselor, produsul unuia dintre ei va fi capabil să
interacţioneze cu produsul creat de celălalt, ca şi cum amândouă ar fi făcute de acelaşi
producător.
14
2.6. Securitatea
Într-o reţea wireless, mesajul transmis poate fi recepţionat de orice dispozitiv din
apropiere, chiar şi de un intrus. Există două motive de ingrijorare în ceea ce priveşte
securitatea datelor într-o reţea. Primul se referă la confidenţialitatea datelor. Dispozitivul
intrus poate să obţină informaţii esenţiale prin simpla ascultare a mesajelor transmise.
Codarea mesajelor înainte de transmitere va rezolva problema confidenţialităţii. Un
algoritm de codare modifică un mesaj folosind un şir de biţi cunoscut şi ca security key şi
doar recipientul dorit va fi capabil să reconstruiască mesajul original.
Al doilea motiv este legat de faptul că intrusul poate modifica şi poate retransmite unul
din mesajele anterioare chiar şi dacă mesajul este codat. Această problemă poate fi
rezolvată prin includerea unui cod de integritate a mesajului.
15
3. Aplicaţii ale tehnologiei ZigBee
3.1Automatizarea caselor
Automatizarea caselor este una din marea arie de aplicaţii ale tehnologiei
ZigBee. În paragrafurile următoare sunt prezentate câteva exemple.
3.1.1. Sistem de securitate
Un sistem de securitate poate consta din câţiva senzori. Aceştia pot fi senzori de
detecţie a miscării, senzori de spargere a geamurilor şi camerele de securitate. Aceste
dispozitive trebuie să comunice cu panoul central printr-o reţea pe fibră sau wireless.
Sistemele de securitate bazate pe ZigBee sunt uşor de instalat şi de upgradat. În ciuda
ratei mici de transfer este de asemenea posibil transferul wireless de imagine cu o calitate
acceptabilă. De exemplu ZigBee este folosit într-un sistem wireless de camere ce
supraveghează intrarea unei case si transmite imaginea la un monitor din interiorul casei.
3.1.2. Sisteme de irigare
Un sitem de irigare bazat pe senzori poate să ducă la o utilizare eficientă a apei
folosite. Senzorii amplasaţi de-a lungul terenului cultivat, pot să comunice cu tabloul
central de control şi pot să transmită informaţii legate de umiditatea solului la diferite
adâncimi. Dispozitivul de control va determina perioada de irigare, bazându-se pe tipul
plantei, perioada zilei şi sezon. O reţea de senzori wireless elimină dificultăţile create de
staţiile senzor legate prin fibră şi reduce costul de întreţinere.
16
3.1.3. Sistem de control al luminii
Controlul luminii este unul din exemplele clasice de folosire a tehnologiei
ZigBee într-o casă sau clădire comercială. Într-o instalaţie tradiţională, pentru a stinge sau
a aprinde lumina, este necesară aducerea firelor de la bec la întrerupător. Introducerea
unui nou dispozitiv de iluminat, necesită o nouă legătură la un întrerupător. Dacă
dispozitivele de iluminat si întrerupătorul sunt echipate cu dispozitive ZigBee, nu mai
este necesară legătura prin fir. În acest caz, orice întrerupător din casă poate să fie utilizat
pentru a stinge sau a aprinde un anumit dispozitiv. Figura 6 este un exemplu de
conexiune wireless între comutatoarele de pe perete şi lumini.
În acest exemplu, luminile sunt localizate la intrarea casei, în camere şi pe
coridor. Întrerupătorul de la intrare poate să stingă sau să aprindă oricare dintre cele patru
lumini. În schimb întrerupătorul din camere poate să oprească doar luminile din aceaste
zone. Această aplicaţie ZigBee este mai scumpă decât instalaţia tradiţională cu fir, dar
instalarea are un cost foarte scăzut deoarece nu necesită implementarea firelor prin pereţii
casei. ZigBee dă oportunitatea implementării acestui concept la o scară mult mai mare şi
asigură o durată lungă de viaţă a bateriilor.
17
3.2. Produse electronice de consum: Telecomanda
În electronicele de consum, ZigBee poate fi folosit în construcţia telecomenzilor
wireless, la mouse-ul wireless şi la multe alte aplicaţii. O telecomandă cu infraroşu
comunică cu televizorul, DVD-ul şi alte dispozitive prin intermediul semnalelor
infraroşii. Limitarea unui asemenea dispozitiv constă în faptul că poate asigura doar o
cale la dispozitivul dorit. De asemenea semnalul infraroşu nu trece prin ziduri sau alte
obiecte. IEEE 802.15.4 este un înlocuitor adecvat, pentru tehnologia infrared IR folosită
la telecomenzi ,datorită costului scăzut şi duratei de viaţă lungi a bateriei. Poate fi folosit
la crearea a două căi de comunicaţii între dispozitivul de control şi televizor, DVD, etc.
De exemplu informaţiile despre melodii sau programe pot fi încărcate în telecomandă,
chiar dacă aceasta nu se află în aceeaşi cameră cu aparatul.
3.3. Automatizarea industrială
La nivelul industrial ZigBee poate ajuta în arii precum managementul energiei ,
controlul luminii, controlul proceselor, gestionarea activelor.
Tagurile identificatoare de radiofrecvenţă sunt folosite de câţiva ani. Un
dispoztiv identificator de radiofrecvenţă pasiv nu are baterie, acesta poate fi alimentat de
la un dispozitiv de citire. Un dispozitiv identificator de radiofrecvenţă poate transmite
doar informaţii simple precum un număr identificator, care este suficient pentru multe
aplicaţii. Dispozitivele identificatoare de radiofrecvenţă active , ZigBee, sunt alimentate
de la baterie şi sunt mai scumpe. Au o rază mai mare de acţiune şi pot să furnizeze
servicii adiţionale precum estimarea locaţiei unui obiect sau unui angajat.
În figura 7 se arată localizarea unui angajat într-o clădire de birouri.
18
Există trei noduri ZigBee fixe, iar cel mobil este purtat de un angajat şi transmite
un semnal ce este recepţionat de celelalte noduri. Cu ajutorul algoritmilor se poate calcula
poziţia dispozitivului mobil ZigBee cu ajutorul informaţiilor primite de la celelalte
dispozitive.
3.4 Asistenţa medicală
Una din aplicaţiile IEEE 802.15.4, din industria asitenţei medicale, este
monitorizarea informaţiilor vitale la un pacient. Un pacient care stă acasă trebuie să fie
monitorizat permanent şi trebuie cunoscută la orice moment starea lui, presiunea sângelui
sau tensiunea. În acest sistem, reţeaua IEEE 802.15.4 poate fi folosită să colecteze date de
la senzori conectaţi la pacient.
Figura 8 este o diagramă simplă a unui sistem de monitorizare.
19
Un pacient poartă un dispozitiv ZigBee care comunică cu un senzor ce adună
informaţii la anumite momente de timp. Apoi informaţia este transmisă pe internet la un
computer folosit de asistentă pentru monitorizarea pacientului.
3.5. Alte aplicaţii
3.5.1. Accesul la camera de hotel
Sisteme bazate pe tehnologia ZigBee pot înlocui cheile magnetice folosite în
hoteluri la accesul în camere. Tradiţionalele carduri de plastic au o bandă magnetică pe
spate. Cititorul de carduri, instalat pe uşa clientului, citeşte informaţiile codate pe banda
magnetică pentru a permite accesul în cameră. Instalarea acestor cititoare pentru fiecare
uşă necesită tragerea firelor prin pereţi. O alternativă este sistemul de acces ZigBee, care
înlocuieşte un dispozitiv portabil ZigBee ce se comportă ca o cheie şi un altul în
interiorul uşii, care o închide sau o deschide.
3.5.2. Monitorizarea stingătoarelor de incendiu
Extinctoarele ar trebui verificate la fiecare 30 de zile pentru a se asigura că
acestea sunt încărcate şi că presiunea este corectă. În loc să se verifice manual, se poate
utiliza un sistem de monitorizare ZigBee ce are conectat un senzor la fiecare extinctor.
Acest sistem nu salvează doar timp şi bani, de asemenea ajută la îmbunătăţirea siguranţei
prin alertarea imediată a autorităţilor dacă un extinctor nu funcţionează corect.
20
4. Tranzmiţătorul ZigBee
4.1 Introducere
Arhitectura transmiţătorului şi topologia blocurilor individuale din interiorul
acestuia sunt determinate în funcţie de aplicaţia dorită. Transmiţătorul dezvoltat pentru
standardul IEEE 802.15.4 trebuie să aibă un consum şi un cost cât mai mic.
Există câteva cărţi care ne ajută să înţelegem topologia transmiţătorului şi
construcţia blocurilor individuale din interiorul acestuia. Pentru simplitate , topologia
transmiţătorului ZigBee ales pentru acest proiect constă dintr-o conversie directă a
semnalului recepţionat şi una a semnalului transmis.
4.2 Blocul de recepţie
Într-un receptor cu conversie directă, frecvenţa oscilatorului local este aceeaşi
cu frecvenţa semnalului de intrare. Când semanalul de radiofrecvenţă este multiplicat de
semnalul de la oscilatorul local, semnalul de intrare este convertit direct în banda de bază.
Receptorul cu conversie directă (DCR) poate fi integrat uşor şi necesită doar câteva
componente interne. Prin reducerea numărului de componente externe se reduce costul
total şi dimensiunea transmiţătorului.
În blocurile de joasă frecvenţă ca şi în filtrele în banda de bază, capacităţile
parazite nu au contribuţii semnificative la performanţele blocului. În receptorul cu
conversie directă, zgomotul din amplificatorul de joasă frecvenţă este îndepărtat de un
condensator de cuplaj amplasat între amplificatorul de joasă frecvenţă şi mixer.
21
Una dintre propietăţile principale ale unui semnal este dată de raportul semnal
zgomot, SNR. Raportul semnal zgomot este dat de raportul dintre puterea semnalului şi
puterea zgomotului. De fiecare dată când un semnal trece printr-un bloc, raportul semnal
zgomot se va degrada deoarece blocul va aduce zgomotul său la semnal. Cifra de zgomot
(noise figure NF) este raportul dintre raportul semnal zgomot al semnalului de intrare şi
raportul semnal zgomot al semnalului de ieşire.
Receptorul trebuie să îndeplinească câteva performanţe. Distanţa dinamică de
exemplu, este intervalul de la cea mai mică putere a semnalului de intrare detectabil până
la semnalul de intrare cu cea mai mare putere pe care receptorul o poate detecta cu
succes. În standardul IEEE 802.15.4 sensibilitatea receptorului e definită ca fiind
semnalul recepţionat cu puterea cea mai mică. IEEE 802.15.4 cere doar o sensibilitate de
-85dBm pentru aplicaţiile desfăşurate în banda de 2.4Ghz. În banda de 868/915 ,dacă
modulaţia BPSK este folosită, sensibilitatea cerută este de -92dBm.
4.2.1 Amplificatorul LNA
Câştigul amplificatorului cu zgomot redus şi al cifrei de zgomot sunt cei mai
importanţi factori ce contribuie la sensibilitatea receptorului. Impedanţa antenei este de
22
obicei o valoare fixă, cunoscută. În ordine pentru a maximiza câştigul amplificatorului cu
zgomot redus, impedanţa de intrare a acestuia trebuie să fie conjugata impedanţei antenei.
Designul unui amplificator cu zgomot redus începe cu alegerea topologiei acestuia. O
topologie simplă pentru amplicatorul de zgomot redus este un amplificator diferenţial cu
intrări inductive arătat în figura 10.a.
Lload poate sa fie o rezistenţă sau o bobina. Prin folosirea rezistenţelor în locul
bobinelor pentru aceasta, duce la imbunătăţirea liniarităţii şi performanţelor cifrei de
zgomot. Aria ocupată de bobine poate să fie prea mare pentru un transmiţător de cost
mic. Sensibilitatea cerută pentru receptorul IEEE 802.15.4 este uşor de obţinut şi este
posibilă folosirea rezistenţelor pentru îndeplinirea cerinţelor standardului IEEE 802.15.4.
Bobinele Ls1 şi Ls2 ajută la îmbunătăţirea liniarităţii amplificatorului de zgomot redus. În
majoritatea modelelor de operare ale IEEE 802.15.4 semnalul modulat are o anvelopă
constantă. Nu este necesară folosirea bobinelor Ls1 şi Ls2 pentru îmbunătăţirea
performanţelor amplificatorului de zgomot redus la transmiţătorul IEEE 802.15.4 cu cost
scăzut.
În figura 10.b este prezentată schema unui amplificator în cascadă. Dispozitivele
adiţionale M3 şi M4 ajută la îmbunătăţirea stabilităţii amplificatorului cu zgomot redus
23
(LNA – Low Noise Amplifier) şi a izolării inverse, cu costul degradării performanţelor
amplificatorului în ceea ce priveşte zgomotul acestuia. Izolarea inversă este importantă în
partea de conversie directă a receptorului . Frecvenţa semnalului oscilatorului local (LO –
Local Oscilator) este aceeaşi cu ceea a semnalului de radiofrecvenţă şi din această cauză
trebuie minimizată scurgerea semnalului de la oscilator la intrarea amplificatorului LNA.
Principalele surse de neliniarităţi dintr-un amplificator LNA sunt dispozitivele
active. Într-un CMOS curentul scurs este aproximativ proporţional cu pătratul tensiunii
de intrare. Neliniarităţile pot să degradeze forma densităţii spectrale de putere a
semnalului dorit. Blocul LNA este conectat la mixer printr-un condensator, ce
îndepărtează toate componentele spectrale nedorite ale semnalului, înainte ca acesta să
ajungă la mixer. Componentele spectrale cu o frecvenţă mult mai mare decât a canalului
sunt îndepărtate şi nu afectează performanţele receptorului.
4.2.2. Mixerul
În figura 11 este prezentată o diagramă simplă a celulei Gilbert, care este una
dintre cele mai folosite topologii pentru un mixer. Semnalul diferenţial de radiofrecvenţă
intră în mixer prin M1 şi M2. Dispozitivele M1, M2 împreună cu rezistenţele R1 şi R2
formează un amplificator diferenţial.
24
Semnalul diferenţial de la oscilator porneşte şi opreşte dispozitivul întrerupător
(format din componentele M3, M4, M5, M6) pentru a converti semnalul în banda de
bază. Scopul unui mixer este acela de a minimiza zgomotul, consumul de curent, aria şi
de a maximiza câştigul, liniaritatea şi izolarea între porturi. O izolare slabă duce la
apariţia tensiunii de offset.
4.2.3 Filtru în banda de bază
După ce semnalul este prelucrat de un mixer , trebuie să fie amplificat şi filtrat
înainte de a fi transmis la blocul de conversie analog digitală. Aşa cum se arată în figura
12 filtrarea şi amplificarea au loc în stagii multiple. Ordinul filtrului şi lărgimea de bandă
sunt determinate de lărgimea de bandă şi cerinţele canalului. După filtrare, semnalul va
deveni mai slab decât semnalul dorit, acest lucru va permite filtrului digital să
demoduleze cu succes semnalul dorit.
Un convertor analog digital oversampling este un convertor analogic digital care
eşantionează semnalul de intrare cu o rată mult mai mare decât rata Nyquist. Dacă un
astfel de convertor este folosit într-un lanţ de recepţie, filtrul trebuie să se comporte ca un
filtru antialiere pentru blocul de conversie analog digital. Filtrul îndepărtează zgomotul
din banda de frecvenţă şi îmbunătăţeşte raportul semnal zgomot al semnalului dorit.
Puterea semnalului de radiofrecvenţă recepţionat poate varia semnificativ şi
lanţul de amplificatoare al receptorului trebuie să fie capabil să-şi modifice câştigul în
25
funcţie de puterea semnalului recepţionat. Rolul blocului de control automat al câştigului
este de a măsura puterea semnalului recepţionat şi de a modifica dinamic câştigul
amplificatoarelor pentru a se asigura că semnalul livrat la convertorul analog digital se
găseşte în raza dinamică a acestuia. Un IEEE 802.15.4 trebuie să fie capabil să măsoare
puterea semnalului recepţionat şi să genereze un indicator al puterii semnalului
recepţionat.
Un dispozitiv de control automat al câştigului (AGC) poate folosi informaţiile
referitoare la raportul semnal zgomot şi să ajusteze câştigul receptorului. Semanalul de
radiofrecvenţă ce intră în receptor nu conţine doar semnalul dorit, poate să conţină şi
interferenţe care sunt mai puternice decât semnalul origininal. Filtrul în banda de bază va
atenua semnalele ce nu se găsesc în canalul dorit, iar amplificatorul de zgomot redus şi
mixerul vor amplifica egal semnalele din bandă. Mecanismul de câştig cu control
automat trebuie să măsoare energia semnalelor din canal şi din afara canalului pentru a
evita o eventuală saturaţie a blocurilor din lanţul de recepţie. Banda de frecvenţă a
fiecărui nivel din filtru depinde de câteva rezistenţe şi condensatori. Valoarea fiecărei
rezistenţe sau condensator poate varia pâna la 50% datorită variaţiilor din proces. Banda
de bază a filtrului poate varia şi ea până la 50%. Această mare variaţie nu este acceptată
în multe aplicaţii şi câteva metode au fost dezvoltate pentru a o reduce.
Una dintre aceste metode este aceea de pole-traking. Un condensator extern este folosit
ca referinţă pentru a determina variaţia valorilor condensatorilor. Presupunându-se că
valorile condesatorilor si rezistenţelor folosite într-un filtru sunt ajustabile, metoda pole-
traking poate fi folosită pentru ajustarea valorilor acestor componente. Folosind această
metodă este posibilă reducerea variaţiei filtrului la mai puţin de 10%.
Dacă câştigul minim al filtrului este de 0dB, câştigul maxim cerut de filtru poate
fi determinat din relaţia următoare:
GBB(MAX) = DR – DADC - ∆GLNA(dB) 4.1
unde GBB(MAX) este câştigul maxim al filtrului, DR este raza receptorului, şi
∆GLNA(dB) este diferenţa dintre câştigul maxim si minim al amplificatorului cu zgomot
redus.
26
4.2.4. Convertorul analogic digital
Următorul pas după filtrul analogic este convertorul analog digital ADC. Un
comutator analog digital eşantionează semnalul analogic şi dă o valoare digitală fiecărui
eşantion.
4.2.5. Receptorul digital
După ce semnalul este convertit în semnal digital, de convertorul analogic
digital, este transmis la receptorul digital. Receptorul digital este responsabil pentru
demodularea şi recuperarea datelor. Demodulatorul este unul dintre blocurile principale
dintr-un receptor digital. Un demodulator OQPSK recepţioneză faza şi quadratura
eşantionului semnalului şi decide simbolul corespunzător. Există câteva metode pentru
implementarea demodulatorului şi selecţia metodelor de demodulare depinde de
sensibilitatea receptorului, complexitatea implementării şi sensibilitatea la erorile
semnalului recepţionat.
Detecţia coerentă, de exemplu, presupune disponibilitatea de a estima
caracteristicile canalului. Caracteristica canalului este determinată prin transmiterea de
semnale de la transmiţător la receptor. Detecţia coerentă este complexă şi nu este
adecvată pentru receptorul IEEE 802.15.4 de cost redus.
Detecţia necoerentă este o alternativă simplă la detecţia coerentă şi nu necesită
informaţii despre canal. În detecţia necoerentă, în loc să măsurăm faza semanlului, este
măsurată schimbarea de fază de la un simbol la altul pentru a determina informaţia
recepţionată. Detecţia diferenţială a simbolului elimină efectul oricărei erori de fază,
deoarece doar diferenţa de fază dintre două simboluri consecutive este luată în
considerare, în loc de valoarea fazei pentru fiecare simbol. Detectia necoerentă ajută la
simplificarea implementării receptorului cu costul degradării sensibilităţii receptorului.
27
Frecvenţa de operare a transmiţătorului poate să nu fie exact la fel cu ceea a
receptorului şi receptorul trebuie să fie capabil să tolereze erori de frecvenţă în semnalul
recepţionat. Una din metodele de îmbunătăţire a offsetului frecvenţei unui receptor este
prin folosirea metodei DCD (differenţial chip detection). Aceasta este similară cu
detecţia diferenţială a simbolului, dar măsoară diferenţa dintre două perioade intersimbol
în loc de diferenţa dintre două simboluri consecutive. Această metodă degradează nivelul
de sensibilitate al receptorului în canalele AWGN mai mult decât detecţia necoerentă.
4.3. Blocul de transmisie
Funcţia transmiţătorului este de a modula informaţia, de a amplifica semnalul şi
de a transmite semnalul modulat. Transmiţătoarele cu conversie directă sunt simple de
implementat şi sunt potrivite pentru transmiţătoarele de cost scăzut pentru banda ISM.
4.3.1 Modulatorul de fază (PMS – Phase Shift Modulator)
Blocul modulator de fază are într-un lanţ de transmisie rolul de a converti şiruri
de biţi în semnale modulate. Semnalul modulat generat de blocul modulator de fază va fi
amplificat de blocul amplificator de putere (PA – Power Amplifier) înainte de a fi
transmis.
În figura 13.a se arată constelaţia de puncte a modulaţiei OQPSK.
28
În modulaţia OQPSK, fiecare doi biţi de informaţie sunt atribuiţi unei faze
specifice de semnal. Blocul modulator de fază adaugă de obicei schimbări intermediare
de fază pentru a îmbunătăţii forma densităţii spectrale de putere (PSD – Power Spectral
Density) a semnalului de la ieşire. Un cadran este egal cu un sfert de cerc arătat în figura
13.a. În modulaţia OQPSK un cadran este egal cu perioada unui bit. În figura 13.b,
fiecare fază intermediară este de 22.5 grade, sunt posibile patru shimbări de fază într-un
cadran. Efectul schimbării intermediare a fazei la semnalul de ieşire este arătat în figura
14.
Ambele densităţi spectrale de putere din figură sunt pentru semnale cu modulaţie
OQPSK, cu aceeaşi rată de biţi şi aceeaşi frecvenţă purtătoare. Rata de bit este prezentată
în figură prin litera R. De exemplu, în modul de operare de 2.4Ghz al standardului IEEE
802.15.4, rata de bit (R) este egală cu 2Mbps.
Din figura 14 se poate trange concluzia că prin creşterea numărului de schimbări
ale fazei pentru acelaşi cadran, energia semnalului se concentrează în jurul frecvenţei
purtătoare. La semnalul OQPSK cu o schimbare de fază pe cadran, primul lob se situează
la -14dBc, în timp ce la semnalul OQPSK cu patru schimbări de faze pe cadran, primul
lob este îmbunătăţit la -22dBc. Mărirea numărului de schimări de faze pe cadran la infinit
nu va avea ca rezultat decât o îmbunătăţire a primului lob la -23dBc. Implementarea
29
blocului modulator cu patru schimbări de fază pe cadran este adecvată pentru un
transmiţător IEEE 802.15.4. Există o relaţie între eroarea de fază şi amplitudine a
semnalului generat de blocul modulator de fază şi nivelul primului lob al semnalului
generat. Cu cât erorile fazei şi amplitudinii sunt mai mari cu atât mai mare va fi nivelul
primului lob. De exemplu, pentru eroare de fază de 5.73 grade nivelul primului lob al
semnalului OQPSK va creşte cu 1 dB. Schimbarea nivelului lobului este doar aparentă
înainte inainte ca semnalul de la ieşirea modulatorului de fază se fie filtrat sau amplificat
de amplificatorul de putere PA.
4.3.2 Amplificatorul de putere (PA)
Amplificatorul de putere PA (Power Amplifier) este ultimul bloc din lanţul de
transmisie. Amplificatorul de putere amplifică semnalul şi îl livrează la antenă. De obicei
transmiţătoare de pe piaţă pentru reţeaua IEEE 802.15.4 vin cu un amplificator de putere
integrat. Puterea de ieşire a unui amplificator de putere este un jurul a ± 3 dBm, care este
mult mai mică decât a aplificatoarelor din banda ISM. Un amplificator de putere
individual poate fi fabricat doar prin utilizarea unei tehnologi complexe de proces, dar
amplificatoarele de putere integrate sunt majoritatea fabricate cu procesul CMOS pentru
a reduce constul transmiţătorului.
Figura 15 arată un amplificator de putere cu intrare inductivă.
30
Amplificatoarele de putere sunt de obicei diferenţiale, dar în acest exemplu este
utilizat unul simplu. În figura 15 tranzistorul M1 transformă tensiunea de intrare în
curent. Tensiunea de intrare Vin reprezintă semnalul modulat care va fi transmis. Bobina
L face ca valoarea tensiunii de ieşire să se situeze în jurul tensiunii VDD. Dacă tranzistorul
M2 nu ar fi prezent, tensiunea de ieşire Vout cu o valoare mai mare decât a tensiunii VDD
ar cauza distrugeri semnificative tranzistorului M1. Tranzistorul M2 protejează
tranzistorul M1, şi ajută la izolarea inversă a amplificatorului de putere.
În figura 15 antena, comutatorul si condesatorul de cuplaj sunt modelate cu
ajutorul unei impedanţe(R +jX). Este necesară o bună potrivire între antenă şi
amplificatorul de putere pentru a se asigura că antena va radia puterea maximă. O bună
parte din curentul consumat din lanţul de transmisie se datorează amplificatorului de
putere. Optimizarea performanţelor amplificatorului de putere este necesară pentru a se
reduce consumul de curent din transmiţător. Eficienţa EPA este definită ca fiind raportul
dintre puterea livrată de amplificatorul de putere la antenă si puterea consumată de
amplificatorul de putere PA:
%100*)(
DC
rmsoutPA P
PE = 4.2
De exemplu, un aplificator de putere ce are la ieşire o putere 0 dBm, cât timp
consumă un current de 5mA de la o sursă de 1.2V, are eficienţa de 16.7%:
%100100*2.1*10*5
10 33
≈= −−
PAE 4.3
Există câţiva factori care contribuir la eficienţa amplificatorului de putere. De
exemplu, în figura 15 factorul Q al inductorului are un impact considerabil asupra
eficienţei amplificatorului de putere. Cu cât acesta este mai mare cu atât cu atât eficienţa
amplificatorului de putere va fi mai mare.
31
Topologia amplificatoarelor de putere este împărţită în clase precum
A,B,C,D,E,F,G,H şi S. Această clasificare are la bază forma curentului în amplificatorul
de putere. În clasa A de exemplu, curentul amplificatorului este suficient de mare astfel
încât tranzistorul, care este responsabil cu obţinerea câştigului stă în regiunea activă tot
timpul. În clasa A, semnalul de la ieşirea amplificatorului are o formă de undă plină.
Eficinţa la clasa B este mult mai bună decât eficienţa la clasa A, iar amplificatorul de
clasa AB este un aplificator cu propietăţile amplificatoarelor de clasa A şi clasă B.
Amplificatoarele de clasă B şi AB sunt de obicei folosite pentru implementarea
amplificatorului de putere integrat.
La amplificatoarele de putere de clasă E, tranzistorul M2 din figuă nu este
prezent, iar tranzistorul M1 este folosit ca un comutator. Tranzistorul M1 este pornit pe
perioada primei jumătăţj a semnalului şi este oprit pe perioada rămasă. La clasa E, bobina
L din figură trebuie să aibă o valoare suficient de mare pentru a asigura o curgere fluentă
a curentului. Circuitul de potrivire va filtra armonicele suplimentare şi va lăsa să treacă
doar fracvenţa fundamentală a semnalului de intrare. Amplificatoarele de clasă E sunt
nelineare şi foarte eficiente. Alte clase de amplificatoare sunt folosite doar pentru
amplificarea mare de putere dar nu reprezintă o soluţie eficientă pentru transmiţătoarele
de mică putere IEEE 802.15.4.
Amplificatorul liniar este necesar cand semnalul conţine informaţie şi în fază şi
în amplitudine. În tehnicile de modulaţie OQPSK şi BPSK informaţia se găseşte în faza
semnalului. Semnalul modulat cu tehnica OQPSK transmis la amplificatorul de putere are
o anvelopă constantă. Deoarece nu există informaţie în amplitudinea semnalului cu
modulaţie OQPSK şi BPSK, amplificatorul de putere poate fi considerat ca fiind unul
nonlinear, ce are o eficienţă a puterii mult mai mare decât a unui aplificator liniar.
Performanţa unui amplificator de putere integrat depinde de impedanţa de la ieşire.
Variind valoarea impedanţei de la ieşire şi măsurând performanţa amplificatorului de
putere este posibilă găsirea unui punct în care performanţa amplificatorului de putere este
optimă. Acest test este automat deoarece necesită câteva măsurători. Informaţiile obţinute
ajută la optimizarea câştigului, liniarităţii şi eficientţei amplificatorului de putere.
32
4.4. Generarea frecvenţei
Generearea frecvenţei reprezintă una din principalele provocări într-un
transmiţător. Un transmiţător nu are nevoie doar de frecvnţă de referinţă precisă ci şi de
un clock. Semnalele de referinţă de mare acuarateţe sunt generate prin folosirea
cristalelor de curaţ. Într-un transmiţător, un bloc sintetizator generează un semnal cu
frecvenţă variabilă. Principalul bloc în interiorul sintetizatorului este Voltage Controlled
Oscillator (VCO). Acesta generează un semnal de radiofrecvenţă care este folosit de
câteva blocuri din transmiţător. De exemplu, mixerele din receptor multiplexează
semnalul de la ieşirea VCO cu semnalul de intrare de radiofrecvenţă.
VCO din figura 16 este instabil în natură şi începe să oscileze daca tranzitorii
M1 şi M2 au o valoare a gm suficient de mare.
Valoarea varictorilor şi ceea a bobinelor determină frecvenţa oscilatoare a VCO:
FOSC ≈ 1/2pi * sqrt(L * (Cv + Cp)) (Hz),
unde Cp este capacitatea tot de la ieşirile VCO. Un VCO ideal generează un ton ideal,
care este un semnal sinusoidal cu largimea de bandă egală cu zero. Densitatea spectrală
33
de putere al oricărui VCO nu conţine doar tonul sinusoidal dar şi zgomote nedorite din
jurul tonului ideal.
Zgomotul de fază al VCO este măsurat de la frecvenţa de offset f1 până la
frecvenţa de offset f2. Frecvenţa de offset f1 trebuie să fie cât mai mică posibilă deoarece
energia zgomotului de fază este foarte puternică la frecvenţe mici. Valoarea frecvenţei f1
este determinată de limitarea practică a instrumentelor de măsurare a zgomotului. Faza
zgomotului VCO din figura 16 corespunde cu o fază a erorii echivalente. Valoarea rms a
acestei erori de fază (∆φ) poate fi determinată din ecuaţia alăturată:
dff
f
fL
∫∗=∆2
1
10)(
102ϕ 4.4
unde ∆φ se exprimă în radiani, L(f) este în dBc/Hz şi f este frecvenţa de offset în Herz.
Valoarea rms a erorii de fază (∆φ) este foarte importantă şi poate fi folosită pentru a
determina căteva din caracteristicile de performanţă ale VCO.
De exemplu relaţia dintre eraoarea de fază a VCO şi EVM cauzată de VCO
poate fi aproximată prin relaţia de mai jos:
EVM(%) ≈ 100 * ∆φ (∆φ în radiani).
Dacă valoarea rms a erorii de fază este de 6 grade (0.104 radiani), atunci EVM-
ul semnalului generat de VCO este de 10.4%. Altă valoare care poate fi obţinută pornind
de la ∆φ este valoarea rms a semnalului de bruiaj(∆T). Bruiajul reprezintă variaţiile
nedorite din perioada semnalului.
πϕ2*0f
T ∆=∆ 4.5
unde ∆T reprezintă bruiajul semnalului şi se măsoară în secunde, ∆φ este valoarea rms a
erorii de fază şi f0 reprezintă frecvenţa de oscilaţie în Hertz. Dacă valoarea rms a erorii
34
de fază (∆φ) , într-un semnal cu frecvenţa de 100Mhz, este de 1 grad (0.017 radiani),
atunci bruiajul semnalului va fi de 28 picosecunde. Perioada ideală a unui semnal cu
frecvenţa de 100 Mhz este de 10ns, dar datorită bruiajului, perioada va varia în intervalul
9.986 ns – 10.014 ns.
Dacă un semnal s(t) cu frecvenţa fRF este multiplicată de un ton ideal cu
frecvenţa fRF – fIF, semanlul s(t) va fi convertit la frecvenţa fIF şi spectrul de putere al
semnalului s(t) va rămâne neschimbat. Semnalul dorit are frecvenţa fRF. Când semnalul
VCO este multiplicat de semnalul dorit, semnalul VCO se presupune a fi un ton ideal fără
zgomot al fazei. Semnalul de interferenţă se presupune a fi un ton ideal cu frecvenţa fRF +
∆f. Semnalul de interferenţă converteşte semnalul VCO la fIF + ∆f. O parte din semnalul
VCO , după conversie, va fi în aceeaşi bandă de frecvenţă ca şi semnalul dorit.
Valoarea medie a zgomotului de fază la frecvenţa de offset ∆f poate fi calculată
din ecuaţia următoare:
NVCO = PD – PI – SNR – 10 * log10(B), 4.6
unde :
B(Hz) = lărgimea benzii semanalului dorit
PD(dBm) = puterea semnalului dorit
PI(dBm) = puterea semnalului de interferenţă
∆f (Hz) = diferenţa de frecvenţă dintre centrul semnalului dorit şi centrul
semnalului de interferenţă;
SNR(dB) = raportul semnal zgomot dorit.
De exemplu, considerând un transmiţător ce operează la 2.4 Ghz cu lăţimea de
bandă a semnalului de 2 MHz. Există un semanal de interferenţă , cu 55 dB mai puternic
decât semnalul dorit, si cu o frevenţă cu 5 Mhz mai mare. Pentru a asigura un snr de cel
puţin 15dB , zgomotul de fază trebuie să aibă o valoare de -114dBc/Hz la o frecvenţă cu
o valoare mai mare sau mai mică cu 5Mhz faţă de frecvenţa purtătoare:
PD – PI = -55dB
35
nVCO = -55 -15 – 10 * log10(2 *106)
= -144dBc/Hz
SNR-ul dorit este dat de SNR-ul semnalului obţinut la ieşirea mixerului.
Calculul valorii nVCO necesară, bazat numai pe amplitudinea semnalului de interferenţă
este doar una din metodele determinare a specificaţiilor zgomotului de fază a blocului
VCO.
În general, zgomotul de fază a unui filtru LC poate fi îmbunătăţit prin creşterea
valorii Q. Prin mărirea acestei valori se reduce puterea consumată a blocului VCO.
Inductorii externi au o valoare Q mult mai bună faţă de ceea a inductorilor integraţi. Una
din metodele imbunătăţirii valorii Q este de a folosi inductori externi. Zgomotul de fază
la tranzmiţătoarele IEEE 802.15.4 nu are o limită restrânsă, şi producătorii evită folosirea
unui inductor exterior pentru a economisi spaţiu şi pentru a reduce costul.
În regiunea lineară, prin creşterea curentului ID se măreşte tensiunea de ieşire a
blocului VCO şi se reduce zgomotul de fază. În regiunea lineară, performanţele blocului
VCO legate de zgomot pot fi îmbunătăţite cu costul creşterii puterii disipate. Tensiunea
de la ieşirea blocului VCO creşte liniar cu curentul ID până când intră în regiunea
neliniară. În regiunea neliniară prin creşterea curentului ID are loc o degradare a tensiunii
de fază a blocului VCO. Un bloc VCO este construit să opereze în jurul punctului IOPTIM
din figura 17.b. Divizarea frecvenţei semnalului poate îmbunătăţi zgomotul de fază a
semnalului de ieşire a blocului VCO atâta timp cât contribuţia zgomotului la frecvenţa
blocului de divizare este neglijabilă. Dar plin multiplicarea frecvenţei semnalului se
ajunge la o degradare a zgomotului de fază a semnalului.
Blocul VCO nu are nici un semnal de intrare. Într-un lanţ de recepţie, dacă există
o interferenţă puternică la intrarea amplificatorului de zgomot redus, aceasta va afecta
blocul VCO prin intermediul mixerului. Frecvenţa de operare a blocului VCO poate fi
afectată dacă un semnal este introdus în bloc. În general, frecvenţa de operare a blocului
VCO se schimbă cu frecvenţa semnalului injectat. Prin mărirea izolării inverse dintre
36
VCO şi mixer se poate îndepărta acest efect. Acest fenomen poate fi cauzat şi de
amplificatorul de putere (PA). Semnalul de la ieşirea amplificatorului de putere este un
semnal puternic şi se poate scurge înapoi la blocul VCO dacă izolarea inversă dintre
acesta şi amplificator nu este destul de mare. Dacă frecvenţa de la ieşirea amplificatorului
de putere este apropiată de ceea a VCO-ului, frecvenţa de operare a VCO-ului ar putea fi
modificată cu ceea a amplificatorului de putere. Într-un transmiţător cu conversie directă,
unde frecvenţa blocului VCO este aceeaşi cu a semnalului de la ieşirea amplificatorului
de putere, scurgerea de la amplificatorul de putere la blocul VCO poate influenţa
densitatea spectrală de putere a semnalului de la ieşirea blocului VCO şi poate degrada
zgomotul de fază şi puritatea spectrală. Una din metodele folosite pentru a înlătura acest
fenomen este ca blocul VCO să aibă o frecvenţă de operare de două ori mai mare decât
frecvenţa canalului. Un transmiţător cu dublă conversie cu o frecvenţă potrivită poate să
reducă acest fenomen şi de asemenea aria blocului VCO deoarece dimensiunea
inductorului VCO este redusă cu creşterea frecvenţei de operare. Cuplajul între
amplificatorul de putere şi VCO poate să fie prin sursa de putere folosită de ambele
blocuri sau liniile comune de masă. Dacă fenomenul de scurgere are loc datorită izolării
slabe dintre amplificatorul de putere si blocul VCO, un buffer poate fi folosit pentru a
îmbunătăţii izolarea inversă dintre aceste două blocuri. Variaţia sursei de tensiune din
figura 15 aduce variaţii tensiunii din varactori. Aceste variaţii pot să modifice frecvenţa
de operare a blocului VCO. În transmiţătoarele sensibile de radiofrecvenţă, este
recomandat să existe un regulator de tensiune atribuit blocului VCO. Valoarea capacitivă
a varactorului este legată de tensiunea aplicată la terminale. În figura E.10a tensiunea Vb
controlează frecvenţa oscilatoare a blocului VCO. Sensibilitatea de tuning este definită
ca fiind raportul dintre variaţia frecvenţei blocului VCO faţă de variaţia tensiunii de
control Vb. Aceasta este reprezentată prin KV:
fOSC = f0 + Kv * Vb 4.7
∆fOSC = Kv * ∆Vb , 4.8
unde ∆fOSC este variaţia frecvenţei de oscilare, ∆Vb este variaţia tensiunii de control şi f0
este frecvenţa oscilatoare când Vb este egal cu 0.Tensiunea de control Vb poate să conţină
37
zgomot şi ecuaţia de mai sus arată că sensibilitatea frecvenţei VCO faţă de zgomot este
proporţională cu Kv.
Un oscilator inel constă din câteva nivele de întârziere ce creează o buclă.
Acestea nu conţin nici un inductor şi frecvenţa de oscilaţie este controlată prin ajustarea
timpului de întârziere la fiecare nivel din inel. Oscilatoarele inel ocupă o arie mai mică
dar au o disipare a puterii mai mare decât oscilatoarele LC. Circuitul VCO face parte din
blocul sintetizator de frecvenţă. Acesta foloseşte frecvenţă de referinţă precisă pentru a
genera frecvenţele necesare în trasmiţător. Frecvenţa de operare a VCO este de obicei
controlată de un PLL(Phase loked loop).
Figura 18 repreztă o diagramă simplă a unui PLL.
Frecvenţa de referinţă este un semnal fix şi precis generat de un oscilator cu
cuarţ. Frecvenţa de la ieşirea VCO-ului este divizată de divizorul de frecvenţă şi este
comparată cu frecvenţa de referinţă. Diferenţa dintre frecvenţa VCO , după divizare şi
frecvenţa de referinţă este frecvenţa eroare (∆f):
∆f = fREF – fDIV 4.9
38
Semnalul de la ieşirea blocului detector de frecvenţă/fază(PFD –
Phase/Frequency) conţine impurităţi şi poate să ducă la creearea unor modulări de
frecvenţă nedorite la ieşirea VCO. Filtrul buclă îndepărtează aceste interferenţe generate
de detectorul de frecvenţă. Şi clock-ul creează astefel de interferenţe. Prin micşorarea
lăţimii de bandă a filtrului se reduc aceste interferenţe, dar se degradează răspunsul PLL-
ului. Cu alte cuvinte îndepărtarea acestor interferenţe are ca efect marirea timpului de
comutare între două frecvenţe la dispozitivul PLL. Într-un dispozitiv PLL , timpul de
achiziţie este direct proporţional cu diferenţa dintre frecvenţa iniţială şi invers
proporţional cu bucla laţimii de bandă. Pompa de încărcare creează un impuls de curent
constant. Durata acestui impuls este proporţională cu diferenţa de fază dintre fREF şi fDIV.
Polaritatea curentului este aceeaşi cu ceea a ∆f. Filtrul de buclă converteşte acest curent
într-o tensiune ce controlează frecvenţa VCO.
Dacă divizorul de frecvenţă din figura 18 divizează frecvenţa cu un număr
întreg, PLL-ul folosit este un PLL întreg. Într-un astfel de PLL frecvenţa de referinţă nu
poate să depăşească spaţiul din canal, ceea ce poate constitui un factor de limitare. Dacă
divizorul de frecvenţă poate diviza frecvenţa blocului VCO la un număr fracţional având
limita în intervalul (N,N+1), atunci PLL-ul din figura 18 este un PLL fracţional.Ceea mai
comună metodă pentru a creea un divizor fracţional este arătată în figura E18. Divizorul
divizează semnalul cu factor N sau N+1 şi cu o raţia TN determină media echivalentă de
divizare(NEQ) :
!
1
+
+
++=
NN
NEQ TT
TNN 4.10
Într-un PLL fracţional frecvenţa de referinţă poate să fie mult mai mare decât
spaţiul canalului. Una din datoriile generatorului de frecvenţă este de a creea semnalele
în fază şi în cuadratură. Semnalele I şi Q sunt două semnale sinusoidale cu diferenţa de
fază de 90 grade. Semnalele I/Q sunt folosite în partea de recepţie pentru demodularea
semnalului OQPSK. Într-un scenariu ideal, diferenţele de fază dintre semnalele I şi Q
sunt de exact 90 de grade şi câştigurile din canalele I şi Q sunt aceleaşi. O cale folositoare
39
pentru determinarea sursei emiţătoare de EVM într-un semnal este de a compara
constelaţia semnalului măsurat cu ceea a semnalului ideal.
Figura 19.a arată constelaţiile de puncte ideale pentru modulaţia OQPSK.
În figura 19.b de exemplu doar eroarea de fază este prezentă şi nu există nici o
eraoare de amplitudine. De asemenea, semnalele I şi Q au o diferenţă de fază de
aproximativ 90 de grade. Din figura 19.c se poate vedea că diferenţa de fază dintre
semnalele I şi Q nu este de 90 de grade şi acest lucru poate constitui principala sursă a
EVM. Dacă nu există un dezechilibru între fazele semnalelor I şi Q, dar câştigurile din
canalele I şi Q nu sunt aceleaşi, constelaţia de puncte va fi întinsă într-o singură direcţie.
Figura 19.d arată efectul dezechilibrului de caştig de putere din cele două canale I şi Q. În
figura 19.e principala sursă a EVM-ului este zgomotul alb Gaussian şi fiecare constelaţie
de puncte este adunată în jurul punctelor ideale.
4.5. Managementul puterii
Un transmiţător constă din câteva blocuri cu diferite caracteristici. Blocul de
radiofrecvenţă şi cel de mixare al semnalului, necesită o sursă cu un zgomot foarte mic.
Blocul digital, pe de altă parte, poate să fie operaţional chiar dacă tensiunea scade
considerabil de la valoarea sa nominală. Blocul analogic preferă o tensiune mai mare
pentru a-şi atinge intervalul dinamic. Blocul digital poate opera cu o tensiune de
alimentare mai mică, ceea ce permite reducerea puterii disipate. Transmiţătorul integrat
are o unitate de management a puterii (PM power management) care asigură tensiunile
corecte diferitelor blocuri din transmiţător. Acest bloc e alcătuit dintr-un controler şi
40
câteva regulatoare de tensiune. Unitatea de control controlează regularotul de tensiune şi-
l porneşte sau opreşte în funcţie de cerinţe.
Regulatoarele de tensiune sunt împărţite în două categorii cele de comutare şi
cele liniare. Într-un comutator de comutare, un comutator conectează şi deconectează
periodic bateria de la circuit. Un regulator liniar aduce tensiunea la valoarea cerută fară a
folosi nici un circuit de comutare. Un regulator cu comutare are o eficienţă a puterii mai
mare dar necesită o dimensiune mai mare. Ţelul în construcţia unui regulator este de a
atinge performanţele cerute şi de a minimiza dimensiunea, curentul şi numărul de
compenente pasive externe. Una din cerinţele unui regulator se referă la capacitatea
sursei. Capacitatea sursei este dată de curentul maxim pe care un regulator îl poate da la
blocul conectat de acest regulator. Curentul de consum al regulatorului trebuie să fie cât
mai scăzut pentru a reduce curentul total de consum al blocului.
Figura 20 arată cum semnalul Vin este adus la intrarea unui regulator şi se obţine semnalul
Vout.
Una din îndatoririle unui regulator liniar este de a elimina variaţile semnalului de intrare.
Rata de rejecţie a tensiunii de alimentare reprezintă raportul dintre variaţiile tensiunii de
la intrare şi cele de la ieşirea unui regulator.
)(log20 dBDVDV
PSRRout
in= 4.11
Componentele active din interiorul unui regulator creează zgomot. Zgomotul de
la ieşirea regulatorului este transferată direct la blocul alimentat de regulator. Acesta este
funcţie de frecveţă şi este mai mare decât frecvenţele joase. Deoarece blocurile din
41
interiorul unui transmiţător au diferite niveluri de toleranţă pentru zgomotul primit de la
regulator, este recomandată o separare a regulatoarelor blocurilor sensibile la zgomot de
regulatoarele blocurilor mai tolerante la zgomot.
4.6. Microcontrolere
Câteva dintre transmiţătoarele dezvoltate pentru reţele wireless de rază mică vin
cu microcontrolere integrate. Aceste microcontrolere ajută la salvarea de energie.
Curentul consumat de microcontroler, când operează la frecvenţa maximă, poate fi
comparat cu curentul consumat de secţiunea radio a transmiţătorului. În anumite aplicaţii
este recomandată evitarea pornirii microcontrolerului şi a blocului radio în acelaşi timp.
Acest lucru reduce curentul extras din baterie şi duce la prelungirea vieţii de utilizare a
acesteia.
Microcontrolerele sunt clasificate în funcţie de dimensiunea magistralei de date.
De exemplu un microcontroler ce are magistrala de date de 8 biţi este numit un
microcontroler de 8 biti. Dimensiunea magistralei de adrese a microcontrolerului
determină memoria internă maximă pe care o suportă. Multe microcontrolere vin cu
capacităţi de debbug şi suportă diferite periferice. Următoarele microcontrolere sunt
câteva din microcontrolerele care pot fi găsite in arhitectura transmiţătoareler IEEE
802.15.4.
Setul de instrucţiuni reprezintă limbajul hardware folosit de soft pentru a utiliza
un procesor. Prin reducerea cu grijă a setului de instrucţiuni se poate ajunge la o
optimizare a designului microcontrolerului şi la o creştere a performanţelor acestuia.
Procesorul care poate optimiza performanţele prin reducerea setului de instrucţiuni este
numit RISC (Reduced Instruction Set Computers). Microcontrolerele ARM(Advanced
RISC Machines) sunt procesoare RISC de 32 biti dezvoltate de ARM Ltd.
Microcontrolerele ARM sunt cunoscute pentru performanţele ridicate şi pentru consumul
de putere redus.
42
HC(S)08 sunt microcontrolere de 8 biti de la Freescale Semiconductor.
Frecvenţa de clock din familia HCS08 poate să ajungă la 40 Mhz.Similar cu alte
microcontrolere, HCS08 suportă diferite moduri de salvare a puterii.
8051 este un microcontroler de 8 biti. Magistrala de adrese dintr-un microcontroler 8051
este de 16 biţi şi poate suporta o memorie internă de 64Kb. Microcontrolerele 8051
suportă moduri de salvare a puterii şi au diferite funcţii suplimentare.
4.7. Interfeţe de comunicare
Interfaţa permite unui transmiţător sa comunice cu alte componente din afara
transmiţătorului. Una dintre cele mai comune interfeţe disponibile este GPIO (General
Purpose Input Output). Un pin GPIO poate fi configurat ca ieşire sau intrare în funcţie de
aplicaţie. O interfaţă pentru tastatură poate fi stabilită dacă un transmiţător este conectat
la slotul tastaturii. Un convertor analog digital poate facilita crearea unei interfeţe cu
senzori prin convertirea ieşirea senzorilor din analogic în digital.
SPI (Serial Peripheral Interface) este una dintre cele mai utilizate metode în
stabilirea unei comunicaţii seriale între două sau mai multe dispozitive. SPI utilizează
dispozitive master/slave pentru controlul fluxului de date. Există patru semnale în
magistrala SPI:
• Master Output, Slave Input(MOSI)
• Master Input, Slave Output (MISO)
• Serial Clock (SCKL)
• Slave Select (SS)
MOSI este folosit pentru a transfera date de la master la slave. MISO transferă
date de la slave la master. SCLK se ocupă cu sincronizarea interfeţei seriale de
comunicaţie. Un dispozitiv slave poate comunica cu cel master cand linia Slave Select
este zero. De fiecare dată când dispozitivul master trimite un bit spre slave prin MOSI,
dispozitivul slave trimite un bit spre master prin MISO. În acest fel, interfaţa SPI asigură
43
o comunicare duplex deoarece informaţia este transmisă intre slave şi master
concomitent.
Magistrala I2S Inter-IC Sound este o cale alternativă pentru a stabili o
comunicaţie serială între diferite IC-uri. O magistrală I2S este facută să transporte doar
datele digitale audio, celelalte semnale trebuie să fie trasferate separat. Magistrale I2S ,
arătată în figura E.17, are trei linii:
• Serial Clock(SCK)
• Word Select(WS)
• Serial Data(SD)
Deoarece I2S are doar o linie serială, comunicaţia nu este pe deplin duplex ca şi la
magistrala SPI. În I2S, MSB cel mai important bit este transmis primul. Linia WS
schimbă o perioadă de timp înainte ca cel mai important bit să fie transmis pentru a
permite transmiţătorului să să-şi sinconizeze timerul, şi receptorul va avea şansa să
memoreze cuvântul precedent.
Un circuit integrat folosit în reţelele wireless de rază scurtă de acoperire poate să
conţină un analog, un digital , un microcontroller şi o memorie pe aceeaşi plăcuţă.
Complexitatea acestor dispozitive necesită un standard pentru testare, astfel IEEE a lansat
un standard denumit “ Standard Test Access Point and Boundary Architecture” (IEEE
1149.1).
44
JTAG(Joint Test Action Grup) a fost format de un număr de lideri ai unor
interprinderi de silicon. Un produs poate suporta acest standard de testare şi poate asigura
o interfaţă apropiată. Interfaţa de testare este cunoscută ca interfaţă de scanare JTAB
boundary. O interfaţă JTAG permite testarea de blocuri neconectate între ele prin
folosirea de probe phzsical. Figura E.18 arată o interfaţă JTAG. TDI (Test Data IN) este
folosit pentru a aduce o serie de date la un subbloc. Semnalul de la ieşire de la subbloc
este identificat de TDO(Test-Data-Out). Fiecare sub-block are un Test-Clock(TCK).
JTAG utilizează secvenţe maşină. JTAG poate să asigure un pin reset (TRST) care poate
fi folosit la resetare.
45
5. Dispozitivul ZigBee eZ430-RF2500
Dispozitivul eZ430-RF2500 este un kit de dezvoltare complet ce asigură
resursele hardware şi software pentru evaluarea microcontrolerului MSP430F2274 şi a
transmiţătorului wireless de 2.4Ghz CC2500. Acesta foloseşte mediul de dezvoltare IAR
Embeded Workbench pentru a scrie, a downloada şi a corecta aplicaţia. Plăcuţele eZ430-
TF2500T sunt sisteme wireless care pot fi folosite cu o interfaţă debug USB, pentru un
sistem de sine stătător sau pot fi integrate într-o aplicaţie existentă. Interfaţa debug
permite dispozitivului eZ430-RF2500 să trimită şi să primească informaţie de la un
calculator folosind MSP430 Aplication UART.
eZ430-RF2500 conţine:
• interfaţă debug şi de programare USB
• 21 pini pentru dezvoltare
• un microcontroler MSP430
• două leduri verzi şi roşii conectate la doi pini I/O pentru vizualizarea
feedback-ului
• un buton întrerupere
• un trasmiţător wireless CC2500
• antenă chip
5.1. CC2500
CC2500 este un transmiţător de 2.4 Ghz , de cost scăzut, creat pentru aplicaţiile
wireless de cost scăzut. Acest circuit este destinat pentru banda de frecvenţă de
2400+2483.5 Mhz ISM(industrial, stiinţific şi medical) şi SRD( dispozitiv cu raza
scurtă). Trnasmiţătorul de radiofrecvenţă este integrat cu un modem ce suportă diferite
formate de modulaţie şi are o rată de configurare până la 500kBaud. CC2500 asigură
suport hardware pentru manevrarea pachetelor, pentru accelerarea transmisiei , pentru
curaţarea canalelor. Principalii parametrii de operare şi cei 64 biţi FIFO de transmisie-
46
recepţie ai CC2500 pot fi controlaţi prin intermediul unei interfeţe SPI. Într-un sistem
tipic, CC2500 va fi folosit împreună cu un microcontroler şi câteva componente passive.
O diagramă simplă a circuitului CC2500 este arătată în figura 22:
Semnalul de radiofrecvenţă recepţionat este amplificat de cicuitul amplificator
cu zgomot redus (LNA) şi este convertit la frecvenţa intermediară IF. Semnalele I/Q sunt
transformate în semnale digitale de convertorul analog-digital. Filtrarea, demodularea,
sincronizarea pachetelor are loc digital. Partea de transmisie a dispozitivului CC2500 se
bazează pe sintetizarea directă a frecvenţei semnalului. Syntetizatorul conţine un oscilator
local şi un schimbător de fază de 90 de grade pentru generarea semnalelor I şi Q. Un
cristal este conectat între piniii XOSC_Q1 şi XOSC_Q2. Oscilatorul generează frecvenţa
de referinţă pentru sintetizator, ca şi clock-ul pentru blocul ADC şi porţiunea digitală.
Circuitul recomandat pentru aplicaţie este arătat în figura 23:
47
Rezistenţa R171 este folosită pentru a seta un curent de referinţă precis.
Componentele dintre pinii RF_N/RF_P şi punctul în care cele două semnale sunt
conectate împreună (C122, C132, L121 şi L131) formează un balun (TLT –
transformator cu linie de transmisie de simetrizare) ce converteşte semnalul diferenţial
RF într-un semnal simplu final. Condesatoarele C121 şi C131 sunt folosite pentru blocaul
DC. Împreună cu o reţea LC, componentele cicuitului balun transformă impedanţa pentru
a se potrivi cu o antena de 50Ω. Oscilatorul de cristal foloseşte un oscilator extern cu
două condensatoare de cuplaj (C81 şi C101).
5.1.1 Interfaţa SPI
CC2500 este configurat printr-o interfaţă SPI pe 4 fire(SI, SO, SCLK,CSn), unde
CC2500 este considerat dispozitivul slave. Toate tranzacţiile de pe interfaţa SPI încep cu
un header ce conţine un bit R/W, un bit de acces B şi o adresă formată din 6 biţi (A5-A0).
Pinul CSn trebuie setat pe nivelul zero logic pe timpul transferului pe interfaţa SPI. Dacă
CSn trece pe nivelul logic high pe timpul transferului header-ului sau pe timpul citirii sau
48
scrierii dintr-un registru, acţiunea va fi anulată. Într-un sistem tipic, CC2500 va fi legat de
un microcontroler. Acesta trebuie să fie capabil să:
• programeze CC2500 în diferite moduri
• scrie sau să citească informaţiile memorate
• să citească informaţiile de stare prin interfaţa SPI
Microcontrolerul foloseşte 4 pini I/O pentru interfaţa SPI. CC2500 are doi pini
dedicaţi (GDO0 şi GDO2) şi un pin universal care poate furniza la ieşire informaţii
necesare controlului software. Aceşti pini pot fi folosiţi să genereze întreruperile pentru
micricontroler. În modul de transmisie sincron sau asincron, pinul GDO0 este folosit ca
un pin de transmisie a informaţiei. Acesta poate fi folosit de asemenea la senzorul de
temperatură. Prin măsurarea tensiunii de pe pinul GDO0 cu un convertor analogic-digital
extern, se poate calcula temperatura.
CC2500 are o cale opţională de control a radio-ului, prin îndepărtarea din
interfaţa SPI a pinilor SI, SCLK şi CSn. Această opţiune permite controlul stărilor radio,
acestea fiind sleep, idle, Rx şi Tx. Când pinul CSn este setat pe “1” logic , pinii SCLK/SI
nu sunt active. Dacă pinul CSn este setat pe “0” logic, atunci valorile pinilor SCLK/SI
modifică starea radio aşa cum se arată în tabelul de mai jos:
49
5.1.2 Programarea ratei de transmisie
Rata de transmisie folosită la transmisie este programată de regiştrii
MDMCFG3.DRATE_M şi MDMCFG4.DRATE_E. Rata este dată de formula următoare:
XOSC
EDRATE
DATA fMDRATER *2
2*)_256(28
_+=
Aşa cum arată formula , rata de date programată depinde de frecvenţa
cristalului.Următoarele formule pot fi folosite pentru a găsi o valori potrivite pentru rată
de date dată:
=
XOSC
FATA
fREDRATE
20
22*
log_
2562*
2*_ _
28
−= EDRATEXOSC
DATA
fRMDRATE
În ordine pentru a îndeplini cerinţele diferitelor canale, filtru din canalul de
recepţie este progrmabil. Regiştrii de configurare MDMCFG3.DRATE_M şi
MDMCFG4.DRATE_E controlează lăţimea de bandă a filtrului, care se modifică în
funcţie de frecvenţa oscilatorului cu cuarţ. Următoarea formulă dă relaţia dintre setările
regiştrilor şi lăţimea de bandă a filtrului.
ECHANBWXOSC
channel MCHANBWf
BW _2*)_4(*8 +=
Pentru performanţe mai bune, lăţimea de bandă a filtrului ar trebui selectată în
aşa fel încât laţimea de bandă a semnalului să ocupe 80% din lăţimea sa.
50
5.1.3 Demodulatorul
CC2500 conţine un demodulator avansat şi configurabil. Filtrarea canalului şi
compensarea frecvenţei de offset se face digital. Pentru a genera nivelul RSSI este
estimat nivelul semnalului din canal. Se face de asemenea o filtrare a datelor pentru
mărirea performanţelor.
Când se foloseşte modularea 2-FSK, GFSK sau MSK demodulatorul va
compensa pentru offset-ul dintre frecvenţa receptorului şi a transmiţătorului printr-o
estimare a centrului datelor recepţionate. Valoarea este accesibilă în registrul FREQEST.
Se scrie valoarea din FREQEST în FSCTRL0. FREQOFF sintetizatorul de frecvenţă este
automat ajustat în concordanţă cu frecvenţa de offset estimată.
5.1.4. Sincronizarea pe bit
Dacă bit-ul FOCCFG.FOC_BS_CS_GATE este setat, compensarea de offset va
îngheţa până la sosirea unui semnal. Acest lucru este folositor atunci când radio este în
modul recepţie pentru o lungă perioadă de timp fără trafic. Bucla de trafic are doi factori
de câştig, ceea ce afectează timpul şi sensibilitatea de zgomot a algoritmului.
FOCCFG.FOC_PRE_K setează câştigul înainte ca cuvântul de sincronizare să fie
detectat, şi FOCCFG.FOK_POST_K selectează câtigul după ce cuvântul de sincronizare
este găsit. Algoritmul sincronizării de bit extrage clock-ul din şirul de simboluri primite.
Algoritmul necesită ca rata de transmisie aşteptată să fie programată după formula fzg2.
Are loc o resincronizare continuă pentru o ajustare a erorilor din rata de simbol
recepţionată. Sincronizarea de bit este obţinută printr-o căutare continuă a cuvântului de
sincronizare. Cuvântul de sincronizare este un câmp configurabil de 16 biţi care este
introdus automat la începutul pachetului, de modulator la trasmisie. Cuvântul de
sincronizare va funcţiona de asemenea ca un sistem de identificare, deoarece doar
pachetele cu un cuvânt de sincronizare predefinit vor fi recepţionate.
51
5.2 MSP430
Inima acestei platforme este microcontrolerul MSP430 de la Texas Instruments.
Exită o familie completă de microcontrolere MSP430, existând variante diferite în funcţie
de cantitatea de RAM şi ROM şi de capabilităţile I/O. Cel folosit este microcontrolerul
MSP420f2274, 32KB + 256B memorie flash şi 1KB memorie RAM. Microcontrolerul
MSP430 este un microcontroler RISC de 16 biţi. RISC pentru computer cu set redus de
instrucţiuni se referă la faptul că nu sunt decât 27 de instrucţiuni. 16 biţi se referă la faptul
că interconectarea dintre elementele microcontrolerului se face cu magistrale de 16 biţi.
Figura următoare arată structura internă a unui microcontroler MSP430:
Când se programează un dispozitiv eZ430-RF2500 se programează de fapt
microcontrolerul acestuia, se pune codul binar compilat în locaţia corespunzătoare din a
memoriei ROM. Un program pentru un dispozitiv wireless este un set de mici bucăşi de
cod executat atunci când o acţiune are loc, de exemplu la apăsarea unui buton sau la
aprinderea unui LED. Când un eveniment are loc într-un element electric din afara
52
microcontrolerului, acest element informeză microcontrolerul prin schimbarea stării
nivelului electric din firele conectate. Firul este conectat cu unul dintre porturile
microcontrolerului MSP430, microcontrolerul poate să fie programat astfel încât la
schimbrea stării la port , să genereze o întrerupere. Când o întrerupere este generată,
MSP430 opreşte execuţia în care se află şi începe să execute o funcţie numită Interrupt
Service Routine(ISR).
MSP430 are 40 de pini:
• 4 au funcţii analogice pentru alimentarea plăcii
• 2 sunt folosiţi pentru testări
• 2 sunt folosiţi dacă un cristal exterior este pus ca sursă de clock
• 32 au funcţii digitale
53
6. Aplicaţii practice ale dispozitivului ZigBee eZ430-RF2500
6.1 Senzor de monitorizare wireless
Reţeaua wireless constă dintr-un dispozitiv de acces conectat la calculator prin
USB şi unul sau mai multe dispozitive finale ce comunică wireless cu acesta.
Dispozitivul final măsoară temperatura la interal de o secundă. După fiecare masurătoare
transmite informaţia la dispozitivul de acces şi intră în modul de funcţionare low-power.
Prin acest mod se reduce gradul de utilzare a bateriei. Dispozitivul de acces transmite
datele la calculator prin canalul UART. Cu ajutorul aplicaţiei PC Sensor Monitor
Visualizer se creează o fereastră în care sunt prezentate valorile de temperatură citite.În
figura următoare este prezentată o astfel de fereastră de monitorizare :
54
6.1.1. Dispozitivul de acces
Prima acţiune pe care dispozitivul de acces o execută este de a transmite un
semnal la portul calculatorului şi de a iniţializa reţeaua. După iniţializare , dispozitivul
incepe să măsoare temperatura şi o trimite la calculator. În acelaşi timp acesta verifică
dacă există dispozitive finale conectate la reţea sau dacă acestea transmit informaţie.
Dispozitivul de acces are în componenţa sa două leduri indicatoare. Cel roşu indică o
transmisie la calculator. Când este aprins led-ul verde are loc o transmisiune între
dispozitivul final şi cel de acces. În figura 27 este prezentată schema de funcţionare a
dispozitivului de acces.
55
BSP_Init() – este o funcţie ce dezactivează watchdog-ul, iniţializează MCLK la
8Mhz, setează porturile ledurilor ca porturi de ieşire şi portul butonului ca port de intrare.
O dată ce iniţializarea e completă este activată funcţia SMPL_Init(sCB) pentru
iniţializarea dispozitivului radio.
sJoinSem este un semafor ce cheamă funcţia SMPL_LinkListen() de fiecare dată când un
nou dispozitiv încearcă să se conecteze la reţea. Funcţia SMPL_LinkListen() verifică
dacă a fost creată legătura cu noul dispozitiv. Dacă legătura s-a efectuat cu succes , atunci
sJoinSem măreşte numărul de dispozitive pe care dispozitivul de acces le recunoaşte ca
făcând parte din reţea şi deblochează semaforul sJoinSem pentru alte dispozitive.
Semaforul sPeerFrameSem este incrementat de fiecare dată când dispozitivul de acces
primeşte un pachet. Acesta defineşte un mesaj buffer în care depozitează frame-ul curent,
pană acesta este analizat şi prelucrat.
6.1.2 Dispozitivul final
La pornire dispozitivul final începe să caute un dispozitiv de acces. În timpul de
căutare LED-urile se aprind intermitent. După descoperirea unui dispozitiv final acesta
încearcă să creeze un link. Dacă led-ul verde se aprinde intermitent atunci nu a fost
posibilă realizarea unei conexiuni cu dispozitivul de acces.
Modul de operare al dispozitivului final este arătat în figura 28.
Procedura de iniţializare la dispozitivul final este diferită faţă de dispozitivul de
acces în ceea ce priveşte generarea adresei dispozitivului şi a parametrilor transmişi la
funcţia SMPL_Init(). Ca o parte a iniţializării , dispozitivul final creează o adresă random
de 4 biţi, şi scrie această adresă in flash. Datorită acestui lucru dacă are loc o defecţiune
sau o dezactivare a dispozitivului, la reactivare dispozitivul va putea fi recunoscut în
56
reţea. Apoi este chemată funcţia SMPL_Init(), ce iniţializează conexiunea dispozitivului
final la reţea.
6.1.3. Moduri de operare
Exită două tipuri de prezentare a datelor.
• Afişează temperatura
• Afişează datele
Temperatura poate fi afişată în grade Celsius sau în grade Fahrenheit.
De asemenea există două modalităţie de afişare a datelor :
• modul verbos
• modul minim
Un exemplu de afişare a datelor în modul verbos este următorul:
57
Node: este un identificator al dispozitivului în reţea, reprezintă in întreg care
arată ordinea în care un nou dispozitiv a intrat în reţea. Dispozitivului de acces i se dă
întotdeauna identificatorul HUB0
Temp: arată temperatura măsurată de nod. Aceasta poate să fie în grade Celsius sau în
grade Fahrenheit, în funcţie de opţiune specificată în interfaţa grafică.
Battery: reprezintă tensiunea pe baterie , măsurată de componenta ADC.
Strength: este valoarea indicatorului de putere a semnalului recepţionat (RSSI) dat de
circuitul CC2500.
RE: este un idicator care ne spune dacă un pachet a trecut printr-un nod de extensie
Node: este un identificator al dispozitivului în reţea, reprezintă in întreg care
arată ordinea în care un nou dispozitiv a intrat în reţea. Dispozitivului de acces i se dă
întotdeauna identificatorul HUB0
Un exemplu de afişare a datelor în modul minim este arătat mai jos:
Acest mod conţine aceleaşi informaţii ca modul verbos, dar datele sunt transmise în
format minim pentru a reduce banda folosită.
58
6.2 Reţea de transmisie wireless
Cu dispozitivele ZigBee eZ430-RF2500 se poate creea o reţea de transmisie
wireless între două sau mai multe calculatore. Softul este încărcat în fiecare dipozitiv ,
după care acesta este conectat la calculator. Figura 29 prezintă transmisia wireless între
două calculatoare prin intermediul dispozitivelor wireless eZ430-RF2500.
În figura 30 este ilustrată interfaţa utilizată, prin intermediul căreia se citesc sau se
introduc caractere.
59
Aşa cum se arată în figura 29 prima dată se execută funcţia de iniţializare.
60
BSP_Init() – este o funcţie, care dezactivează watchdog-ul, iniţializează
MCLK la 8Mhz, setează porturile ledurilor ca porturi de ieşire şi portul butonului ca
port de intrare.
MRFI_Init() iniţializează interfaţa SPI între MSP430 şi CC2500, porneşte
integratul CC2500 şi configurează cei 47 de regiştrii ai acestuia, şi porneşte
întreruperile de la CC2500.
MRFI_WakeUp() – activează dispozitivul radio, pornind oscilatorul de
26Mhz ataşat la el, fară a se intra în starea de emisie sau de recepţie.
MRFI_RxOn() – setează dispozitivul radio pe modul de recepţie până la
chemarea funcţiei MRFI_RxCompleteISR.
Funcţia MRFI_RxCompleteISR este chemată atunci când un pachet este
recepţionat. Aceasta va afişa în interfaţa PUTTY informaţia primită.
O variabilă de tipul mrfiPacket_t este o structură formată din două părţi:
• packet.frame reprezintă cadrul ce va fi transmis. Primul bit reprezintă lungimea
câmpului payload împreună cu lungimea adreselor sursei şi destinaţiei. Adresele
sunt codate pe 4 biţi, şi lungimea maximă a câmpului Payload este de 20 biţi.
CC2500 nu efectuează o filtrare de adrese, din această cauză în practică nu ne
interesează câmpurile adresă.
• packet.rxMetrics dă o statistică despre ultimul pachet recepţionat. Primul bit este
indicatorul de putere al semnalului recepţionat (RSSI – Received Signal Strength
Indicator). Acesta dă nivelul semnalului în dBm. Următorul bit indică dacă CRC-
ul (Cyclic Redundancy Check) a reuşit sau nu. Ultimii 7 biţi reprezintă indicatorul
de calitate a legăturii (Link Quality Indicator - LQI). Acesta dă o estimare, despre
cât de uşor poate fi un semnal recepţionat demodulat, prin acumularea
magnitudinii erorilor dintre constelaţiile ideale şi cele ale celor 64 de simboluri
din semnalul recepţionat.
Funcţia USCIORX_ISR este chemată atunci când se introduce un caracter de
la tastatură în PUTTY. Caracterul de 8 biţi este depozitat într-un pachetul. Pachetul
61
este transmis atunci când este apăsată tasta enter sau automat când au fost introduse în
PUTTY 29 de caractere consecutive.
6.3 Concluzii
Aşa cum am arătat în această lucrare ZigBee este un standard radio bine
definit cu caracteristici bogate.
Domeniul de aplicaţie este vast, şi este ideal la dezvoltarea tehnologiilor ce
necesită o rată de transfer scăzută. Unul dintre avantejele importante ale acestuia îl
reprezintă numărul mare de noduri pe care il poate include într-o reţea, până la 250.
Reprezintă cea mai bună soluţie putere-preţ. O aplicaţie realizată cu
standardul ZigBee este de 2, 3 ori mai ieftină faţă de ceea realizată cu Bluetooth.
Alte avantaje importante sunt reprezentate de gradul mare de operabilitate, un
nivel de securitate ridicat şi durata mare de viaţă a bateriei. Aceasta variază de la
câteva luni la zeci de ani, în funcţie de intervalul de activare şi de lungimea
pachetelor trimise.
În această lucrare am prezentat prezentat tehnologia ZigBee, am analizat
dispozitivul ZigBee eZ430-RF2500 , am rulat softul şi am îndreptat erorile apărute.
Am simulat un sistem de monitorizare şi un sistem de transmisie wireless. Prin
procedura creeată se pot pune bazele studierii tehnologiei ZigBee în facultate. De
asemenea poate fi folosită pentru cercetarea şi dezvoltarea de noi aplicaţii.
62
Referinţe:
[1] Shahin Farahani, “ZigBee Wireless Networks and Transceivers”,sep.2008.
[2] ZigBee Specificaţion 053474r17, Jan.2008; disponibile la www.zigbee.org.
[3] J.P.Lynch, “An overviu of wireless structural health monitoring for civil structures”,
Phil. Trans. R. Soc.A, 2007, pag 345-247.
[4] ZigBee Alliance, disponibil la www.zigbee.org.
[5] IEEE 802.15.4: Wireless Medium Access Control and Physical Layer (PHY)
Specification for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs), Sept.2006.
[6] J. Gutierezz et al.,”Low-Rate Wireless Personal Area Networks”,IEEE Press, 2007.
[7] Home Heartbeat (EATON) Zigbee-Based Security System; disponibil la
www.home-heartbeat.com.
[8] J.D.Lee et al., ”Development of ZigBee-Based Street Light Control System,”
Proceedings of IEEE Power System Symposium and Expoaition, pag 236-240.
[9] Freescale Semiconductor, disponibil la www.freescale.com/zigbee.
[10] A.Grebennikov, “RF and Microwave Power Amplifier Design”, McGraw-Hill
Professional, August 25, 2004.
[11] B.Razavi, “RF Microelectronics,” Prentice Hall International, 1998.
[12] R.B.Staszewski and P.T.Balsara, “All-Digital Frequency Synthezier in Deep-
Submicron CMOS,” John Wiley & Sons, 2006.
63
[13] C.S. Vaucher, “Arhitecture for RF Frequency Syntheziers,” Kluwer Academin
Publisher, 2002.
[14] X.Yang, et al., “A Digitally Controlled Constant Envelope Phase-Shift Modulator
for Low Power Broad-Band Wireless Applications,” IEEE Transaction on Microwave
Theory and Tehniques, Vol. 54, No.1, Jan 2006, pag 96-105.
[15] A.D.Berny, et al., “A 1.8 Ghz LC VCO With 1.3-Ghz Tuning Range and Digital
Amplitudine Calibration,” IEEE JSSC, April 2005, pag. 909-917.
[16] http://wikipedia.org
64
65
